Улучшение технических характеристик АФАР импульсных РЛС за счет снижения неравномерности энергопотребления передающих модулей

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. 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. 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. 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. 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.

1. Skolnik M. Radar Handbook. New York: The McGraw-Hill Companies, 2008. 1351 p.

2. Brown A. Active Electronically Scanned Arrays: Fundamentals and Applications. New York: WileyIEEE Press, 2022. 272 p.

3. 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.2018.8636

4. Realization 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.2018.8743

5. A 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.2020.92004

6. Engineering 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-ECCEAsia48364.2020.9368054

7. Novel 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/AERO50100.2021.9438227

8. GaN-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.2022.3159946

9. Design 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_9

10. Design 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/WAMS59642.2024.10528098

11. Кириенко В. П. Регулируемые преобразователи систем импульсного электропитания. Н. Новгород: НГТУ, 2008. 617 с.

12. Таназлы Г. И., Мунасыпов Р. А. Проектирование сложных систем заряда емкостных накопителей энергии // Вестн. УГАТУ. 2012. Т. 16, № 1 (46). С. 133–142.

13. 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/j20700814-201905-09

14. Кныш В. А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов. Л.: Энергоиздат, 1981. 156 с.

15. Пентегов И. В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии. Киев: Наук. думка, 1982. 424 с.

16. Булатов О. Г., Иванов В. С., Панфилов Д. И. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей. М.: Радио и связь, 1986. 159 с.

17. 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.2001.1001783

18. High 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.2006.365261

19. Cassel 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.2007.4652469

20. Design 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.2020.0309

21. Dias 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.2010.5740011

22. Буркин 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/S003281621601033X

23. Novel 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/iSPEC50848.2020.9350938

24. Design 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/ICIBA52610.2021.9688199

25. Research 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/CIEEC54735.2022.9846751

26. Fixed 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.2023.3264221

27. A 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.2022.3161803

28. Мошкин В. И. Энергетические характеристики процесса заряда емкостного накопителя энергии // Вестн. КГУ. 2012. № 2 (24). С. 82–85.

29. 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.

30. 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/REEPE60449.2024.10479739