radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2025-28-1-88-101radioelectronics-972Research ArticleРАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯRADAR AND NAVIGATIONУлучшение технических характеристик АФАР импульсных РЛС за счет снижения неравномерности энергопотребления передающих модулейImproving the Technical Characteristics of AESA Pulse Radars by Reducing the Power Consumption Droop of Transmitting ModulesКушнеревН. А.KushnerevN. A.

Кушнерев Николай Александрович – кандидат технических наук (2010), начальник лаборатории 

Кутузовский пр., д. 34, Москва, 121170 

Nikolay A. Kushnerev, Cand. Sci. (Eng.) (2010), Head of laboratory 

34, Kutuzovsky Ave., Moscow 121170 

kushnerev@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2245-8771РодинМ. В.RodinM. V.

Родин Михаил Валерьевич – кандидат технических наук (2017), доцент (2022), доцент кафедры радиоэлектронных систем и устройств

2-я Бауманская ул., д. 5, Москва, 105005

Mikhail V. Rodin, Cand. Sci. (Eng.) (2017), Associate Professor (2022), Associate Professor of the Department of Radio Electronic Systems and Devices

5, 2-nd Baumanskaya St., Moscow 105005 

mvrodin@bmstu.ruПоповД. О.PopovD. O.

Попов Дмитрий Олегович – инженер по специальности "Радиоэлектронные системы и комплексы" (2023), аспирант кафедры радиоэлектронных систем и устройств

2-я Бауманская ул., д. 5, Москва, 105005

Dmitriy O. Popov, Engineer's degree in electrical engineering (2023), graduate student of the Department of Radio Electronic Systems and Devices

5, 2-nd Baumanskaya St., Moscow 105005 

popovdo@student.bmstu.ruАО «Концерн "Вега"»РоссияJSC "Vega"Russian FederationМосковский государственный технический университет им. Н. Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation20251103202528188101Copyright © Кушнерев Н.А., Родин М.В., Попов Д.О., 20252025Кушнерев Н.А., Родин М.В., Попов Д.О.Kushnerev N.A., Rodin M.V., Popov D.O.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/972Введение

Введение. В передающих трактах импульсных радиолокационных систем (РЛС) с активными фазированными антенными решетками (АФАР) при формировании зондирующих радиоимпульсов часто используют периодический заряд/разряд емкостных накопителей электроэнергии. При этом оконечный усилитель мощности передающего модуля потребляет электроэнергию в течение малых интервалов времени. Однако импульсный характер работы усилителя обуславливает неравномерность энергопотребления зарядного устройства накопителя. Это приводит к ухудшению электромагнитной совместимости аппаратуры РЛС и снижению надежности функционирования из-за дополнительной нагрузки на систему электроснабжения. Для уменьшения неравномерности энергопотребления совместно с накопителями используют сглаживающие дроссели, ухудшающие массогабаритные характеристики и даже информативность РЛС. Таким образом, актуальной является задача снижения неравномерности энергопотребления передающих модулей без ухудшения их массогабаритных характеристик.

Цель работы

Цель работы. Показать возможность построения устройства заряда емкостного накопителя, обеспечивающего равномерное энергопотребление передающего модуля за счет неизменной мощности заряда, для улучшения ряда технических характеристик АФАР.

Материалы и методы

Материалы и методы. Анализ методов заряда емкостных накопителей электроэнергии и исследование возможности построения устройства заряда накопителя неизменной мощностью основываются на теории электрических цепей. Анализ работы устройства заряда накопителя неизменной мощностью проводится в программе Micro-Cap и на экспериментальном макете с учетом реальных длительностей и скважностей зондирующих радиоимпульсов, используемых в РЛС.

Результаты

Результаты. Предложено новое устройство заряда емкостного накопителя неизменной мощностью, рассмотрен принцип его функционирования, разработаны имитационная модель и экспериментальный макет, подтвердившие возможность равномерного энергопотребления передающего модуля АФАР без использования громоздких сглаживающих дросселей. Представлены направления дальнейшего совершенствования зарядного устройства.

