Система электропитания активных фазированных антенных решеток

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 I_м=7А;

• максимальная длительность импульса t_И = 40·10^-6с;

• скол выходного напряжения к концу импульса - не более 1 %;

• средний ток потребления I_СР = 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) — t_Р = 3000 ч;

• суммарное время ожидания (в выключенном состоянии) — t_ХР = 40000 ч;

• вероятность безотказной работы централизованной части системы питания должна быть не менее 0,99;

• не будем учитывать надежность шин питания, соединительных проводов, контактов, разъемов и т.д.

Примем следующие обозначения: п — число столбцов полотна антенной решетки (n=18); т — число ППМ в одном столбце (при расчетах примем m=29, т.е. 28 ППМ на полотне решетки и 1 ППМ из распределительной системы); N — общее число ППМ антенной решетки и распределительной системы (N=514).

Выбор источников питания довольно сильно ограничен в связи с жесткими условиями эксплуатации и требованиями по надежности.

В качестве прототипа для дальнейших расчетов будем использовать серию модулей питания СПН, выпускаемых предприятием ЗАО «Электронинвест». Эти модули питания представляют собой одноканальные стабилизированные преобразователи постоянного напряжения с диапазоном входных напряжений от 18 до 40 В. Модули имеют встроенные защиту от коротких замыканий и перегрузок в цепях нагрузки и возможность дистанционного включения/выключения. Входные и выходные цепи модулей гальванически развязаны между собой и изолированы от корпуса. Модули имеют герметичный прямоугольный металлический корпус, нижняя поверхность которого является теплоотводящей.

Модули имеют следующие данные по надежности:

• интенсивность отказов во включенном состоянии при работе в номинальном режиме при температуре корпуса 85°C-λ_Р = 1·10^–6 1/ч;

• интенсивность отказов во включенном состоянии при работе в облегченном режиме с коэффициентом нагрузки 0,8 и при температуре корпуса не более 70°C-λ_Р = 0,68·10^–6 1/ч;

• интенсивность отказов в режиме хранения, в том числе и вмонтированных в аппаратуру модулей в выключенном состоянии λ_ХР=11,6·10^–8 1/ч;

Оценим централизованную систему (ЦС) электропитания АФАР по критериям приведенным выше.

Для построения полностью централизованной системы электропитания необходимо три мощных источника питания, которые будут обеспечивать питание всех ППМ АФАР и распределительной системы. Мощности таких источников питания составят по каналу +10 В — 1462 Вт, по каналу +5 В — 522 Вт, по каналу -5 В — 209 Вт.

Более мощные источники питания имеют, как правило, несколько лучшие массогабаритные показатели, однако построение полностью централизованной системы питания АФАР ограничивается следующим обстоятельством:

• при довольно низком напряжении питания основного канала ППМ (+10 В) и значительных геометрических размерах полотна АФАР невозможно обеспечить требуемого значения нестабильности питающих напряжений ППМ из-за падения напряжения на проводах.

Рассмотрим вариант централизованной системы электропитания, в котором каждый столбец решетки питается от трех мощных модулей СПН.

Потребление по каждому СПН определяем из исходных данных, приведенных выше.

Потребление по каналу +10 В:

I₊₁₀=I_СРn=0,28·29 = 8,12А; Р₊₁₀ =10·8,12=81,2 Вт.

Потребление по каналу +5 В:

I₊₅=I₁n=0,2·29 = 5,8А; Р₊₅ =5·5,8=29 Вт.

Потребление по каналу –5 В:

I_-5=I₂n=0,08·29 = 2,32А; Р_-5 =5·2,32=11,6 Вт.

Таблица 1. Типономиналы модулей ЗАО «Электронинвест»

Для такой системы можно выбрать серийные источники типа СПН, выпускаемые предприятием «Электронинвест»:

• для канала +10 В — СПН100 10- В-1 КЦАЯ.436434.001 ТУ;

• для канала +5 В — СПН50 05-В-1 КЦАЯ.436434.001 ТУ;

• для канала -5 В — СПН 15 05- В-1 КЦАЯ.436434.001 ТУ.

С учетом данных, приведенных в табл. 1, общая масса всех источников составит 10,4 кг без учета массы накопителей энергии, установленных в ППМ. Структурная схема такой системы электропитания приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема централизованной системы питания полотна антенной решетки и распределительной системы

Оценим надежность системы. Вероятность безотказной работы одного источника типа СПН:

p = e^–λ_Рt_Рe^{–λ_ХРt_ХР} = e^{-1·10-6·3000}e^{-11,6·10-8·40000} = 0,992

В данной системе отказ наступает при выходе из строя любого из источников. Общее число источников k=3×n=54. Вероятность безотказной работы централизованной системы питания

P_ЦС =p^k=0,992⁵⁴ =0,648.

