Сравнение с пассивной решёткой

В обычной пассивной решётке один передатчик мощностью несколько киловатт питает несколько сотен элементов, каждый из которых излучает только десятки ватт мощности. Современный микроволновый транзисторный усилитель может, однако, также произвести десятки ватт, и в радаре с активной фазированной решёткой несколько сотен модулей, каждый мощностью в десятки ватт, создают в целом мощный главный луч радара в несколько киловатт.

В то время как результат идентичен, активные решётки намного более надежны, поскольку отказ одного приёмо-передающего элемента решётки искажает диаграмму направленности антенны, что несколько ухудшает характеристики локатора, но в целом он остаётся работоспособным. Катастрофического отказа лампы передатчика, которая является проблемой обычных радаров, просто не может произойти. Дополнительная выгода - экономия веса без большой лампы высокой мощности, связанной с ней системой охлаждения и большого блока питания высокого напряжения.

Другой особенностью, которая может использоваться только в активных решётках, является способность управлять усилением индивидуальных приёмно-передающих модулей. Если это может быть сделано, диапазон углов, через которые луч может быть отклонен, существенно увеличивается, и таким образом многие из ограничений геометрии решеток, которые имеют обычные фазированные решётки могут быть обойдены. Такие решётки называют решётками суперувеличения. Из изданной литературы неясно, используют ли какая-либо существующая или проектируемая антенная решётка эту технику.

Недостатки

Технология АФАР имеет две ключевые проблемы:

Рассеивание мощности

Первая проблема - рассеивание мощности. Из-за недостатков микроволновых транзисторных усилителей (MMIC), эффективность передатчика модуля - типично меньше чем 45 %. В результате, AФAР выделяет большое количество теплоты, которая должна быть рассеяна, чтобы предохранить чипы передатчика от расплавления и превращения в жидкий арсенид галлия - надежность GaAs MMIC-чипов улучшается при низкой рабочей температуре. Традиционное охлаждение воздухом, используемое в обычных ЭВМ и авионике, плохо подходит при высокой плотности упаковки элементов AФAР, в результате чего современные AФAР охлаждаются жидкостью (американские проекты используют polyalphaolefin (PAO) хладагент, подобный синтетической гидравлической жидкости). Типичная жидкая система охлаждения использует насосы, вводящие хладагент через каналы в антенне, и выводящие затем его к теплообменнику - им может быть как воздушный охладитель (радиатор) так и теплообменник в топливном баке - со второй жидкостью, охлаждающей петлю теплообмена, чтобы увести высокую температуру от топливного бака.

По сравнению с обычным радаром истребителя с воздушным охлаждением, AФAР является более надёжным, однако будет потреблять бо́льшое количество электроэнергии и требовать более интенсивного охлаждения. Но AФAР может обеспечить намного большую передающую мощность, что необходимо для большей дальности обнаружения цели (увеличение передающей мощности однако имеет недостаток - увеличения следа, по которому радиоразведка противника или RWR могут обнаружить радар).

Стоимость

Другая проблема - стоимость массового производства модулей. Для радара истребителя, требующего типично от 1000 до 1800 модулей, стоимость AФAР становится неприемлемой, если модули стоят больше чем сто долларов каждый. Ранние модули стоили приблизительно 2 тыс. долл., что не допускало массового использования AФAР. Однако стоимость таких модулей и MMIC-чипов постоянно уменьшается, поскольку себестоимость их разработки и производства постоянно снижается.

Несмотря на недостатки, активные фазированные решётки превосходят обычные радарные антенны почти во всех отношениях, обеспечивая более высокую следящую способность и надёжность, пусть и при некотором увеличении в сложности и, возможно, стоимости.

