В.В. Задорожный1, А.Ю. Ларин2, А.В. Литвинов3, А.С. Митькин4

1–4 ФГУП «РНИИРС» (г. Ростов-на-Дону, Россия)

1 vladimir@resonance.ru

Постановка проблемы. Развитие современных радиоэлектронных систем приводит к возрастанию требований к параметрам антенных устройств (АУ) и обусловливает переход от ранее широко используемых зеркальных антенн и пассивных фазированных антенных решеток (ФАР) к активным ФАР (АФАР), существенным преимуществом которых является значительное сокращение потерь энергии передаваемых и принимаемых сигналов за счет максимального приближения входа малошумящего усилителя (МШУ) и выхода усилителя мощности (УМ) к антенному элементу. Дальнейшее развитие АУ – переход от АФАР с аналоговым диаграммообразованием (ДО) к цифровым антенным решеткам (ЦАР) с цифровым ДО, преимущества которых основаны на возможности формирования многолучевой приемной и передающей диаграмм направленности (ДН) с независимым управлением направления и формы лучей, а также возможностью гибкого изменение режимов работы. Недостатками ЦАР является высокая стоимость и повышенное энергопотребление, обусловленные установкой активных элементов в каждый приемопередающий канал, а также длительные сроки создания новых изделий, связанные с большим объемом программного обеспечения (ПО) и сложной структурой построения ЦАР. Для преодоления этих недостатков производители радиоэлектронных комплексов, содержащих антенные решетки, и разработчики элементной базы создают новые технические решения.

Цель. Создание перспективных изделий на основе анализа основных направлений совершенствования ЦАР и элементной базы для их построения.

Результаты. Показаны основные направления развития технологий производства функциональных устройств ЦАР, обеспечивающие снижение стоимости, энергопотребления и сокращение сроков создания новых изделий: разработка унифицированных модулей, позволяющих создавать масштабируемые по размерам ЦАР, увеличение интеграции СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) с размещением на одном кристалле максимального числа приемопередающих каналов, увеличение интеграции специализированных цифро-аналоговых МИС, включающих аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и устройства цифровой обработки сигналов, повышение тактовых частот цифровых узлов, разработка схемных решений построения узлов с малым энергопотреблением, а также создание широкополосных излучающих систем.

Практическая значимость. Применение ЦАР с двумерным электронным сканированием обеспечивает значительное повышение эффективности работы радиоэлектронных систем. Так, их применение в радиолокационных системах (РЛС) обеспечивает выигрыш в эффективности использования временного, энергетического, частотного и пространственного ресурсов РЛС с ЦАР до 13 раз, по сравнению с РЛС с пассивными ФАР или АФАР с одномерным сканированием.

Задорожный В.В., Ларин А.Ю., Литвинов А.В., Митькин А.С. Основные направления совершенствования цифровых антенных решеток // Успехи современной радиоэлектроники. 2024. T. 78. № 6. С. 62–78. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202406-07

