818

IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 29 ноября -3 декабря 2010 г.
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ
ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИХ БЛОКОВ АВИАМЕТЕОЛОКАТОРА
Курганов Владислав Владимирович, Лялин Константин Сергеевич,
Орешкин Виталий Иванович, Чиркунова Жанна Владимировна
Национальный исследовательский университет Московский государственный институт
электронной техники (технический университет)
ООО «НИИ «Компонент»
vvk_30@mail.ru, mrtus@miee.ru
В докладе рассмотрены вопросы разработки приемо-передающих блоков перспективной
радиолокационной системы (РЛС) обнаружения осадков в атмосфере на базе активных фазированных
антенных решеток (АФАР). Описано использование современных технологий, обозначены основные
трудности и подходы к их решению.
Использование радиолокационных методов для получения метеорологической информации
нашло широкое применение в практике работы метеослужб, при исследовании
метеообразований, а также при проведении активных воздействий на метеообразования.
Современные тенденции развития радиометеорологических систем самолетного базирования
свидетельствуют о переходе от ламповой техники, механической стабилизации антенны
радиолокатора и некогерентной обработки сигналов к технологии АФАР [1] с цифровой
когерентной обработкой радиосигналов. По сравнению с классическими системами
применение технологии АФАР и когерентной обработки позволяет создавать
многофункциональные системы, например, одновременно с функциями зондирования
атмосферы появляется возможность по зондированию поверхности Земли с высоким
разрешением [2] и т.п. Однако несмотря на все очевидные преимущества АФАР использование
этой технологии ограничено в основном системами специального назначения, что связано с
достаточно высокой стоимостью подобных систем при использовании технологий
производства 10…20 летней давности. Поэтому немаловажным фактором при создании
современных систем гражданского применения на базе АФАР является конечная стоимость
продукции. Указанная проблема может быть решена применением новых технологий
проектирования и изготовления, появившихся в последнее десятилетие.
В данной работе представлены результаты применения новых технологий проектирования
и изготовления узлов и блоков для создания радиолокатора обнаружения осадков в атмосфере
на базе АФАР.
Современное проектирование начинается с построения программных моделей узлов и
блоков на основе имеющихся S-параметров на СВЧ-элементы. На мировом рынке
программных продуктов имеется достаточное количество средств моделирования. Это
позволяет хоть как-то оценить возможность реализации устройства на данной микросхеме и
способствует снижению этапов макетирования. Более того построение моделей всего тракта
даёт возможность учитывать взаимодействие СВЧ-элементов между собой и по возможности
включать в модели особенности будущей топологии. Современные устройства являются много
функциональными и на одной плате требуется располагать не только приёмник и передатчик,
но так же и все устройства преобразования частоты, может быть устройства цифровой
обработки и обязательно элементы питания.
Основной трудностью проектирования современных СВЧ устройств с поверхностномонтируемыми компонентами и распространением СВЧ энергии по микрополосковым линиям
передачи является разводка цепей питания и управления. Использование обычных
двухслойных плат оказывается проблематичным, так как СВЧ-линии не терпят разрывов земли
под полосками. Это наихудшим образом сказывается на прохождении СВЧ-сигнала по тракту:
ухудшение коэффициентов стоячей волны по напряжению (КСВН) по входу и по выходу,
последующее уменьшение коэффициента передачи, а ухудшение земли у самой микросхемы –
818
IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 29 ноября -3 декабря 2010 г.
вплоть до отказа её работы. Единственным возможным вариантом является проводка дорожек в
разрывах самих полосков под какими-нибудь компонентами, например конденсатором. Опять
же провести шину управления (например для аттенюатора ) не является возможным. Кроме
этого близлежащие сигнальные цепи и цепи питания вызывают существенные наводки и
искажения СВЧ-сигнала.
Альтернативным методом решения данной проблемы является переход к многослойной
технологии разводки печатных плат с линиями СВЧ. Однако применение данного подхода
является малоизученным, а распространение волн по плате ещё более не предсказуемым чем в
двухслойном варианте. Наиболее приемлемым является использование 4-хслойных плат. В
верхнем слое располагаются все электронные компоненты и СВЧ дорожки. На втором слое
надо обеспечить «хорошую» землю (без разрывов) под микрополосковыми линиями с
достаточно большим запасом по ширине (не менее 5 ширин линий СВЧ в каждую сторону). По
возможности второй слой следует сделать полностью земляным. В третьем слое печатной
платы содержится разводка цепей питания и управления. В случае большой насыщенности
элементами может быть не достаточно использования одного сигнального слоя, поэтому по
возможности могут использоваться и другие слои. В четвёртом, нижем слое, опять находится
земля.
Верным путём для повышения качества работы СВЧ устройства является «хорошая» земля.
