книги из ГПНТБ / Радиотехнические системы в ракетной технике

—антенна должна сохранять работоспособность tip,я длитель* ном хранении;

—система развертывания должна быть надежной;

—отношение диаметров антенны в рабочем и сложенном по­

ложениях не менее 10, отношение занимаемых объемов — не ме­ нее 50;

— вес антенны в расчете на единицу рабочей площади не дол­ жен превышать 1,22 кг/м2.

Ими изучены несколько типов развертываемых в космосе ан­ тенн: жесткая лепестковая антенна, телескопическая с отвердеваю­ щей в космосе оболочкой, пленочные антенны (стабилизируемые вращением и подкрепленные элементами жесткости). Жесткая ле­ пестковая антенна диаметром 9,8 м развертывается с помощью пружинного устройства и имеет вес на единицу площади равный

1,27 кг/м2.

Пленочная антенна с алюминиевыми элементами жесткости имеет диаметр рабочей части 3 м и вес на единицу площади 0,5 кг/м2. Отмечается, что, хотя антенны этого типа имеют малый вес, их система развертывания излишне сложна. Кроме того, в не­ которых случаях образовывались складки на пленке. Другая экс­ периментальная пленочная модель диаметром 1,8 м снабжена элементами жесткости из плоских майларовых трубок с листовыми пружинами, обеспечивающими развертывание антенны. Антенна покрыта майларовой пленкой с алюминиевым покрытием.

Кроме складных параболических антенн в США ведутся рабо­ ты по созданию развертывающихся в космосе антенных решеток. Например, развертывающаяся в космосе фазированная антенная решетка синхронного связного ИСЗ предназначена для обеспе­ чения связи одновременно с двумя другими космическими кораб­ лями, летящими по низкой орбите. Исходным требованием при раз­ работке было наличие двух лучей с независимым управлением. Требуемое значение коэффициента усиления составляло 44 дб на частоте 2,28 Ггц. Для выполнения функций передачи и приема был

8,7X 8,7 м. Каждый излучающий элемент соединялся с микровол­ новым модулем на интегральных схемах. Модуль выполнял функ­ ции передачи, приема и управления лучом для обоих каналов. Из коэффициента усиления (44 дб) должны быть исключены потери в фазовращателе. Однако в непосредственной близости от каждого излучающего элемента размещался усилитель с большим коэффи­ циентом усиления, который компенсировал эти потери; при этом лишь незначительно увеличивался коэффициент шума.

Ограничения по весу и габаритам требуют создания планарной фазированной антенной решетки с максимальным коэффициентом использования апертуры. Задачи управления положением спутни­ ка и другие требования, связанные с эксплуатацией спутника, пред­ полагают симметричность фазированной антенной решетки и всего спутника относительно двух перпендикулярных осей в плоскости

310

решетки, пересекающихся в центре апертуры антенны. Были иссле­ дованы антенны различных типов с целью выбора оптимального излучающего элемента фазированной антенной решетки. Был так­ же проведен сравнительный анализ спиральной, ребристо-стержне­ вой, рупорной, вибраторной и щелевой турникетной антенн. В ре­ зультате сделан вывод о предпочтительном использовании спи­ ральной антенны в качестве излучающего элемента фазированной антенной решетки.

Для размещения внутри ракеты «Титан-ЗС» сконструирована ФАР по принципу сложенной спирали.

Таким образом, можно сделать вывод, что работы по созданию развертывающихся антенн для космических аппаратов ведутся за рубежом достаточно интенсивно. Наибольшее внимание уделяется складным параболическим антеннам. Имеются некоторые успехи также и в создании раскрывающихся антенных решеток.

8.4. Микроминиатюризация авиационно-космической аппаратуры

Начало активной деятельности в области микроминиатюриза­ ции радиоэлектронной аппаратуры в США относится к 1958 г. В те годы были разработаны следующие методы микроминиатюриза­ ции: уплотненный монтаж, сварные модули, микромодули, тонко­ пленочные микросхемы, полупроводниковые интегральные схемы различных типов. Позже были внедрены так называемые гибрид­ ные методы.