Лекция 6

Фазированные антенные решетки

Введение

В процессе развития радиотехники и электроники антенны претерпели существенное изменение: из простых устройств (один вибратор или несколько) преобразовались в сложные управляемые многоэлементные системы с активными приборами. Если на первых этапах развития антенна должна была обеспечить эффективное излучение и прием, то потом от антенны потребовалось значительное усиление, получаемое за счет направленности действия. С появлением радиосистем локации, навигации и управления приемные антенны стали осуществлять пеленгацию, т.е. определять угловые координаты излученных или отраженных волн с возможно большей точностью. Резкий рост оснащенности радиоэлектронными средствами, произошедший в последний период, создал проблему электромагнитной совместимости (ЭМС). Для осуществления ЭМС в приемных антеннах возникла необходимость формирования глубоких провалов в ДН для направления прихода помех. Помеховая обстановка непрерывно меняется, поэтому потребовались самоприспосабливающиеся антенны - адаптивные. Появление новых видов боевых действий - радиоэлектронной борьбы - привело к необходимости решения в антенной технике проблем, аналогичных перечисленным проблемам, но при более сложных условиях. В настоящее время радиосистемы должны работать при действии нескольких мощных широкополосных помех в условиях независимого перемещения источников помех. В этих случаях антенна ведет пространственную обработку сигнала, т. е. становится динамическим пространственным фильтром. Антенны с электрическим сканированием также являются антеннами с пространственной обработкой сигнала.

В современных передающих и приемных антенных системах возникла необходимость временной обработки сигнала (в частотной области). В антенный тракт решетки может включаться система параллельно работающих активных элементов (приборов): генераторов, усилителей, смесителей, преобразователей частот, аналого-цифровых преобразователей и т. д. Замена одного активного элемента (в передатчике или приемнике) на систему параллельно работающих в антенном тракте элементов позволяет решить ряд задач антенной техники. Остановимся только на некоторых моментах. Включение активного элемента в антенный тракт делает антенну, как правило, невзаимным и нелинейным устройством, что существенно изменяет облик антенны в режиме передачи и приема. Независимая пространственная обработка сигналов в антенне, а затем временная обработка в приемнике затрудняет, а иногда исключает, получение полной информации о пространственно-частотном распределении источников в окружающем пространстве (радиосцене). Параллельная пространственно-временная обработка ряда выборок из падающих волн в приемной антенне позволяет увеличить объем одновременно поступающей информации.

Дальнейшее совершенствование различных радиосистем стимулирует решение новых задач антенной техники. Одним из направлений развития антенной техники является создание антенн с пространственно-временной обработкой. Применяя в таких системах новые конструкторско-технологические решения (сверхширокополосные, печатные, микрополосковые, совмещенные и другие антенны), достижения в микроэлектронике, когерентной радиооптике, голографии и т. д., можно достичь желаемых результатов.

При механическом сканировании, выполняемом поворотом всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн - фазированных антенных решеток (ФАР) .

Применение ФАР для построения сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению объема информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем пространстве.

Многообразие используемых и создаваемых антенн принято классифицировать по рабочим диапазонам волн, их электрическим характеристикам, конструкторско-технологическому исполнению, областям применения и т. д. Такие классификации не учитывают функциональные возможности современных антенн. Превращение антенны из устройства в систему изменяет подход к классификации антенн. Целесообразно подойти к развитию антенн как к совершенствованию некоторой радиосистемы и рассматривать различные существующие, разрабатываемые и вновь предлагаемые антенны, и процессы, происходящие в них, с единых позиций. Критерием классификации и развития антенн можно принять обработку информации (сигнала), происходящую в антенне и ее СВЧ-тракте. Такая обработка может осуществляться на частотах принимаемого (или излучаемого) сигнала, на более высоких или более низких (промежуточных) частотах, быть линейной или не линейной, аналоговой или цифровой, адаптивной и т. д. Так как поле, падающее на отдельный элемент решетки, характеризуется поляризацией, амплитудой и фазой, то в антенной решетке обработка сигналов по амплитуде и фазе может быть дополнена поляризационной обработкой.