Заключение

Заключение. Предложенное устройство заряда емкостного накопителя мощностью 120 Вт для передающего модуля радиолокационной АФАР отличается простотой реализации и высокой энергоэффективностью заряда. Оно может быть рекомендовано для применения в перспективных РЛС с АФАР для улучшения ряда технических характеристик.

Introduction

Introduction. When shaping radar signals, the transmission paths of pulsed radars with active electronically scanned arrays (AESA) frequently use a periodic charge/discharge of capacitive energy storage devices. In such cases, the power amplifier of the transmitting module consumes electricity over short time intervals. However, the pulsed nature of the amplifier operation causes uneven power consumption of the storage charger. This leads to a deterioration in the electromagnetic compatibility of radar equipment and a decrease in operation reliability due to the additional load on the power supply system. To reduce the unevenness of power consumption, smoothing choke сoils are used together with storage devices, which degrade the weight–size characteristics and the entire performance of the radar. Thus, the task of reducing the uneven power consumption droop of transmitting modules without compromising their weight–size characteristics appears relevant.

Aim

Aim. To demonstrate the possibility of constructing a charger for a capacitive storage device that ensures uniform power consumption of the transmitting module due to constant charge power, with the purpose of improving a number of technical characteristics of the AESA.

Materials and methods

Materials and methods. A review of methods for charging capacitive storage devices and an analysis of the possibility of constructing a charger for a storage device with constant power using the theory of electrical circuits. The operation of a constant-power charger was analyzed in the Micro-Cap environment and using its experimental prototype, taking the actual durations and frequencies of radar signals into account.

Results

Results. A new charger for a capacitive storage device with constant power is proposed and the principle of its operation is considered. A simulation model and an experimental prototype are developed, which confirmed the possibility of significantly reducing the power consumption droop of the AESA transmitting module without the use of bulky smoothing chokes. Directions for further improvement of the charger are outlined.

Conclusion

Conclusion. The proposed 120-W capacitor storage charger for the radar AESA transmitting module is characterized by simplicity of implementation and a high energy efficiency of the charge. This charger can be recommended for use in advanced radars with AESA for the purpose of improving a number of technical characteristics.

