М.В. Родин1

1 Московский государственный технический университет (национальный исследовательский университет)
им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

1 mvrodin@bmstu.ru

Постановка проблемы. Импульсные радиолокационные системы (РЛС) с активными фазированными антенными решетками (АФАР) по-прежнему остаются важнейшим датчиком оперативной информации о состоянии объектов и событиях в окружающем пространстве в составе комплексов дистанционного мониторинга. Для повышения эффективности их функционирования все чаще разработчиками предусматривается возможность оперативной регулировки мощности зондирующего сигнала, однако это усложняет передающий тракт за счет введения в его состав управляемых источников электропитания (ИЭП) и, как следствие, необходимость обеспечения требуемой скорости регулировки их выходного напряжения.

Цель. Изложить основные сведения о применении управляемых ИЭП в составе передающих трактов РЛС, провести краткий обзор, анализ и систематизацию известных из научно-технической литературы управляемых ИЭП, а также показать пути их дальнейшего развития.

Результаты. Проведен обзор опубликованных в научно-технической литературе материалов, посвященных проектированию управляемых ИЭП для полупроводниковых передающих трактов современных и перспективных импульсных РЛС с АФАР. Проанализированы причины применения управляемых ИЭП, приведены и систематизированы известные технические решения, используемые при их разработке. Особое внимание уделено вопросам дальнейшего развития управляемых ИЭП.

Практическая значимость. Результаты работы полезны для специалистов, разрабатывающих полупроводниковые передающие тракты импульсных РЛС с оперативной регулировкой выходной мощности, в частности, при обосновании выбора структуры и схемы управляемого ИЭП.