На начальном этапе развития радиотехники применялись вибраторные антенные решетки, в фидерном тракте которых арифметически суммировались напряжения, наводимые отдельными вибраторами при падении волны по нормали к полотну АР. Появился простейший, используемый и сейчас, вид АР - синфазные остронаправленные антенны. Вторым видом простейших АР являются антенны бегущей волны (АБВ), в которых суммирование напряженности от отдельных вибраторов для заданного направления прихода волны происходит с учетом фазовых сдвигов в питающей линии. Третьим видом АР можно считать ненаправленные бортовые антенны, в которых для излучения во все окружающее пространство и устранения явлений дифракции и затенения носителем применяется система разнесенных слабонаправленных излучателей.

Четвертый вид - совмещенные антенны - возник в последний период с целью использовать одну апертуру для работы нескольких антенн на различных частотах. Это достигается встраиванием одной антенны (решетки, облучателя) в другую. Система излучателей, настроенных на ряд частот и возбуждаемых одной линией передачи, образует, как известно, один из видов широкополосных антенн. Все эти виды можно объединить в один класс многоэлементных антенн.

В РЛС нашли широкое применение моноимпульсные антенны, в которых с одного раскрыва одновременно формируются три луча, т. е. три диаграммы направленности, называемые суммарно-разностными. В таких антеннах три канала обработки сигнала (суммарный и разностные - угломестный и азимутальный) позволяют увеличить по сравнению с одноканальной системой точность определения угловых координат при, прочих равных условиях. Антенная решетка или эквивалентная ей апертурная антенна позволяет сформировать несколько ортогональных ДН, осуществить одновременный обзор пространства и произвести обработку сигнала в нескольких независимых каналах. В соответствии с предлагаемой классификацией такие антенны образуют класс многолучевых антенн, в излучающей части которых одновременно создается набор амплитудно-фазовых распределений (АФР), каждому из которых соответствует определенный вход.

Переизлучающие антенны представляют собой класс приемопередающих устройств, в которых фокусируется приходящая волна обратно в направлении источника падающей волны. Простейшая переизлучающая антенна - это уголковый отражатель. Его дискретным аналогом является решетка Ван-Этта. В зависимости от назначения переизлучающих антенн они могут быть активными и пассивными элементами радиосистемы. В активных переизлучающих антеннах осуществляется усиление принятых сигналов, изменение (смещение) частоты принимаемого сигнала, модуляция колебаний (с целью передачи информации в требуемом направлении). Все эти функции могут выполняться и одновременно. Переизлучающие решетки на основе диаграммообразующих многолучевых антенн имеют лучшие параметры.

Рост скоростей летательных аппаратов потребовал от антенн РЛС быстрого безынерционного сканирования луча в пространстве при сохранении направленных свойств, достигнутых в зеркальных антеннах с механическим сканированием. Это привело к интенсивному развитию фазированных антенных решеток с электрическим сканированием: частотным, фазовым и коммутационным.

Появление активных антенн вызвано стремлением увеличить излучаемую мощность, уменьшить тепловые потери, увеличить надежность ФАР, а в слабонаправленных антеннах уменьшить габариты и расширить рабочую полосу. До тех пор пока в антенне (ФАР) используются линейные взаимные устройства для создания управляемых АФР, не делается различия между характеристиками антенны при приеме и передаче и рассматривается обработка сигнала в режиме, наиболее удобном для анализа. Переход к активным антеннам приводит к появлению независимых приемных и передающих антенн, хотя и не исключает наличия приемопередающих.

Динамическими антеннами (или антеннами с временной модуляцией параметров) называются такие, которые имеют характеристики, изменяющиеся во времени. Изменяемыми параметрами могут быть: амплитудное и фазовое распределения поля (токов) в раскрыве, линейные размеры антенны, время включения отдельного элемента решетки и т. д. Периодическое изменение параметров, в принципе, позволяет осуществить быстрое сканирование луча в пространстве, сформировать заданные характеристики направленности. Так, с помощью переключения элементов решетки в динамических антеннах могут быть получены ДН с малым уровнем боковых лепестков. Однако следует иметь в виду, что при таком формировании ДН с малым уровнем боковых лепестков падает КНД антенны, растут потери и шумы от включения в антенну коммутаторов.

