Система электропитания активных фазированных антенных решеток
Н.А. Кушнерёв, М.А. Шумов
В настоящее время значительно возрос интерес разработчиков радиолокационных станций к радиолокационным комплексам на основе активных фазированных антенных решеток, обладающих существенными преимуществами по сравнению с пассивными решетками [1]. Повышение интереса к таким системам связано в первую очередь с развитием твердотельной СВЧ-техники и появлением малогабаритных приемопередающих модулей (ППМ), размещаемых непосредственно на полотне антенны. Электропитание таких модулей может быть осуществлено различными способами, имеющими для конкретных систем питания могут иметь различную значимость, условиями которых в общем случае являются следующие требования:
• минимальная масса системы электропитания (особенно ее части, размещаемой на полотне антенны);
• максимальная надежность системы;
• максимальный КПД системы электропитания.
Система АФАР питается от импульсных источников питания, которые имеют высокий КПД, мало зависящий от мощности источника питания и структуры построения системы питания. Поэтому в дальнейшем критерий КПД мы рассматривать не будем.
Требования по надежности, предъявляемые к системе электропитания АФАР, обычно заданы на этапе проектирования и определяются ресурсом работы станции. Повышать надежность системы питания сверх заданной не имеет практического смысла.
Таким образом, наиболее эффективной будет такая система электропитания, которая имеет минимальную массу при заданной надежности. Этот критерий будем использовать в дальнейшем при сравнении различных систем электропитания.
Построение наиболее эффективной системы электропитания заключается в выборе типа, числа, места расположения вторичных источников питания и способа их соединения. При этом необходимо учитывать следующее обстоятельство.
Как правило, корпуса питаемых устройств бывают соединены с корпусом носителя. Поэтому при любом построении системы электропитания необходимо обеспечить гальваническую развязку между выходными клеммами вторичных источников питания и бортсетью носителя. Кроме того, ППМ, как правило, имеют импульсный характер тока потребления, что требует включения в систему электропитания накопителей энергии.
Система электропитания антенного полотна АФАР вносит значительно больший вклад в массогабаритные параметры станции и, кроме того, имеет значительно более сложную структуру, чем система питания остальных частей станции. В связи с этим далее будет рассматриваться только система питания антенного полотна АФАР.
Приемопередающие модули АФАР в зависимости от диапазона рабочих частот и выходной мощности передатчика требуют обычно одно напряжение от 10 до 50 В по основному (наиболее мощному) каналу. Кроме этого, для работы ППМ обычно требуется два или более вспомогательных напряжений с существенно меньшими мощностями по сравнению с основным каналом.
Масса и габариты импульсных источников питания существенно зависят от наличия гальванической развязки выходных напряжений от питающей сети, поэтому в дальнейшем будем различать два типа импульсных источников.
Стабилизированный преобразователь напряжения (СПН) — это импульсный вторичный источник питания, у которого входные и выходные цепи гальванически развязаны. Импульсный стабилизатор напряжения (ИСН) — это импульсный вторичный источник питания, у которого входные и выходные цепи имеют общий вывод.
Известно, что любая система электропитания может быть построена по трем основным схемам [2, 3, 5]:
• полностью централизованная система, когда потребители запитываются от одного или нескольких мощных источников питания;
• полностью децентрализованная система, когда каждый потребитель имеет свой источник питания;
• частично централизованная система, когда имеются как мощные источники питания, так и источники, питающие отдельных потребителей.
Выбор той или иной из вышеприведенных схем построения системы электропитания зависит от следующих основных факторов:
• типа носителя (комплекс космического базирования или самолетного базирования);
• формы и геометрических размеров антенного полотна;
• числа и принципа расположения приемопередающих модулей на полотне АФАР;
• номиналов питающих напряжений и токов потребления ППМ;
• напряжения и рода тока первичной питающей сети.
Поэтому выбор эффективной системы электропитания для всех вариантов АФАР, в общем виде, представляет собой практически неразрешимую задачу.
Рассмотрим систему электропитания АФАР X-диапазона космического РСА с конкретными параметрами (числа элементов, токи потребления, напряжение питающей сети). Система электропитания данной АФАР должна обеспечивать питание полотна антенной решетки и распределительной системы. АФАР питается от бортсети постоянного тока с напряжением 28 В.
Требования к источникам питания антенной решетки следующие:
• излучающее полотно антенной решетки состоит из 504 приемопередающих модулей, которые сгруппированы в 18 столбцов по 28 штук ППМ в столбце. Кроме того, 10 ППМ находятся в распределительной системе;
• для питания ППМ требуются три напряжения, основным из которых является напряжение +10 В со следующими характеристиками: нестабильность не более ±4% при всех условиях эксплуатации, точность установки не более 1%, пульсацией на частоте преобразования ( эффективное значение) не более 0,1%;
• ток нагрузки имеет импульсный характер;
• амплитуда тока в импульсе Iм=7А;
• максимальная длительность импульса tИ = 40·10-6с;
• скол выходного напряжения к концу импульса - не более 1 %;
• средний ток потребления IСР = 0,28А.
Кроме того, для питания ППМ требуются два дополнительных напряжения +5 и -5 В со следующими характеристиками:
• максимальный ток нагрузки по каналу +5В — I1= 0,2А;
максимальный ток нагрузки по каналу –5В — I2 = 0,08А;
требования по нестабильности и пульсации выходного напряжения в обоих каналах аналогичны требованиям по основному каналу +10 В.
Нагрузка по каналу питания +10 В является импульсной. Для нормальной работы вторичного источника питания и уменьшения пульсаций тока потребления от сети на входе каждого ППМ должен быть установлен индуктивно-емкостный накопитель энергии.
Накопитель энергии должен быть установлен рядом с каждым ППМ при любом построении системы электропитания, поэтому при сравнительных оценках систем питания полотна антенной решетки будем считать, что он не входит в систему электропитания и является принадлежностью ППМ.
Оценка надежности решетки АФАР представляет собой сложную комплексную задачу. Выход из строя одного ППМ на антенной решетке не приводит к выходу из строя всей АФАР. Поэтому для оценки надежности АФАР необходимо определить допустимое число неисправных ППМ и места их возможного расположения на решетке.
При децентрализованной и частично централизованной системах питания часть источников питания работают только на один ППМ. Кроме того, каждый ППМ имеет свой накопитель. В этом случае с точки зрения надежности ППМ, питающие его источники и накопитель представляют собой один объект, интенсивность отказов которого равна сумме интенсивностей отказов ППМ, источников питания и накопителя.
В данной статье не проводится оценка надежности всей АФАР, поэтому при сравнении различных схем построения системы питания полотна антенной решетки будем оценивать надежность только централизованной части системы питания, выход из строя которой приводит к выходу из строя всей АФАР.
При оценке надежности систем питания прием следующие исходные данные:
• суммарное время работы под током (во включенном состоянии) — tР = 3000 ч;
• суммарное время ожидания (в выключенном состоянии) — tХР = 40000 ч;
• вероятность безотказной работы централизованной части системы питания должна быть не менее 0,99;