1. Bil R., Brandfass M., Pieter van Bezouwen J. Future Technological Challenges for High Performance Radars // 19th International Radar Symposium. 2018. P. 1–10.
2. Lu J. Design Technology of Synthetic Aperture Radar. NY: Wiley-IEEE Press. 2019.
3. Li L., Heymsfield G., McLinden M. et al. Spaceborne Atmospheric Radar Technology Development // IEEE Radar Conference. 2020. P. 1–4.
4. Skolnik M. Radar Handbook. NY: The McGraw-Hill Companies. 2008.
5. Kingsley N., Guerci J. Radar RF Circuit Design. Boston: Artech House. 2016.
6. Brown A. Active Electronically Scanned Arrays: Fundamentals and Applications. NY: Wiley-IEEE Press. 2022.
7. Шишлов А.В., Денисенко В.В., Левитан Б.А., Топчиев С.А., Шитиков А.М. Активные фазированные антенные решетки – состояние и тенденции развития // Журнал радиоэлектроники. 2023. № 1. DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.1.5.
8. Кушнерев Н.А., Родин М.В. Особенности проектирования и тенденции развития систем электропитания АФАР бортовых радиолокаторов // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2019. № 6. С. 68–82.
9. Тушнов П.А., Бердыев В.С., Топчиев С.А. Технология управления выходной мощностью приемопередающих модулей как средство оптимизации энергетических характеристик активных фазированных антенных решеток // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 10. С. 30–41. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202110-04.
10. Fowle E., Carey D., Vander Schuur R., Yost R. A Pulse Compression System Employing a Linear FM Gaussian Signal // Proceedings of the IEEE. 1963. V. 51. № 2. P. 304–312.
11. Müürsepp I., Berdnikova J., Ruuben T., Madar U. Probe Signals with Nonrectangular Envelope // Electronics and Electrical Engineering. 2010. № 5 (101). P. 99–102.
12. Godrich H., Petropulu A., Poor H. Power Allocation Strategies for Target Localization in Distributed Multiple-Radar Architectures // IEEE Transactions on Signal Processing. 2011. V. 59. № 7. P. 3226–3240.
13. Jung-Hyo K., Younis M., Moreira A., Wiesbeck W. A Novel OFDM Chirp Waveform Scheme for Use of Multiple Transmitters in SAR // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2013. V. 10. № 3. P. 568–572.
14. Ayad S., Redadaa S. Gaussian Linear Frequency Modulation Signal SAR Processing // 14th Mediterranean Microwave Symposium. 2014. P. 1–4.
15. Efremov V., Sedletsky R., Vovshin B., Vylegzhanin I. Electromagnetic Compatibility of the Meteo Radars // 16th International Radar Symposium. 2015. P. 1153–1158.
16. Zai A., Pinto M., Coffey M., Popovic Z. Supply-Modulated Radar Transmitters with Amplitude-Modulated Pulses // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2015. V. 63. № 9. P. 2953–2964.
17. Balster E., Hill K., Kordik A., Scarpino F. Chirp Pulse Envelope Evaluation for SAR Image Formation // IEEE 8th Annual Ubiquitous Computing, Electronics and Mobile Communication Conference. 2017. P. 567–570.
18. Maiellaro G., Alessi G., Bruno A. et al. A 24-GHz Transceiver with RF Power Envelope Digital Control for Automotive Radar ICs // Proceedings of the 12th European Microwave Integrated Circuits Conference. 2017. P. 45–48.
19. Temiz M., Alsusa E., Baidas M. A Dual-Functional Massive MIMO OFDM Communication and Radar Transmitter Architecture // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2020. V. 69. № 12. P. 14974–14988.
20. Raab F. GaN-FET Class-E Amplifier for 60-MHz Radar // 50th European Microwave Conference. 2020. P. 1099–1102.
21. Carotenuto V., Aubry A., Izzo A. et al. Power Amplifier Distortions on Radar Signals for Spectral Coexistence // Signal Processing Symposium. 2021. P. 35–39.
22. Omar S., Kteish Z., Fadel H. Towards an OFDM Radar Waveform for Detection of Far Located Targets with Relatively Low Radar Cross Sections // Digital Signal Processing. 2021. V. 114. P. 1–13.
23. Barradas F., Nunes L., Cabral P., Goncalves C., Pedro J. Dynamic Supply Voltage Control for PA Output Power Correction Under Variable Loading Scenarios // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2021. V. 69. № 1. P. 745–755.
24. Shao K., Wang C., Xiao H. Structure Design of a Array Power Supply for Phased-Array Radar // Mach. Electron. 2015. № 4. P. 18–22.
25. Сушкова Н.С. Построение системы электропитания для современных и перспективных многоэлементных АФАР // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2015. № 4. С. 39–43.
26. Негреба О. Некоторые аспекты организации систем электропитания АФАР. Часть 1 // Силовая электроника. 2018. № 5. С. 72–74.
27. Ding K., Wu F., Li S., Li B., He Y., Zhang Y. Design and Research on a Power Distribution System for Airborne Radar // The Journal of Engineering. 2019. № 16. P. 1528–1531.
28. Zhang Y., Xu S., Chen Z., Li X., Dong B., Luo Q., Li B., He Y. Realization of DC/DC High Power and Large Current Combined Power Supply for Airborne Radar // The Journal of Engineering. 2019. V. 2019. № 16. P. 1930–1933.
29. Заика П.Н., Костиков В.Г. Особенности электроснабжения и электропитания передвижных радиолокационных станций // Электрическое питание. 2020. № 1. С. 10–17.
30. Wang Y., Bao X., Liu Y., Li L., Liu H. A Power Supply System for TR Modules of Active Phased Array Radar // Open Journal of Circuits and Systems. 2020. V. 9. № 2. P. 28–34.
31. Xia J., Wang Y., Zhang X., Cheng T., Chen Z., Zhang Y. Engineering Application of a Large Airborne Radar Power Supply System with 100 kW // IEEE 9th International Power Electronics and Motion Control Conference. 2020. P. 2331–2335.
32. Yao Y., Kulothungan G., Krishnamoorthy H., Das A., Soni H. GaN-Based Two-Stage Converter With High Power Density and Fast Response for Pulsed Load Applications // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2022. V. 69. № 10. P. 10035–10044.