активная фазированная антенная решеткарадиолокационная системапередающий модульусилитель мощностизарядное устройство накопителяactive electronically scanned arrayradartransmitting modulepower amplifierstorage chargerReferencesSkolnik M. Radar Handbook. New York: The McGraw-Hill Companies, 2008. 1351 p.Skolnik M. Radar Handbook. New York, The McGraw-Hill Companies, 2008, 1351 p.Brown A. Active Electronically Scanned Arrays: Fundamentals and Applications. New York: WileyIEEE Press, 2022. 272 p.Brown A. Active Electronically Scanned Arrays: Fundamentals and Applications. New York, WileyIEEE Press, 2022, 272 p.Design and Research on a Power Distribution System for Airborne Radar / K. Ding, F. Wu, S. Li, B. Li, Y. He, Y. Zhang // The J. of Engineering. 2018. Vol. 2019, № 16. P. 1528–1531. doi: 10.1049/joe.2018.8636Ding K., Wu F., Li S., Li B., He Y., Zhang Y. Design and Research on a Power Distribution System for Airborne Radar. The J. of Engineering. 2018, vol. 2019, no. 16, pp. 1528–1531. doi: 10.1049/joe.2018.8636Realization of DC/DC High Power and Large Current Combined Power Supply for Airborne Radar / Y. Zhang, S. Xu, Z. Chen, X. Li, B. Dong, Q. Luo, B. Li, Y. He // The J. of Engineering. 2018. Vol. 2019, № 16. P. 1930–1933. doi: 10.1049/joe.2018.8743Zhang 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 J. of Engineering. 2018, vol. 2019, no. 16, pp. 1930–1933. doi: 10.1049/joe.2018.8743A Power Supply System for TR Modules of Active Phased Array Radar / Y. Wang, X. Bao, Y. Liu, L. Li, H. Liu // Open J. of Circuits and Systems. 2020. Vol. 9, № 2. P. 28–34. doi: 10.12677/OJCS.2020.92004Wang Y., Bao X., Liu Y., Li L., Liu H. A Power Supply System for TR Modules of Active Phased Array Radar. Open J. of Circuits and Systems. 2020, vol. 9, no. 2, pp. 28–34. doi: 10.12677/OJCS.2020.92004Engineering Application of a Large Airborne Radar Power Supply System with 100 kW / J. Xia, Y. Wang, X. Zhang, T. Cheng, Z. Chen, Y. Zhang // IEEE 9th Intern. Power Electronics and Motion Control Conf., Nanjing, China, 29 Nov.–02 Dec. 2020. IEEE, 2020. P. 2331–2335. doi: 10.1109/IPEMC-ECCEAsia48364.2020.9368054Xia 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 Intern. Power Electronics and Motion Control Conf., Nanjing, China, 29 Nov.–02 Dec. 2020. IEEE, 2020, pp. 2331–2335. doi: 10.1109/IPEMC-ECCEAsia48364.2020.9368054Novel AESA Architecture for Earth Observation and Planetary Sciences / A. Pereira, N. Weste, D. Abbot, S. Al-Sarawi, O. Yurduseven // IEEE Aerospace Conf., Big Sky, USA, 06–13 March 2021. IEEE, 2021. P. 1–13. doi: 10.1109/AERO50100.2021.9438227Pereira A., Weste N., Abbot D., Al-Sarawi S., Yurduseven O. Novel AESA Architecture for Earth Observation and Planetary Sciences. IEEE Aerospace Conf., Big Sky, USA, 06–13 March 2021. IEEE, 2021, pp. 1–13. doi: 10.1109/AERO50100.2021.9438227GaN-Based Two-Stage Converter With High Power Density and Fast Response for Pulsed Load Applications / Y. Yao, G. Kulothungan, H. Krishnamoorthy, A. Das; H. Soni // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2022. Vol. 69, № 10. P. 10035–10044. doi: 10.1109/TIE.2022.3159946Yao 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, vol. 69, no. 10, pp. 10035–10044. doi: 10.1109/TIE.2022.3159946Design and Implementation of High Power Pulsed Output DC-DC Converter / M. Kumar, K. Rayees, B. Singh, V. Chippalkatti // Smart Small Satellites: Design, Modelling and Development. Lecture Notes in Electrical Engineering. 