Адаптивными или самонастраивающимися называют антенны, характеристики которых приспосабливаются (оптимизируются) в процессе работы к меняющимся внешним условиям. Процесс адаптации происходит автоматически в соответствии с алгоритмом, заложенным в антенной системе. В антенную систему может входить не только система обработки сигнала, но и система управления лучом. В процессе адаптации изменяется характеристика направленности на основе обработки принятых ею сигналов. Например, в зависимости от помеховой обстановки в ДН адаптивной антенны может формироваться один или несколько глубоких провалов в направлении прихода мешающих сигналов. В зависимости от критерия адаптации в этом классе антенн можно выделить несколько видов.

Антеннами с нелинейной обработкой сигнала называют антенные решетки, сигнал на выходе которых является произведением или корреляционной функцией (перемножение и усреднение во времени) сигналов от отдельных элементов. Используя различные методы нелинейной обработки сигнала (умножение, возведение в степень, деление, усреднение и т. д.), можно построить антенны, свойства которых будут существенно отличаться от свойств антенн обычного типа. Так, например, перемножая сигналы от элементов решетки (мультипликативная антенна), можно существенно сузить ее ДН. В антеннах с логическим синтезом - другой разновидности антенн с нелинейной обработкой сигнала - удается получить очень низкий уровень боковых лепестков ДН. Это достигается применением логических устройств типа "да-нет", "или", "и", "больше-меньше" при "срезании" боковых лепестков для всех сигналов, превышающих определенный уровень. Следует особо отметить, что в таких антеннах формирование ДН существенно изменится при воздействии не одного, а сразу двух или больше сигналов.

Наибольшее распространение в системах апертурного синтеза находит принцип нелинейной обработки сигнала, под которым понимается создание сплошной апертуры при помощи небольшого числа подвижных антенн. Метод основан на априорной информации о траектории движения носителя подвижной антенны. Его сущность заключается в приеме сигналов при движении, их запоминании и соответствующем сложении, как это делается в большой ФАР. Антенны с синтезированной апертурой являются перспективными для бортовых РЛС с повышенной разрешающей способностью (наблюдением земной поверхности) и радиотелескопов. Бортовые РЛС с синтезированной апертурой позволяют получить высокую линейную разрешающую способность по угловым координатам, соответствующую обычной антенне с раскрывом в сотни и тысячи длин волн.

В антеннах с нелинейной обработкой сигнала, включая антенны с синтезированной апертурой, сужение ДН не приводит к увеличению усиления антенны. Более того, происходит снижение за счет дополнительных потерь при обработке.

Новый класс приемных антенн с цифровой обработкой сигнала - цифровые антенные решетки - включает в себя системы усилителей, смесителей, фазовых детекторов и аналогово-цифровых преобразователей, а также ЭВМ, с помощью которых осуществляется цифровое формирование ДН.

Радиооптические антенные решетки представляют собой приемные антенны с оптической обработкой сигнала. Принятое каждым излучателем АР колебание СВЧ переносится на промежуточную частоту и после усиления с помощью многоканального модулятора света (динамического транспаранта) преобразуется в колебания оптического диапазона. Дальнейшая обработка осуществляется в оптическом диапазоне с помощью системы, содержащей лазер, коллиматор, линзы, диафрагмы, оптические фильтры, транспаранты и т. д. В этой системе происходит аналоговая обработка пространственно-временной информации. В результате на выходе системы в реальном масштабе времени формируется оптическое изображение радиолокационной обстановки в пространстве перед приемной АР. С помощью оптико-электронных устройств это изображение может быть преобразовано в сигналы для последующей обработки в ЭВМ.