33. Kumar M., Rayees K., Singh B., Chippalkatti V. Design and Implementation of High Power Pulsed Output DC–DC Converter // Smart Small Satellites: Design, Modelling and Development. Lecture Notes in Electrical Engineering. 2023. V. 963. P. 85–97.
34. Родин М.В. Модуляционные источники электропитания для радиопередатчиков телекоммуникационных систем // Практическая силовая электроника. 2022. № 4 (8). С. 2–18.
35. Raab F., Poppe M. Kahn–Technique Transmitter for L–Band Communication/Radar // IEEE Radio and Wireless Symposium. 2010. P. 100–103.
36. Wolff N., Heinrich W., Bengtsson O. Class–G Supply Modulation for MIMO and Radar with Phased Array Antennas // 12th German Microwave Conference. 2019. P. 131–134.
37. Wong K., Ricciardi G. Characterization of Amplitude Modulation Bias Coupling for Solid–State High–Power Amplifiers // IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 2013. P. 64–68.
38. Eustice D., Baylis C., Cohen L., Marks R. Effects of Power Amplifier Nonlinearities on the Radar Ambiguity Function // IEEE Radar Conference. 2015. P. 1725–1729.
39. Aubry A., Maio A., Carotenuto V., Farina A. Radar Phase Noise Modeling and Effects – part I: MTI filters // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2016. V. 52. № 2. P. 698–711.
40. Tua C., Pratt T., Zaghloul A. A Study of Interpulse Instability in Gallium Nitride Power Amplifiers in Multifunction Radars // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016. V. 64. № 11. P. 3732–3747.
41. Barradas F., Cunha T., Tome P., Pedro J. Compensation of Power Amplifier Long–Term Memory Behavior for Pulsed Radar Applications // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2019. V. 67. № 12. P. 5249–5256.
42. Bent G., Hek P., Geurts S., Telli A., Brouzes H., Besselink M., Vlient F. A 10 Watt S–band MMIC Power Amplifier With Integrated 100 MHz Switch–Mode Power Supply and Control Circuitry for Active Electronically Scanned Arrays // IEEE Journal of Solid–state Circuits. 2013. V. 48. № 10. P. 2285–2295.
43. McGee B., Nelms R. Powering Solid State Radar T/R Module Arrays from a Fuel Cell Using an Isolated Cúk Converter // 19 Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. 2004. P. 1853–1857.
44. Кушнерев Н.А. Устройство электропитания импульсного твердотельного передатчика с высокими удельными показателями // Радиотехника. 2009. № 5. С. 75–78.
45. Королев А.В., Кушнерев Н.А., Костючик Д.А., Родин М.В. Опыт разработки мощного передающего модуля АФАР P–диапазона с динамическим управлением напряжением питания для БРЛС // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. № 5. С. 43–49.
46. Huang X., Ruan X., Du F., Liu F., Zhang L. A Pulsed Power Supply Adopting Active Capacitor Converter for Low–Voltage and Low–Frequency Pulsed Loads // IEEE Transactions on Power Electronics. 2018. V. 33. № 11. P. 9219–9230.
47. Yao Y., Krishnamoorthy H., Yerra S. Linear Assisted DC/DC Converter for Pulsed Mode Power Applications // IEEE International Conference on Power Electronics, Smart Grid and Renewable Energy. 2020. P. 1–5.
48. Strelkov V., Darenkov A., Sosnina E., Shalukho A., Lipuzhin I. Quasi Resonant Converter for Autonomous Power Supply // Journal of Power Electronics. 2021. V. 21. P. 517–528.
49. Дмитриков В., Розанов А., Петроченко А. Особенности проектирования отрицательной обратной связи и силового сглаживающего фильтра DC/DC преобразователя с импульсными нагрузками для приемопередающих модулей активных фазированных антенных решеток РЛС // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2021. Т. 24. № 1. C. 78–88. DOI: https://doi.org/10.18469/1810–3189.2021.24.1.78–88
50. Gao X., Wu H., Gao S., Zhang Z., Xing Y. A Two–Stage Pulsed Power Supply for Low–DC–Voltage and Low–Frequency Pulsed–Current Loads // IEEE Transactions on Power Electronics. 2021. V. 36. № 2. P. 2298–2309.
51. Опре В. Индуктивный заряд емкостных накопителей // Силовая электроника. 2008. № 4. С. 42–46.
52. Кастров М.Ю., Соловьев И.Н. Регулирование выходного напряжения преобразователей постоянного напряжения цифровыми методами // Практическая силовая электроника. 2009. № 1(33). C. 31–36.
53. Поляков В. Квазирезонансные преобразователи с дозированной передачей энергии для заряда емкостных накопителей // Силовая электроника. 2015. № 1. С. 52–56.
54. Ao W., Chen J. Model Predictive Control of Four–Switch Buck–Boost Converter for Pulse Power Loads // IEEE International Conference on Predictive Control of Electrical Drives and Power Electronics. 2021. P. 904–908.
55. Королев А.В., Кушнерев Н.А., Родин М.В., Бобков Е.А. Импульсный модулятор с динамическим управлением формой выходного напряжения для радиолокационного передающего устройства // Практическая силовая электроника. 2017. № 4. С. 27–33.
56. Jain A., McIntosh D., Jones M., Ratliff B. A 2.5kV to 22V, 1kW Radar Decoy Power Supply Using Silicon Carbide Semiconductor Devices // Proceedings of the 14th European Conference on Power Electronics and Applications. 2011. P. 1–10.
57. Roberg M., Rodriguez M., Popovic Z., Pack R., Fernandez P., Alarcon E., Maksimovic D. Resonant Pulse–Shaping Power Supply for Radar Transmitters // IEEE Transactions of Power Electronics. 2014. V. 29. № 2. P. 707–718.
58. Florian C., Capello T., Popovic Z., Niessen D., Paganelli R., Schafer S. Efficient Programmable Pulse Shaping for X–band GaN MMIC Radar Power Amplifiers // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2017. V. 65. № 3. P. 881–891.
59. Кушнерев Н.А., Родин М.В. Импульсный регулятор напряжения для оконечного усилителя мощности передающего модуля активной фазированной антенной решетки // Практическая силовая электроника. 2021. № 1 (81). С. 37–42.