2023. Vol. 963. P. 85–97. doi: 10.1007/978-981-19-7198-3_9Kumar 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, vol. 963, pp. 85–97. doi: 10.1007/978-981-19-7198-3_9Design and Realization of a Compact, Rugged and Highly Efficient Power Supply Module for Large Aperture Antennas in Naval Environment / A. Sarkar, B. Guruvulu, V. H. Bhosale, J. Chakrabarty, M. S. Althaf // IEEE Wireless Antenna and Microwave Symp., Visakhapatnam, India, 29 Feb. 2024–03 March 2024. IEEE, 2024. P. 1–5. doi: 10.1109/WAMS59642.2024.10528098Sarkar A., Guruvulu B., Bhosale V. H., Chakrabarty J., Althaf M. S. Design and Realization of a Compact, Rugged and Highly Efficient Power Supply Module for Large Aperture Antennas in Naval Environment. IEEE Wireless Antenna and Microwave Symp., Visakhapatnam, India, 29 Feb. 2024–03 March 2024. IEEE, 2024, pp. 1–5. doi: 10.1109/WAMS59642.2024.10528098Кириенко В. П. Регулируемые преобразователи систем импульсного электропитания. Н. Новгород: НГТУ, 2008. 617 с.Kirienko V. P. Reguliruemye preobrazovateli sistem impulsnogo elektropitaniya [Adjustable Converters of Switching Power Supply Systems]. Nizhniy Novgorod, NGTU, 2008, 617 p. (In Russ.)Таназлы Г. И., Мунасыпов Р. А. Проектирование сложных систем заряда емкостных накопителей энергии // Вестн. УГАТУ. 2012. Т. 16, № 1 (46). С. 133–142.Tanazli G. I., Munasipov R. A. Designing of Complexes Charge Systems of the Capacitor Energy Stores. UGATU Bulletin. 2012, vol. 16, no. 1(46), pp. 133–142. (In Russ.)Кушнерев Н. А., Родин М. В. Особенности проектирования и тенденции развития систем электропитания АФАР бортовых радиолокаторов // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2019. Т. 17, № 6. С. 68–82. doi: 10.18127/j20700814-201905-09Kushnerev N. A., Rodin M. V. Design Features and Development Trends of Power Supply Systems for Onboard AESA Radars. Information-measuring and Control Systems. 2019, vol. 17, no. 6, pp. 68–82. (In Russ.) doi: 10.18127/j20700814-201905-09Кныш В. А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов. Л.: Энергоиздат, 1981. 156 с.Knish V. A. Poluprovodnikovye preobrazovateli v sistemah zaryada nakopitelnyh kondensatorov [Semiconductor Converters in Storage Capacitor Charging Systems]. Leningrad, Energoizdat, 1981, 156 p. (In Russ.)Пентегов И. В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии. Киев: Наук. думка, 1982. 424 с.Pentegov I. V. Osnovy teorii zaryadnyh tsepey emkostnyh nakopiteley energii [Fundamentals of the Theory of Charging Circuits of Capacitive Energy Storage Devices]. Kiev, Naukova Dumka, 1982, 424 p. (In Russ.)Булатов О. Г., Иванов В. С., Панфилов Д. И. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей. М.: Радио и связь, 1986. 159 с.Bulatov O. G., Ivanov V. S., Panfilov D. I. Poluprovodnikovye zaryadnye ustroystva emkostnyh nakopiteley [Semiconductor Chargers of Capacitive Storage Devices]. Moscow, Radio i Svyaz, 1986, 159 p. (In Russ.)A Constant Current High Voltage Capacitor Charging Power Supply for Pulsed Power Applications / G. Rim, I. Jeong, G. Gusev, Y. W. Choi, H. J. Ryoo, J. S. Kim // 13th IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Las Vegas, USA, 17–22 June 2001. IEEE, 2001. P. 1284–1286. doi: 10.1109/PPPS.2001.1001783Rim G., Jeong I., Gusev G., Choi Y. W., Ryoo H. J., Kim J. S. A Constant Current High Voltage Capacitor Charging Power Supply for Pulsed Power Applications. 