Освоение все более коротких волн вплоть до оптического диапазона, отсутствие необходимой элементной базы для работы на этих диапазонах, трудность построения электрически сканирующих антенн этого диапазона на принципах построения антенн предшествующих диапазонов привели к идеям использования голографических методов для формирования и управления ДН антенн, получивших название голографических. Голографические антенны - это новый класс планарных антенн в виде амплитудных (полосковых) либо фазовых структур, обладающих фокусирующими свойствами зонных пластин и секционированных линз. Они могут быть сфокусированы как в дальнюю, так и ближнюю зоны.

Приведенная выше классификация допускает одновременное применение двух или более способов обработки сигналов в одной антенне. Так, существуют моноимпульсные ФАР с фазовым сканированием и адаптацией или приемные цифровые многолучевые антенны. Подобное разделение антенн оказывается удобным и в теоретическом плане.

Общую конструкторскую задачу построения антенн по заданным требованиям, т. е. синтез антенн, в теоретическом плане принято разделять на внешнюю и внутреннюю задачи. Решение внешней задачи для антенн с обработкой сигнала практически сводится к построению антенной решетки, обеспечивающей заданную направленность в секторе обзора (сканирования). Решение внутренней задачи должно обеспечивать необходимое возбуждение антенны, найденное из решения внешней задачи, и требуемую обработку сигнала. В зависимости от способа обработки центр тяжести решения внутренней задачи перемещается с одних устройств на другие.

Решение внешней задачи - построение антенной решетки - может быть выполнено без учета последующей обработки сигнала и оказывается общим для различного класса антенн.

Решетка - это антенная решетка, в которой присутствуют управляемые фазы или фазовые сдвиги. Фазы принимают волны элементами решетки, или же излучают их своими излучателями. При хорошей управляемости фаз формируется должная диаграмма направленности фазированной антенной решетки, а также изменяется направление луча неподвижной решетки и осуществляется быстрое качание луча. Кроме этого, за счет управляемости фаз изменяется интенсивность боковых лепестков, ширина луча и другие формы диаграммы направленности. Благодаря подобным свойствам, совмещенным с современными средствами автоматики, фазированные антенные решетки достаточно перспективны, они широко применяются в радионавигации, радиосвязи, радиоастрономии и радиолокации. Антенные решетки с большим количеством управляемых элементов составляют стационарные и подвижные, наземные и воздушные, корабельные, космические и авиационные радиоустройства. Теория и техника фазированных антенных решеток и по сей день является интересным научным исследованием, не потерявшим свою актуальность.

Фазированную антенную решетку составляют излучающие элементы, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга в одной плоскости. С элементами соединяются сигналы микроволнового диапазона, которые совпадают по своей фазе и имеют равные амплитуды. Генерируется сигнал микроволнового диапазона задающим генератором , усиливают его лампы бегущей волны и транзисторы .
Формы и размеры антенных решеток зависят от типа используемых излучателей и их расположения. Сектор качания луча решетки, т. е. сканирования, определяет диаграмма направленности излучателей. В тех антенных решетках, где происходит широкоугольное сканирование, применяются симметричные, несимметричные вибраторы с несколькими рефлекторами, рупорные, логопериодические, щелевые, спиральные антенны и другие слабонаправленные излучатели. Фазированные решетки больших габаритов составляют, как правило, несколько малых решеток. Диаграмма направленности модулей, т. е. малых фазированных решеток, соответствует направлению луча всей большой фазированной антенной решетки. Остронаправленные антенны с механическим поворотом выполняют функции излучателей, если допустимо медленное лучевое отклонение. Если необходимо отклонение всей фазированной решетки на большой угол, то поворачиваются все антенны.

В 1960-1970-е гт. стали использоваться первые радиолокационные станции, применявшие фазированные антенные решетки. Первоначально решетки использовались в военных целях.

