Приёмо-передающий модуль

Приёмо-передающий модуль (ППМ, англ. Transmit/Receive Module, TRM) — это функционально законченное электронное устройство, предназначенное для усиления, формирования и обработки высокочастотных сигналов в режимах передачи и приёма. ППМ является ключевым компонентом активных фазированных антенных решёток (АФАР), широко применяемых в радиолокации, системах связи и радиоэлектронной борьбы.

История развития

Первые прототипы ППМ появились в 1960-х годах в рамках разработки радиолокационных станций (РЛС) с электронным сканированием луча. В 1970-х годах в СССР и США начались работы по созданию АФАР, где каждый излучающий элемент антенны требовал индивидуального усилителя и фазовращателя. Ключевым этапом стало внедрение в 1980-х годах монолитных интегральных схем (МИС) на основе арсенида галлия (GaAs), что позволило резко уменьшить габариты и энергопотребление модулей.

В 1990-х годах, с развитием технологий кремний-германиевых (SiGe) и нитрид-галлиевых (GaN) полупроводников, ППМ стали более мощными и надёжными. В России серийный выпуск ППМ для АФАР был освоен в начале 2000-х годов на предприятиях, входящих в концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ). Активное внедрение ППМ в гражданскую авиацию и системы спутниковой связи началось в 2010-х годах.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

Типовой ППМ включает в себя следующие функциональные блоки:

• Усилитель мощности (УМ) — для усиления сигнала в режиме передачи.
• Малошумящий усилитель (МШУ) — для усиления слабого принимаемого сигнала с минимальным уровнем собственных шумов.
• Циркулятор или переключатель приём/передача — для развязки каналов и защиты МШУ от мощного передающего сигнала.
• Фазовращатель и аттенюатор — для управления фазой и амплитудой сигнала, что необходимо для формирования луча антенны.
• Схема управления — на основе микроконтроллера или ПЛИС, обеспечивающая приём команд от центрального процессора и контроль параметров модуля.

Принцип действия

В режиме передачи высокочастотный сигнал от возбудителя поступает на вход ППМ, усиливается до требуемой мощности (от единиц до сотен ватт) и через фазовращатель направляется на излучающий элемент антенны. В режиме приёма сигнал, принятый антенной, проходит через МШУ, где усиливается на 20–40 дБ, и затем подаётся на приёмный тракт РЛС. Переключение между режимами осуществляется за микросекунды, что позволяет реализовать импульсную работу РЛС.

Классификация

По типу полупроводниковых материалов

• На основе GaAs (арсенид галлия) — традиционные ППМ, работающие в диапазоне до 40 ГГц, с КПД до 30–40%.
• На основе GaN (нитрид галлия) — современные модули, способные работать при напряжениях до 50–100 В, с КПД до 50–60% и удельной мощностью до 10 Вт/мм². Широко применяются в РЛС сантиметрового и миллиметрового диапазонов.
• На основе SiGe (кремний-германий) — дешёвые и компактные модули для диапазона до 10 ГГц, используемые в гражданских системах связи.

По диапазону рабочих частот

• Дециметровые (0,1–1 ГГц) — для РЛС дальнего обнаружения и систем связи.
• Сантиметровые (1–10 ГГц) — для бортовых РЛС истребителей (например, Су-35, Су-57), метеорологических РЛС.
• Миллиметровые (30–100 ГГц) — для систем наведения, радиолокации высокого разрешения и 5G-сетей.

По конструктивному исполнению

• Моноблочные — все компоненты размещены на одной подложке.
• Модульные — состоят из нескольких сменных блоков (усилитель, фазовращатель, блок питания).
• Интегрированные — объединяют ППМ и излучающий элемент в едином корпусе.

Применение

Военная и авиационная техника

ППМ являются основой АФАР в бортовых РЛС современных истребителей (Су-35, Су-57, F-22, F-35), зенитно-ракетных комплексов (С-400, С-500) и корабельных систем (например, «Полимент-Редут»). В этих системах количество ППМ может достигать нескольких тысяч, что обеспечивает высокую помехозащищённость, скорость сканирования и возможность одновременного сопровождения десятков целей.