13th IEEE Intern. Pulsed Power Conf., Las Vegas, USA, 17–22 June 2001. IEEE, 2001, pp. 1284–1286. doi: 10.1109/PPPS.2001.1001783High Power Density Capacitor Charging Power Supply Development for Repetitive Pulsed Power / M. McQuage, V. McDowell, F. Peterkin, J. Pasour // 27th Intern. Power Modulator Symp., Arlington, USA, 14–18 May 2006. IEEE, 2006. P. 368–371. doi: 10.1109/MODSYM.2006.365261McQuage M., McDowell V., Peterkin F., Pasour J. High Power Density Capacitor Charging Power Supply Development for Repetitive Pulsed Power. 27th Intern. Power Modulator Symp., Arlington, USA, 14– 18 May 2006. IEEE, 2006, pp. 368–371. doi: 10.1109/MODSYM.2006.365261Cassel R., Hitchcock S., Hitchcock R. A High Power Dynamically Flexible Pulse Width Radar Modulator // The 34th IEEE Intern. Conf. on Plasma Science, Albuquerque, USA, 17–22 June 2007. IEEE, 2007. P. 1492–1494. doi: 10.1109/PPPS.2007.4652469Cassel R., Hitchcock S., Hitchcock R. A High Power Dynamically Flexible Pulse Width Radar Modulator. The 34th IEEE Intern. Conf. on Plasma Science, Albuquerque, USA, 17–22 June 2007. IEEE, 2007, pp. 1492–1494. doi: 10.1109/PPPS.2007.4652469Design of Series Resonant High Voltage Capacitor Charging Power Supply / Q. Wang, Y. Gao, C. Liang, J. Zhao // The 16th IET Intern. Conf. on AC and DC Power Transmission, Xian, China, 02–03 July 2020. IEEE, 2021. P. 1294–1297. doi: 10.1049/icp.2020.0309Wang Q., Gao Y., Liang C. , Zhao J. Design of Series Resonant High Voltage Capacitor Charging Power Supply. The 16th IET Intern. Conf. on AC and DC Power Transmission, Xian, China, 02–03 July 2020. IEEE, 2021, pp. 1294–1297. doi: 10.1049/icp.2020.0309Dias A., Filho E. Switching Mode System to Supply Pulse Modulators in Radar Applications // 9th IEEE/IAS Intern. Conf. on Industry Application, Sao Paulo, Brazil, 08–10 Nov. 2010. IEEE, 2010. P. 1–6. doi: 10.1109/INDUSCON.2010.5740011Dias A., Filho E. Switching Mode System to Supply Pulse Modulators in Radar Applications. 9th IEEE/IAS Intern. Conf. on Industry Application, Sao Paulo, Brazil, 08–10 Nov. 2010. IEEE, 2010, pp. 1–6. doi: 10.1109/INDUSCON.2010.5740011Буркин Е. Ю., Кожемяк О. А. Устройство формирования ступенчато-падающего тока заряда емкостного накопителя энергии // Приборы и техника эксперимента. 2016. № 2. С. 91–95. doi: 10.7868/S003281621601033XBurkin E. Yu., Kozhemyak O. A. A Device for Forming a Stepwise-Decreasing Current for Charging a Capacitive Energy Storage. Instruments and Experimental Techniques. 2016, no. 2, pp. 91–95. (In Russ.) doi: 10.7868/S003281621601033XNovel Virtualization Intelligent Power Supply with Large Capacity Energy Storage / G. Liu, W. Xue, Z. Hao, Z. Niu, K. Mu, J. Ma // IEEE Sustainable Power and Energy Conf., Chengdu, China, 23–25 Nov. 2020. IEEE, 2020. P. 2028–2033. doi: 10.1109/iSPEC50848.2020.9350938Liu G., Xue W., Hao Z., Niu Z., Mu K., Ma J. Novel Virtualization Intelligent Power Supply with Large Capacity Energy Storage. IEEE Sustainable Power and Energy Conf., Chengdu, China, 23–25 Nov. 2020. IEEE, 2020, pp. 2028–2033. doi: 10.1109/iSPEC50848.2020.9350938Design and Implementation of a 2.1-kV Charging Power Supply for Capacitor Array of Pulse Power Modulators / Y. Wang, J. Chen, L. Wang, M. Xu, H. Chen, J. Huang // IEEE 2nd Intern. Conf. on Information Technology, Big Data and Artificial Intelligence, Nanchang, China, 17–19 Dec. 2021. IEEE, 2021. P. 