Фазированные антенные решетки представляют собой усовершенствованную модель плоских решеток. В подобных решетках из-за постоянства фаз микроволн луч постоянен как по форме, так и по направлению. При изменении фаз меняются и форма с направлением луча. Если фазы изменяются электроникой, то изменение происходит в считанные секунды. В основном это происходит под управлением шифтера, устройства, меняющего фазы микроволн. Компьютер управляет микроволнами, которые проходят сквозь шифтер. За счет применения компьютера вся плоская решетка становится антенной, у которой форма луча и его направленность программируемы.

Управляемые электроникой фазированные решетки применялись в больших стационарных радарах и небольших радарах противовоздушной обороны.

Широкое применение фазированных антенных решеток в военных, промышленных и других областях объясняется тем, что фазированные антенны выполняли работу сразу нескольких антенн. Узкие лучи фазированной решетки применялись для сопровождения, широкие при поиске, плоские веерообразные определяли высоту, узкие направленные лучи использовались для полетов по ландшафту. Другими положительными характеристиками фазированной решетки были дозволенность размещения нуля, т. е. позволение блокировать волну глушения от попадания в радиоприемник , а также автоматическая направленность антенны в направлении цели.

Стоимость фазированной антенной решетки зависит от количества излучающих элементов, чем их меньше, тем скорее стоимость снижается. В радиолокационной технике, как правило, используются антенные решетки с большим количеством излучающих элементов. Небольшая решетка имеет широкий, мало сфокусированный луч. Маленькая площадь такой фазированной решетки снижает чувствительность к отраженным сигналам, широкий луч способствует уменьшению разрешающей способности но угловым координатам. Если не требуется наблюдать за большим воздушным пространством, недостатки малой фазированной решетки компенсируются за счет присоединения ее к большому рефлектору.
У фазированных антенных решеток имеются ограничения. Диапазон углов отклонения луча ограничен, пределом считается 45-60° от вертикальной антенной плоскости. Если луч отклоняется к меньшим углам, работа решетки значительно ухудшается.

Важными направлениями развития фазированных антенных решеток считаются активное внедрение фазированных решеток с большим количеством элементов в радиотехнические устройства, разработка новых моделей элементов, особенно для активных фазированных решеток. Активные решетки делятся на передающую, приемную с фазированием в гетеродинных цепях и приемную с фазированием в трактах с промежуточной частотой. Структурная система подобной решетки представляет собой систему, которая состоит из усилителя мощности, излучателя, возбудителя, гетеродина, фазовращателя, суммирующего устройства, смесителя и усилителя промежуточной частоты.

Еще одним важным направлением развития фазированных решеток является развитие способов построения фазированных антенных решеток с большими раекрывами, эквидистантных и неэквидистантных с антеннами, которые расположены в пределах земного полушария, а также дальнейшее исследование методов и технических средств, которые ослабляют вредные влияния взаимосвязи между элементами фазированной антенной решетки.

Фазированные антенные решетки за последнее время широко распространились во многих странах мира. Антенной решеткой оборудованы радиолокационные станции в Швеции, Италии, Израиле, Великобритании и других странах.

• Следующее: ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА

Категория: Промышленность на Ф 

Электронное управление лучом превращает антенну в активное средство обработки сигналов. Наиболее распространенная форма такой антенны - фазированная антенная решетка (ФАР). Рассматриваются различные способы управления электромагнитными волнами в ФАР, в частности управление с помощью полупроводниковых диодов.

Представим себе высоконаправленную антенну, обеспечивающую связь с искусственным спутником Земли (ИСЗ). Такая антенна имеет остросфокусированный луч, точно направленный на объект связи. Примером такой антенны может служить наземная антенна станции "Орбита", которая использовалась в первых советских системах передачи телевидения и обеспечения многоканальной телефонной связи через ИСЗ. Такая антенна представляет собой параболический рефлектор диаметром порядка десяти метров. Для того чтобы осуществить слежение за объектом связи или радионаблюдения с помощью такой антенны, необходимо поворачивать всю эту довольно тяжелую механическую систему.