1. Задорожный В.В., Ларин А.Ю., Оводов О.В., Христианов В.Д. Оптимизация приемных цифровых антенных решеток // Антенны. 2012. № 9. С. 24–31.
2. Задорожный В.В. Обобщенный показатель эффективности использования антенной системы в составе РЛС // Антенны. 2023. № 4. С. 21–31.
3. Кольцов Ю.В. Антенные решетки в эпоху 5G. Часть 1 // Антенны. 2022. № 5. С. 5–29.
4. Кольцов Ю.В. Антенные решетки в эпоху 5G. Часть 2. Перспективные разработки // Антенны. 2022. № 6. С. 5–34.
5. Гуськов Ю.Н., Жибуртович Н.Ю. Основные направления конструирования бортовых радиолокационных систем и выбор элементной базы // Радиотехника. 2023. № 5. С. 93–101.
6. DARPA Transitions next-generation phased array system to support future defense R&D // Microwave Journal. 2021. Sept. 1.
7. McMahon B., Lapierre R., MacCabe A., Campbell N., et al. ORCHESTRA: Optimizable RF converged hardware expression of a scalable transmit/receive architecture // IEEE Int. Symp. PAST. 8–13 July 2018. P. 2139–2140.
8. Hancock T. Millimeter Wave Digital Arrays (MIDAS) // 5th NSF mmW RCN Workshop. January 29. 2019.
9. Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю., Синявский Г.П. Применение высокоимпедансных поверхностей для создания низкопрофильных антенн // Антенны. 2024. № 1. С. 6–25.
10. Касьянов А.О., Обуховец В.А. Разработка микрополосковых отражательных антенных решеток для фокусировки и поляризационной фильтрации на СВЧ // Антенны. 2024. № 1. С. 33–39.
11. Ларин А.Ю., Литвинов А.В., Мищенко С.Е., Помысов А.С., Шацкий В.В. Метод компенсации помех в плоской антенной решетке // Сб. трудов XII междунар. научно-технич. конф. «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж. 2013. Том 3. С. 1731–1740.
12. Баранов И.В., Задорожный В.В., Ларин А.Ю. Построение многоэлементной адаптивной цифровой антенной решетки // Сб. трудов XXII междунар. научно-техн. конф. Воронеж, 2016. Т. 2. С. 881–888.
13. Задорожный В.В., Ларин А.Ю., Литвинов А.В., Помысов А.С. Метод обужения диаграммы направленности цифровой антенной решетки // Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 8. С. 94–100.
14. Патент России 2595447. Способ углового сверхразрешения в приемных цифровых антенных решетках / Задорожный В.В., Винник Л.В., Ларин А.Ю., Мищенко С.Е. 2020. Бюл. № 4.
15. Шацкий Н.В., Мищенко С.Е. Амплитудно-фазовый синтез цифровой антенной решетки с учетом флуктуаций амплитудного распределения и отказов отдельных элементов // Антенны. 2014. № 6. С. 15–19.
16. Patent US 8810448. G01S 7/03. Modular architecture for scalable phased array radars / Ellsworth J.R., Martinez M.P., et al. Aug. 19. 2014.
17. Shahramian S., Holyoak M., Singh A., et al. A fully integrated scalable W-Band phased-array module with integrated antennas, self-alignment and self-test // IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. 11–15 Feb. 2018. P. 74–76.
18. Chaloun T., Boccia L., Arnieri E., Fischer M., et al. Electronically steerable antennas for future heterogeneous communication networks: review and perspectives // IEEE J. Of Microwaves. Oct. 2022. V. 2. P. 545–581.
19. Kodak U., Rupakula B., Zihir S., Rebeiz G.N. А 62 GHz Tx/Rx 2×128 Element dual-polarized dual-beam wafer-scale phased-array transceiver with minimal reticle-to-reticle stitching // IEEE Radio Freq. Integr. Circuits Symp. 2–4 June 2019. P. 335–338.
20. Valdes-Garcia A., Sadhu B., Gu X., Reynolds S., et al. Circuit and antenna-in-package innovations for scaled mm wave 5G phased array modules // IEEE Custom Integrated Circuits Conf. 8–11 Apr. 2018. P. 1–8.
21. Kushner L.J., Sliech K.W., Flewelling G.M. et al. The MATRICs RF-FPGA in 180nm SiGe-on-SOI BiCMOS // IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symp. 17–19 May 2015. P. 283–286.
22. Qorvo. QPF0219 – Data Sheet.