Под этим подразумевается, что в любой точке платы, на любом слое потенциал земли должен
быть одинаков. При этом не стоит забывать, что земляные выводы микросхемы являются
токоведущими как для цепей питания так для СВЧ волн, поэтому обеспечить равность
потенциалов является не тривиальной задачей. Во-первых следует по возможности заполнить
всё пространство платы переходными отверстиями между всеми слоями. Расстояние между
ними должно быть разумным, с одной стороны минимальным, много меньше длины волны, с
другой они не должны уменьшать механическую прочность платы. Наш опыт показал, что на
частотах 9…10 ГГц расстояние между переходными отверстиями в 5 мм оказалось
недостаточным, и его уменьшение, при отработке макета, до 2,5 мм положительным образом
отразилось на повышении качества работы СВЧ-трактов. В случае затруднения делать
сквозные переходные отверстия рекомендуется использовать глухие чрез один слой
метелизации или непосредственно между двумя соседними слоями. Также положительно
сказывается расстановка глухих отверстий в непосредственной близости к микрополоскам, но
не под ним. Влияние глухого «земляного» отверстия под СВЧ-дорожкой является предметом
дальнейшего изучения, но не вызывает благих надежд. Расположение переходных отверстий на
землю под СВЧ-микрасхемами будет оказывать двоякую функцию, не только улучшение земли
для элемента, но и теплоотвод. Современные технологии изготовления печатных плат и
монтаже электронных компонентов позволяют не опасаться за утекание припоя из под
микросхемы. Однако рекомендациям фирм-производителей по уменьшению диаметра
отверстий не стоит сильно следовать, так как слишком малый диаметр будет обладать
индуктивным характером, что может отрицательно сказываться на работе.
Ещё одним методом повышение качества земли является расположение платы
непосредственно на корпусе. Как правило, СВЧ-платы располагаются в закрытых
металлических корпусах. Рекомендуется нижний слой платы сделать земляным и не покрывать
защитными лаками и масками, а напротив, обеспечить хороший электрический контакт и
положить плату прямо на корпус плотно прижав крепежными винтами. Указанные методы
позволяют существенно улучшить качество работы СВЧ-трактов, увеличивают
помехозащищённость и способствуют снижению склонности усилителей к самовозбуждению и
генерации.
Наибольшими проблемы при проектировании авиаметеолокатора представлял блок
преобразования частоты. Согласно не простым требованиям технического задания, он
представляет собой два канала преобразования (вверх и вниз), в каждом из которых частота
изменяется в 2 этапа от общих гетеродинов. Более того, каждый из смесителей является
квадратурным, т.е. в одном имеется две микросхемы одна работает с синфазной, другая с
квадратурной составляющими сигнала. Условно можно сказать, что такой смеситель
представляет собой 2 микросхемы, включённые в кольцо из микрополосковых линий
819
IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 29 ноября -3 декабря 2010 г.
(Рисунок 1). В результате чего получается, что надо подвести сигнал гетеродина внутрь такого
кольца. Это можно сделать только двумя способами: с помощью внешних коаксиальных
кабелей, либо используя внутренний слой платы. Для удовлетворительной работы такого
смесителя необходимо обеспечить точность фазы гетеродинов квадратурных компонент не
более 3-х градусов, что сделать подбором длины коаксиального кабеля практически не
возможно, поэтому от этого варианта пришлось отказаться. Разводка СВЧ сигнала во
внутреннем слое представляет собой не малые трудности. Во-первых, не понятно как СВЧ
сигнал пойдёт через переходное отверстие, и какого оно должно быть диаметра. Расчёт
подобных неоднородностей в программах моделирования требует достаточно много времени,
больших вычислительных ресурсов, и большое количество итераций. Во-вторых, надо
обеспечить развязку с СВЧ-линиями в верхнем слое, поэтому разводку сигнала гетеродина
целесообразно проводить на третьем слое. Для этого необходимо иметь «хорошую» землю в
промежуточных «земляных» слоях и учитывать при проектировании, что уже получается не
микрополосковая линия, а симметричная (у которой сверху и снизу земля).
При работе на частотах
9…10 ГГц и большом числе
микросхем на плате возникает
опасность
возникновения
самовозбуждения и резонанса с
корпусом.
Для
решения
указанной
проблемы,
как
правило,
используется
разбиения платы на отсеки с
помощью
рамки,
которая
является
частью
корпуса.
Размеры рамки выбираются
исходя
из
расчётов
по
известным формулам. [4] Важно
заметить, что надо обеспечить
хороший электрический контакт
Рисунок 1 – Топология квадратурного смесителя. между платой и рамкой, поэтому
места платы соединения с
рамкой необходимо вскрывать от маски и защитных лаков. Дело в том, что зазор в несколько
микрон может вызвать резонанс. Иногда и этих мер оказывается недостаточно, для этого в
каждый из отсеков помещают СВЧ-поглатитель или внешнюю крышку блока покрывают
поглощающей СВЧ краской.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ashok S. Mudukutore, V. Chandrasekar and R. Jeffrey Keeler. Pulse Compression for Weather
Radars. IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 36, NO. 1,
JANUARY 1998
2. Курганов В.В., Лялин К.С., Приходько Д.В. «Построение модели системы встроенного
контроля антенных решеток для радиолокаторов с синтезированной апертурой» // Изв. ВУЗов.
Электроника. – 2010. – №5
3. Д. Бартон - Радиолокационные системы. М: Военное издательство МО СССР 1967 г. 480
с.
4. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. –М.: Сов. радио,
1976
820