Очевидно, что во многих случаях нужна антенна, у которой направление луча не было бы связано с ориентацией всей антенны как механической конструкции. Нужна антенна с немеханическим движением луча или, другими словами, антенна с электронным сканированием. Под сканированием здесь понимается движение луча антенны, осуществляющее обзор пространства в заданном пространственном угле. Такая антенна нужна не только в системах связи с ИСЗ, но и в системе управления движением в районе большого аэропорта. Особую роль антенны с электронным сканированием играли и продолжают играть в системах противоракетной обороны (ПРО). С начала 90-х годов антенны с электронным сканированием стали объектом внимания автомобильных компаний. В этой связи такие антенны могут стать предметом массового спроса, как цветной телевизор или персональный компьютер . Сложившееся к настоящему времени техническое решение антенны с электронным сканированием представлено в виде решетки, в узлах которой расположены простейшие излучатели электромагнитной волны. Цепи питания этих излучателей организованы так, что излучение, испускаемое каждым излучателем, когерентно с излучением всех излучателей, в то время как фаза излучаемых волн изменяется по заданному закону. Изменение распределения фаз на излучателях позволяет сформировать луч антенны в заданном направлении. Такая решетка излучателей с управляемым распределением фаз волн, излучаемых элементарными излучателями, получила название фазированной антенной решетки (ФАР). Таким образом, термины антенна с немеханическим движением луча, антенна с электронным сканированием или фазированная антенная решетка практически являются синонимами.

Идея, что лучом системы когерентных излучателей можно управлять, изменяя распределение фаз на излучателях, была высказана уже давно. Одна из первых антенн с немеханическим управлением диаграммой направленности была построена для трансатлантической радиотелефонной линии связи в 1937 году. Эта антенна, обладая довольно высокой направленностью, позволяла изменять направление приема лучей в вертикальной плоскости и таким путем выбирать направление прихода лучей, наименее ослабленных при отражении от ионосферы. Так как благодаря направленным свойствам антенны осуществлялся прием только одного отраженного луча, то резко уменьшались замирания сигнала. Эта антенна представляла собой систему ромбических антенн, расположенных вдоль прямой на участке длиной около 1,5 км. Управление диаграммой направленности осуществлялось изменением фазовых соотношений между токами в отдельных ромбах. Высокой скорости управления лучом системы ромбических антенн не требовалось. Развитие радиолокации поставило задачу управления диаграммой направленности антенны в течение интервалов времени, измеряемых вначале миллисекундами, а затем микросекундами и даже долями микросекунды.

Насколько можно судить по известным публикациям, первая антенна с электронным сканированием для применения в радиолокации была осуществлена в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) в 1955 году в группе под руководством проф. Ю.Я. Юрова (1914-1955). В основу принципа действия антенны было положено управление фазами волн в нескольких излучателях антенны с помощью фазовращателей, содержащих ферритовые элементы. Как раз в те годы в электронике различных частот началось широкое применение ферритов - железосодержащих окислов металлов, которые являются диэлектриками, но обладают магнитными свойствами, близкими к свойствам железа. Работы по радиолокационному использованию антенн с электронным сканированием велись и в США. Первая публикация о фазовращателе на основе феррита, предназначенном для применения в антенне с электронным сканированием, появилась в конце 1954 года, а публикации по самой антенне - в 1956-1957 годах.

Проблема разработки антенны с электронным сканированием слагается из двух составных частей:

• 1) выбор числа излучателей и конфигурации их размещения;
• 2) разработка фазовращателей, управляющих фазой электромагнитной волны в излучателях.

макет антенны, разработанной в 1954-1955 годах и испытанной в июне 1955 года. Антенна представляла собой решетку из четырех диэлектрических излучателей, сверхвысокочастотная (СВЧ) волна к которым подается через фазовращатели, представляющие собой отрезки прямоугольных волноводов, частично заполненных ферритом. Ферритовые вкладыши находятся в переменном поле электромагнитов. Внешнее магнитное поле изменяет магнитную проницаемость феррита. Изменение магнитной проницаемости среды, в которой распространяется волна, изменяет фазовую скорость волны, в результате возникает требуемый фазовый сдвиг.