Полученное значение вероятности безотказной работы системы питания является крайне низким. Резервирование источников питания в данной системе практически не представляется возможным по следующим причинам.

При резервировании здесь требуется коммутировать выходные цепи источников питания. Производить данную коммутацию с помощью электромеханического реле невозможно из-за низкой надежности таких реле Применение развязывающих диодов также невозможно, поскольку при низких выходных напряжениях, имеющих место в данном случае, нельзя обеспечить требуемые значения величины и нестабильности выходных напряжений источников питания.

Рис. 2. Схема децентрализованной системы питания полота антенной решетки и распределительной системы

Для сравнения параметров этой схемы электропитания с другими вариантами примем надежность узла коммутации (УК) равной единице. Тогда надежность централизованной системы электропитания с резервированием будет P_ЦСрез= 0,996.

Приняв массу узла коммутации равной 0,15 кг, получим массу такой системы, равной 28,9 кг.

Оценим децентрализованную систему (ДС) электропитания. При таком построении системы электропитание каждого ППМ осуществляется от своих маломощных источников питания, которые в свою очередь питаются непосредственно от бортсети. В данной системе отсутствует централизованная часть системы питания, соответственно ее надежность при сравнительном анализе равна единице.

Исходя из требований к питающим напряжениям ППМ, в качестве источников питания здесь можно использовать три преобразователя СПН:

• для канала +10 В — СПН 03 10- В-1 КЦАЯ.436434.001 ТУ;

• для канала +5 В — СПН 03 05- В-1 КЦАЯ.436434.001 ТУ;

• для канала -5 В — СПН 03 05- В-1 КЦАЯ.436434.001 ТУ.

Суммарная масса источников питания в этом случае будет

M = N×3x0,042 = 64,76 кг.

Структурная схема такой системы электропитания приведена на рис. 2.

Таким образом масса системы питания при децентрализованной схеме составит 64,8 кг без учета массы накопителей энергии, установленных в ППМ.

Рассмотрим систему электропитания с частичной централизацией (ЧЦ). При таком построении системы питание ППМ можно осуществить несколькими способами.

Рассмотрим вариант (первый способ), когда дополнительные напряжения +5 и -5 В формируются от источников, питающихся от цепи основного канала +10 В. При таком построении в источниках +5 и -5 В не требуется гальванической развязки входных и выходных цепей и они могут быть выполнены на основе импульсных стабилизаторов, имеющих существенно меньшую массу и больший КПД по сравнению с СПН, так как их схема управления более простая и в них отсутствует трансформатор. Предварительные расчеты показали, что плата ИСН с двумя выходными напряжениями +5 и -5 В при ее размещении внутри ППМ будет иметь массу 0,025 кг и габаритные размеры 50×35×10 мм. КПД такого ИСН составит не менее 80%. Тепловыделение этой платы не будет превышать 0,35 Вт. В этом случае ППМ питается только от напряжения +10 В с током потребления I₊₁₀ = 0,28+0,175 = 0,455 А и потребляемой мощностью 4,55 Вт.

При втором способе построения схемы с частичной централизацией при котором вспомогательные напряжения +5 и –5 В для каждого ППМ вырабатываются импульсным стабилизатором напряжения, расположенным в корпусе ППМ, а напряжение +10 В осуществляется мощным СПН, обеспечивающим питание всего столбца. Из расчетов, проведенных выше имеем мощность, потребляемую одним ППМ, равную 4,55 Вт. Тогда мощность СПН составит 4,55×29= 132 Вт.

Серийно СПН на данную мощность не выпускаются, поэтому такой источник должен специально разрабатываться.

Сначала оценим надежность системы без резервирования. Примем вероятность безотказной работы данного СПН по аналогии с серийными СПН равной 0,992. Вероятность безотказной работы системы в этом случае будет

P_ЧЦ = pⁿ =0,992¹⁸ =0,865.

Для повышения надежности применим пассивное резервирование, которое возможно, если включить все восемнадцать СПН, питающих столбцы ППМ параллельно по выходу. В этом случае в схему управления каждого СПН должно быть включено специальное устройство выравнивания токов (УВТ), обеспечивающее равномерное распределение тока нагрузки между параллельно работающими СПН [4]. При таком резервировании при выходе из строя одного или нескольких источников нагрузка перераспределяется между оставшимися исправными источниками. Очевидно, что в данном случае СПН должны иметь определенный запас по мощности, который зависит от допустимого числа неисправных источников.