23. Sikri D., Jayasuriya R.M. Multi-beam phased array with full digital beamforming // Microwave Journal. 2019. Digital edition.
    April 11.
24. Analog Devices. ADMVМ8818 – Data sheet.
25. Wagner E., LaRocca T., Verderber M., Rezende C. A 31-tap reconfigurable analog fir filter using heterogeneously integrated polystrata delay-lines // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. V. 32. No. 6. June 2022. P. 648–651.
26. Hari S., Ellington C.J., Floyd D.F. A reflection-mode n-path filter tunable from 6 to 31 GHz // IEEE Journal of Solid-state Circuits. July 2023. V. 58. No. 7. P. 1973–1985.
27. Друзин С.В., Горевич Б.Н. Методика формирования облика радиолокационных станций перспективной системы вооружения войсковой ПВО // Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей». 2020. № 2. С. 6–31.
28. Qorvo. QPA0007 – Data Sheet.
29. Задорожный В.В. Способ построения масштабируемой системы цифрового диаграммообразования для цифровых антенных решеток // T-comm: Телекоммуникации и Транспорт. 2023. Вып. 12. С. 22–28.
30. Bailleul P.K. A new era in elemental digital beamforming for spaceborne communications phased arrays // Proceedings of the IEEE. V. 104. No. 3. March. 2016. P. 623–632.
31. Analog Devices. AD9088 – Data sheet.
32. AMD. ZU49DR – Data sheet.
33. Satixfy Prime Digital Beam Former ASIC – Data sheet.
34. McSpadden J., Kushner L.J., Milne J. et al. MIDAS wideband mmw digital tile // IEEE Int. Symp. PAST. 11–14 Oct. 2022. P. 1–6.
35. Пономарев Л.Н., Степаненко В.И. Сканирующие многочастотные совмещенные антенные решетки. М.: Радиотехника. 2009. 329 с.
36. Kindt R., Pickles W. Ultrawideband all-metal flared-notch array radiator // IEEE Trans. AP. Nov. 2010. No. 11. Р. 3568–3575.
37. Chang J., Walsh R., Afiouni F. et al. Millimeter wave digital arrays (MIDAS) TA2: millimeter-wave scalable unconstrained broadband arrays (MMW SCUBA) // IEEE Int. Symp. on Phased Array Systems & Technology (PAST). 11–14 Oct. 2022. P. 1–4.
38. Cooley M., Essman S., Quade S., Geibel S., et al. Planar-fed folded notch (PFFN) arrays: A novel wideband technology for multi-function active electronically scanning arrays (AESAs) // IEEE Int. Symp. Phased Array Systems. 18–21 Oct. 2016. P. 1–6.
39. Патент России № 2730111. Способ построения широкополосной антенной решетки / Задорожный В.В., Ларин А.Ю., Чиков Н.И. и др. 2020. Бюл. № 23.
40. Logan J.T., Kindt R.W., Lee M.Y., Vouvakis M.N. A New Class of Planar Ultrawideband Modular Antenna Arrays With Improved Bandwidth // IEEE Trans. on AP. V. 66. No. 2. Feb. 2018. P. 692–701.
41. Шумов А. В., Нефедов С. И., Бикметов А. Р. Концепция построения радиолокационной станции на основе элементов радиофотоники // Электрон. журн. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. № 5. С. 41–65.
42. Задорожный В.В., Ларин А.Ю., Трекин А.С. Построение распределительной системы многоэлементных АФАР на основе аналоговых волоконно-оптических линий связи // Радиотехника. 2014. № 8. С. 106–109.
43. Oewaves. Advanced opto-electronic oscillator. Ultra-Low Phase Noise Microwave Signal Source Module. – Data Sheet.
44. Reza M., Serafino G., Otto T., et al. Design and performance estimation of a photonic integrated beamforming receiver for scan-on-receive synthetic aperture radar // Journal of lightwave technology. V. 39. No. 24. December 15. 2021. P. 7588–7599
45. Chatterjee M., Palla C., Fiamanya E., Legate S., et al. Design and development of PhLEXSAT – a flexible photo-digital communication payload for very high throughput satellites // Proc. SPIE Int. Conf. on Space Optics – ICSO. Oct. 2022. P. 1–11.
46. Ghelfi1 P., Laghezza1 F., Scotti1 F., et al. A fully photonics-based coherent radar system // Nature. 2016. March. P. 341–345.
47. Зайцев Д.Ф. и др. Первая радиофотонная фазированная антенная решетка // Радиотехника. 2021. № 4. С. 153–164.