Миниатюризация авиационно-космической аппаратуры диктует­ ся в первую очередь требованием сокращения весов и объемов. Если, например, в 1942 г. электронное оборудование большого са­ молета насчитывало около 2 тыс. компонентов общим весом 30 кг и объемом 0,04 м3, то в современном самолете дальнего действия электронные системы содержат 150 тыс. компонентов, общий вес которых — в случае использования компонентов образца 1942 г.— составил бы 2500 кг, а объем — 3 м3. Сейчас совершенно опреде­ ленно наметилась тенденция к еще большему усложнению систем и, следовательно, к увеличению их объемов и веса.

Внедрение полупроводниковых приборов было первым важным шагом на пути уменьшения объемов аппаратуры. Логическим про­ должением этого развития явилось освоение интегральных схем (ИС), позволяющих еще более сократить объем и вес. Малые раз­ меры ИС дают возможность широко применять резервирование, что способствует повышению надежности аппаратуры.

Наиболее широко микроэлектронные схемы могут быть приме­ нены в системах управления баллистическими снарядами, в борто­ вых РЛС, а также в системах радиоразведки и радиопротиводей­ ствия.

Обладая рядом неоспоримых достоинств по сравнению с обыч­ ными схемами, микроэлектронные схемы уступают им в радиаци-

' онной стойкости. Однако и этот недостаток устраняется.

Микроэлектронные схемы делят на интегральные и гибридные. Интегральная схема состоит из двух или нескольких нераз­ дельно связанных схемных элементов, размещенных на поверхно­ сти или внутри материала подложки. Подложка может быть пас­ сивной или активной. Пассивная подложка (например, стекло) служит в схеме лишь конструктивным или теплоотводным элемен­ том. Активная подложка (например, кремниевая) в дополнение к функциям пассивной подложки участвует в усилении или переклю­

чении напряжения.

Гибридная схема представляет собой комбинацию двух или трех компонентов:

—ПС на активной подложке;

—ПС на пассивной подложке;

—дискретных компонентов.

Имеется множество разновидностей гибридных схем. Инте­ гральная схема на активной подложке и дискретные компоненты могут быть смонтированы па пассивной подложке, содержащей ре­ зистивные элементы и внутрисхемные соединения. Другим видом

выполнения различных СВЧ элементов, узлов, а также разработки экспериментальной бортовой аппаратуры.

В США рекламируются ферритовые интегральные схемы мик­ роволнового диапазона для твердотельных приемных устройств РЛС и средств радиопротиводействия. В частности, одна из ин­ тегральных схем на кристалле ЖИГ в состоянии работать как ограничитель или фильтр и предназначается для применения в ра­ диоприемных устройствах средств радиоразведки и радиопротиво­

действия.

Разрабатываются также микроволновые ферритовые фазовра­ щатели для будущего поколения самолетных РЛС с фазированной решеткой, а также для приемных и передающих устройств систем радиопротиводействия. В стадии разработки находится ИС на фер­ ритовой подложке, предназначенная для применения в качестве элемента фазированной решетки. Предполагается, что следующим этапом развития будет выращивание полосковых волноводов на керамической или платиновой подложке для фазовращателей. Американские специалисты рассчитывают на то, что новый фазо­ вращатель Х-диапазона сможет пропускать мощность порядка де­

сятков ватт с потерями не более 1 дб.

Существуют два различных подхода к интеграции СВЧ элемен­

нормального функционирования монолитной ИС необходима безотказная работа всех ее элементов. Объединение в монолитной ИС большого количества схемных элементов различного назначения (соединительных цепей, конденсаторов, резисторов, диодов и т. д.)

312

затруднительно, поскольку все элементы изготовляются из одного и того же материала (обычно из кремния).

По этим причинам более широкое распространение получил второй метод — метод гибридных интегральных схем. Согласно этому методу схемные элементы изготовляют отдельно и без кор­ пусов, затем элементы соединяют на миниатюрной схемной плате (сформированной путем осаждения металлических соединительных проводников на керамику, например, окись алюминия, диэлек­ трик). В США опубликованы параметры 2-элементного проходно­

*С остеклованной керамической подложкой, диоды и конденсаторы со стержневыми выводами.

**На подложке из окиси алюминия.

Модульный принцип разработки облегчает создание новой ап­ паратуры, сокращает время и стоимость ее разработки. Примене­ ние модулей особенно целесообразно при использовании фазиро­ ванных антенных решеток. Модульное конструирование позволяет модернизировать аппаратуру путем добавления модулей или их частичной замены по мере технологического и схемного усовершен­ ствования.