Вероятность безотказной работы системы при пассивном резервировании определяется выражением

где п — число параллельно включенных источников (число столбцов); l — число источников, при которых система сохраняет работоспособность.

Таблица 2. Значения вероятности безотказной работы системы и требуемой мощности СПН для различных значений числа l

Из табл. 2 видно, что уже при l=17 (допускается выход из строя одного СПН) надежность системы соответствует заданному значению. Мощность СПН при этом составляет 140 Вт. Учитывая возможную неравномерность в распределении токов между СПН принимаем требуемую мощность каждого СПН равной 150 Вт. Масса такого источника составит 0,42 кг.

Оценим массу источников системы с учетом ИСН, расположенных внутри каждого ППМ

M = 0,025×N + 0,42×n = 20,4 кг.

Каждый ППМ потребляет ток 0,455 А, а один столбец ППМ будет потреблять ток 13,2 А. С учетом этого масса проводов равна 2,2 кг.

Таким образом, масса системы питания полотна антенной решетки и распределительной системы составит 22,6 кг без учета массы накопителей энергии, установленных в ППМ и при вероятности безотказной работы системы не менее 0,99. Такое построение системы питания обеспечивает наименьшую массу при заданной надежности.

Структурная схема системы питания с частичной централизацией приведена на рис. 3. Из рисунка видно, что ИСН для получения вспомогательных напряжений +5 и –5 В расположен внутри герметичного корпуса ППМ. Накопитель может располагаться как внутри, так и снаружи ППМ. В последнем случае необходимо обеспечить минимальную длину проводов между ППМ и накопителем. Все 18 мощных ППМ работают на общую шину. Равномерное распределение нагрузки обеспечивается устройствами выравнивания токов (УВТ), которыми снабжен каждый ППМ.

Рис. 3. Схема частично централизованной системы питания полотна антенной решетки и распределительной системы

На выходе каждого ППМ установлены плавкие предохранители F. Установка предохранителей связана со следующим обстоятельством.

Выход из строя источников питания часто связан с пробоем и закорачиванием выходного конденсатора. При отсутствии специальных защитных мер это может привести к выходу из строя всей системы питания. При установленных предохранителях короткое замыкание на выходе СПН приведет к выгоранию соответст вующего предохранителя и автоматическому от ключению неисправного СПН от общей шины.

Таблица 3. Параметры рассмотренных систем электропитания

*Данная вероятность безотказной работы на практике не реализуема из-за низкой надежности узлов коммутации, необходимых для резервирования источников питания. **Без учета массы накопителей энергии

• Централизованная система электропитания обладает неплохими массогабаритными параметрами, но практически труднореализуема из-за низкой надежности устройств коммутации, необходимых для резервирования источников питания, децентрализованная система обеспечивает максимальную надежность системы питания АФАР, но при этом обладает наихудшими массогабаритными показателями.

Наилучшими массогабаритными параметрами при обеспечении заданной надежности обладает частично централизованная система с пассивным резервированием. Основной проблемой при построении систем с пассивным резервированием является необходимость выравнивания токовой нагрузки между источниками. Таким образом, наиболее подходящим вариантом системы электропитания для данной АФАР является частично централизованная система питания с пассивным резервированием. Такая система имеет наименьшую массу, при обеспечении заданной надежности. Хотя реализация такой системы питания и связана с проблемами выравнивания токовой нагрузки между источниками, но эта проблема решаема.

1. Братчиков Л.И. и др. Активные фазированные антенные решетки — М. Радиотехника, 2004.

2. Интегральные микросхемы. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Издание 2-е — М. ДОДЭКА, 2000 608 с, ISBN 5-87835-055-6.

3 Лукин А.В. Распределенные системы электропитания

4 Laszlo В. Paralleling Power Choosing and Applying the Best Technique for Load Sharing — Texas Instruments Incorporated, 2003 Power Seminar.

5. Казенков Д. Выбор архитектуры источника питания — Электронные компоненты, №6, 2004.

Kyшнерев Николай Александрович (1979 г.р.) — научн. сотр. ОАО «Концерн радиостроения «Вега».

Область научных интересов — разработка систем и устройств вторичного электропитания.

Шумов Михаил Александрович (1944 г.р.) — канд. техн. наук, ст. научн. сотр ОАО «Концерн радиостроения «ВЕГА»

Область научных интересов — разработка систем и устройств вторичного электропитания