Гражданская радиолокация

В метеорологических РЛС (например, «Метеор-М»), аэродромных обзорных локаторах и системах управления воздушным движением ППМ позволяют быстро перестраивать луч и повышать точность измерений. В России АФАР с ППМ используются в РЛС «Атмосфера» и «Дон-2».

Спутниковая связь и 5G

В системах спутниковой связи (Starlink, OneWeb) и в базовых станциях 5G ППМ обеспечивают формирование узких лучей, что увеличивает пропускную способность и снижает помехи. В 2020-х годах началось внедрение ППМ на основе GaN для диапазона 28–39 ГГц.

Научные исследования

В радиоастрономии и исследованиях космического пространства ППМ используются в радиотелескопах с синтезированной апертурой (например, SKA). В физике высоких энергий — для управления пучками частиц.

Характеристики и параметры

Основные технические характеристики ППМ:

• Выходная мощность в режиме передачи — от 0,1 Вт (для маломощных систем) до 200 Вт (для мощных РЛС).
• Коэффициент шума — от 0,5 дБ до 3 дБ в зависимости от диапазона.
• КПД — от 20% до 60% (наиболее высокий у GaN-модулей).
• Рабочий диапазон частот — от 0,1 до 100 ГГц.
• Фазовый сдвиг — дискретный (шаг 5,625° или 11,25°) или непрерывный.
• Габариты — от 5×5×2 мм до 100×50×20 мм.

Производство в России

В России разработкой и производством ППМ занимаются предприятия, входящие в структуру Госкорпорации «Ростех» и концерна «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ). В частности, НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха (Москва), «НПП «Исток» им. Шокина» (Фрязино), АО «НИИПП» (Томск) и АО «Зеленоградский нанотехнологический центр» (Зеленоград). Серийные ППМ на основе GaN выпускаются с 2015 года, в том числе для РЛС истребителя Су-57 и зенитно-ракетной системы С-500.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Электронное сканирование — отсутствие механических приводов, высокая скорость перестройки луча.
• Надёжность — отказ одного ППМ не выводит из строя всю антенну, а лишь незначительно ухудшает характеристики.
• Гибкость — возможность формирования нескольких лучей одновременно (MIMO-режим).
• Энергоэффективность — GaN-модули позволяют снизить тепловыделение и массу системы.

Недостатки

• Сложность и стоимость — изготовление ППМ требует прецизионного оборудования и дорогих материалов (GaN, GaAs).
• Теплоотвод — при работе на больших мощностях (свыше 50 Вт) требуется эффективное охлаждение, часто с использованием жидкостных систем.
• Электромагнитная совместимость — при большом количестве ППМ (тысячи) возникают проблемы взаимных помех и синхронизации.

Интересные факты

• В РЛС истребителя Су-57 используется около 1500 ППМ, что позволяет одновременно сопровождать до 60 целей.
• Первый в мире серийный самолёт с АФАР на ППМ — американский F-22 Raptor (2005 год).
• В 2020 году российские инженеры из НИИ «Полюс» разработали ППМ на основе GaN с выходной мощностью 100 Вт в диапазоне 8–12 ГГц, что сопоставимо с лучшими западными аналогами.
• ППМ используются не только в радиолокации, но и в медицинской технике — для томографии и микроволновой терапии.

Источники

• Б. А. Абакумов, «Радиолокационные системы с активными фазированными антенными решётками», Москва, Радиотехника, 2018.
• В. И. Гуляев, «Полупроводниковые приборы СВЧ. Технологии и применение», Санкт-Петербург, Лань, 2020.
• Материалы концерна «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ), 2021–2023.
• «GaN Transmit/Receive Modules for Radar Applications», IEEE Microwave Magazine, 2020.
• Отчёт НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха, «Разработка ППМ на основе нитрид-галлиевых гетероструктур», 2022.