313

Рис. 8.13. Структурная схема ВЧ модуля

передачи и приема более 20 дб при вносимых потерях около 1 дб. Излучающий элемент модуля представляет собой полуволновый вибратор.

В процессе приема на вход предварительного усилителя посту­ пает сигнал мощностью 2 мвт и частотой 2,125 Ггц. Усиленный сигнал через схему ВЧ-переключателя поступает на фазовраща­ тель в цепи приема, который аналогичен фазовращателю передат­ чика. С выхода фазовращателя сигнал поступает на четырехкрат­ ный умножитель частоты, отличающийся от умножителя передаю­ щей цепи тем, что в нем используется один параметрический диод.

Рис. 8.14. Упрощенная структурная схема РЛС «MERA»

С выхода умножителя сигнал с частотой 8,5 Ггц подводится к смесителю. На этот же смеситель поступает принятый сигнал с ча­ стотой 9 Ггц. С выхода широкополосного балансного смесителя, выполненного на кремниевых диодах с барьером Шотки, сигнал промежуточной частоты 500 Мгц поступает на предварительный усилитель промежуточной частоты, обеспечивающий усиление 20 дб в полосе до 800 Мгц. Общий шум-фактор смесителя и преду­ силителя составляет приблизительно 10,5 дб. Выходные сигналы предусилителя ПЧ подаются в блок суммирования сигналов от эле­ ментов решетки.

Примером применения модуля является многофункциональный радиолокатор 3-см диапазона, разрабатываемый фирмой «Техас инструменте». На рис. 8.14 приведена упрощенная структурная схема этой РЛС, которая содержит 604 высокочастотных сменных модуля, осуществляющих прием и передачу на частоте 9 Ггц. Активные элементы возбуждаются с помощью распределительного устройства, делящего энергию сигнал-генератора между модуля­ ми. Последний вырабатывает три вида сигналов; в режиме пере­

316

По предварительным оценкам, стоимость одного модуля в се­ рийном производстве будет составлять около 100 долларов. В на­ стоящее время модуль усовершенствуется и его излучаемая мощ­ ность повышается до 10 вт.

8.5. Линии задержки в станциях дезинформирующих радиопомех

Сигналы РЛС могут задерживаться по времени на радиоили видеочастоте. Задержка сигналов на видеочастоте реализуется достаточно просто. Для станций помех задержка сигналов затруд­ няется тем, что при переходе на видеочастоты не сохраняются фа­ зовые соотношения радиочастотного заполнения зондирующих им­ пульсов РЛС. В зависимости от целевого назначения и связанных с ним тактико-технических требований линии задержки (ЛЗ) мож­ но условно классифицировать по следующим признакам:

—по времени запоминания (кратковременное до 1—5 мксек и длительное свыше 10 мксек);

—по рабочей частоте (без преобразования или с преобразова­ нием входного сигнала радиочастоты);

—по полосе пропускания (узкополосные до 1 Мгц и широко­ полосные свыше 1 Мгц);

—по виду задержки (постоянная или переменная);

—по принципу действия.

Любая линия задержки характеризуется:

—временем задержки;

—рабочей частотой;

■— шириной полосы пропускания;

—общим затуханием;

—относительным уровнем ложных сигналов;

—входным и выходным электрическим сопротивлением;

—стабильностью параметров, в частности термоустойчивостью.

Врадиотехнических устройствах в настоящее время наибольшее распространение получили ультразвуковые линии задержки. Выбор

звуковых волн обусловлен тем, что скорость их распространения в жидких и твердых средах в среднем на 4—5 порядков меньше ско­ рости распространения электромагнитных колебаний в вакууме. Следовательно, примерно одинаковое время задержки обеспечи­ вается электрическим кабелем длиной в 1 км или звукопроводом длиной в 1 см.

Втвердых средах могут распространяться как продольные, так

ипоперечные колебания. Последние имеют скорость распростра­ нения на 30—40% меньшую, и их использование в ультразвуковых

линиях задержки на относительно большие времена задержки яв­ ляется более предпочтительным, так как позволяет существенно уменьшить габариты и вес звукопровода. Прямое и обратное элек­ троакустическое преобразование проще реализуется в случае про­ дольных волн, поэтому в линиях задержки на большие времена иногда приходится прибегать к преобразованию продольных волн

319