36–40. doi: 10.1109/ICIBA52610.2021.9688199Wang Y., Chen J., Wang L., Xu M., Chen H., Huang J. Design and Implementation of a 2.1-kV Charging Power Supply for Capacitor Array of Pulse Power Modulators. IEEE 2nd Intern. Conf. on Information Technology, Big Data and Artificial Intelligence, Nanchang, China, 17–19 Dec. 2021. IEEE, 2021, pp. 36–40. doi: 10.1109/ICIBA52610.2021.9688199Research on LC Series Resonant High Voltage Capacitor Charging Power Supply / H. Zhao, X. Wang, Y. Zheng, H. Ding, C. Yao // IEEE 5th Intern. Electrical and Energy Conf., Nanchang, China, 27–29 May 2022. IEEE, 2022. P. 1631–1636. doi: 10.1109/CIEEC54735.2022.9846751Zhao H., Wang X., Zheng Y., Ding H., Yao C. Research on LC Series Resonant High Voltage Capacitor Charging Power Supply. IEEE 5th Intern. Electrical and Energy Conf., Nanchang, China, 27–29 May 2022. IEEE, 2022, pp. 1631–1636. doi: 10.1109/CIEEC54735.2022.9846751Fixed Frequency LCC Resonant Converter Modeling and Optimal Design for High-Voltage Capacitor Charging Power Supply in Constant Power Control / J. Chen, Y. Xu, H. Lu, Zh. Yan, Zh. Yu, Q. Li // IEEE Transactions on Industry Applications. 2023. Vol. 59, № 4. P. 4287–4299. doi: 10.1109/TIA.2023.3264221Chen J., Xu Y., Lu H., Yan Zh., Yu Zh., Li Q. Fixed Frequency LCC Resonant Converter Modeling and Optimal Design for High-Voltage Capacitor Charging Power Supply in Constant Power Control. IEEE Transactions on Industry Applications. 2023, vol. 59, no. 4, pp. 4287–4299. doi: 10.1109/TIA.2023.3264221A Variable Frequency Phase-Shift Modulation Constant Power Control Strategy for LCC Resonant Capacitor Charging Power Supply / Y. Xu, Z. Yu, J. Chen, Y. Wang // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2023. Vol. 70, № 2. P. 1883–1893. doi: 10.1109/TIE.2022.3161803Xu Y., Yu Z., Chen J., Wang Y. A Variable Frequency Phase-Shift Modulation Constant Power Control Strategy for LCC Resonant Capacitor Charging Power Supply. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2023, vol. 70, no. 2, pp. 1883–1893. doi: 10.1109/TIE.2022.3161803Мошкин В. И. Энергетические характеристики процесса заряда емкостного накопителя энергии // Вестн. КГУ. 2012. № 2 (24). С. 82–85.Moshkin V. I. Energy Characteristics of Charge Capacitive Energy Storage. Bulletin of KSU. 2012, no. 2 (24), pp. 82–85. (In Russ.)Кушнерев Н. А., Родин М. В., Степанов А. В. К вопросу об усреднении импульсной мощности в источниках электропитания приемо-передающих модулей бортовых радиолокационных АФАР // Практическая силовая электроника. 2020. № 3 (79). С. 45–50.Kushnerev N. A., Rodin M. V., Stepanov A. V. On Pulse Power Averaging in Electric Power Supplies of Receive-Transmit Modules of Onboard AESA Radar. Practical Power Electronics. 2020, no. 3 (79), pp. 45–50. (In Russ.)Rodin M., Popov D. Hysteretic Voltage Regulator as a Dynamic Supply Modulator for Radar Power Amplifier // 6th Intern. Youth Conf. on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, Moscow, Russia, 29 Feb.–02 March 2024. IEEE, 2024. P. 1–5. doi: 10.1109/REEPE60449.2024.10479739Rodin M., Popov D. Hysteretic Voltage Regulator as a Dynamic Supply Modulator for Radar Power Amplifier. 6th Intern. Youth Conf. on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, Moscow, Russia, 29 Feb.–02 March 2024. IEEE, 2024, pp. 1–5. doi: 10.1109/REEPE60449.2024.10479739

The authors declare that there are no conflicts of interest present.