Как устроена антенна с электронным сканированием Следует различать антенны с

• одномерным
• двумерным сканированием

или, другими словами, антенны с движением луча в одной плоскости и антенны с движением луча в двух плоскостях. Антенны с одномерным сканированием нужны при работе с объектами, лежащими в одной плоскости. Примером может служить антенна радиолокатора, обеспечивающего управление движением в акватории морского порта, где все объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, находятся на водной поверхности. Иначе обстоит дело при обеспечении связи с искусственным спутником Земли или при управлении движением в районе большого аэропорта. В этих случаях направления на объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, могут находиться под разными углами как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, поэтому луч антенны должен перемещаться в двух плоскостях.

С одномерным сканированием. Антенна представляет собой линейку излучателей, которые на рисунке схематически представлены в виде рупорных излучателей. Вход антенны представлен одним волноводом или коаксиальным кабелем, который соединяется с приемником, передатчиком или другой радиотехнической системой. Между входом антенны и излучателями расположен делитель мощности, и в цепи питания каждого излучателя включен фазовращатель. Фазовращатели управляются от единого устройства управления (компьютера) и формируют требуемое распределение фаз на излучателях. плоский фазовый фронт, расположенный под углом qk по отношению к плоскости расположения излучателей. Очевидно, что главный луч антенны формируется вдоль нормали по отношению к фазовому фронту волны, заданной излучателями, и, таким образом, главный луч антенны отклонен от оси симметрии антенны также на угол qk . Напомним, что из законов дифракции электромагнитных волн следует, что ширина луча антенны определяется отношением длины волны излучаемых электромагнитных колебаний к размеру антенны: где Dq - ширина луча, l - длина волны, L - размер антенны. Достаточно хорошо направленная антенна должна иметь ширину луча порядка одного углового градуса: Dq = 1. Пусть Dqk = 90, тогда N = 90, то есть конструкция линейки излучателей оказывается достаточно сложной. Рассмотрим антенну в виде решетки излучателей, обеспечивающей электронное сканирование луча в двух плоскостях. Решетка состоит из системы параллельных линеек излучателей, расположенных в одной плоскости. Число излучателей в составе одной линейки назовем числом излучателей в горизонтальной плоскости Nг, а само число линеек - числом излучателей в вертикальной плоскости Nв. Таким образом, общее число излучателей в рассматриваемой решетке

УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ Как было показано выше, в цепи питания каждого излучателя ФАР должно находиться устройство, обеспечивающее требуемый фазовый сдвиг, - фазовращатель. Фазовращатели для ФАР можно разделить на две большие группы:

• 1) аналоговые фазовращатели, фазовый сдвиг в которых представляет собой непрерывную функцию управляющего воздействия (напряжения или тока);
• 2) цифровые (дискретные) фазовращатели, фазовый сдвиг в которых задается двоичным кодом:

В основе аналоговых фазовращателей лежит материал, магнитная или диэлектрическая проницаемость которого изменяется под внешним воздействием. Таким материалом может служить феррит, о котором кратко говорилось выше, или сегнетоэлектрик, диэлектрическая проницаемость которого зависит от напряженности электрического поля Дискретность задания фаз хорошо вписывается в структуру команд управляющей ЭВМ, хотя и порождает некоторые ошибки в задании координат луча антенны, а также приводит к незначительному увеличению уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны. Однако при большом числе элементов ФАР возникшие таким путем погрешности усредняются и выходят на уровень, которым можно пренебречь.

Фазированной антенной решеткой (ФАР) называется система простейших излучателей, расположенных относительно друг друга определенным образом и питаемых по определенному закону.

Главным преимуществом ФАР перед другими типами антенн является осуществление электронного сканирования диаграммы направленности (ДН) антенны по заданному алгоритму, которое позволяет быстро и с высокой точностью изменять не только положение ДН в пространстве, но и ее форму.

Скоростное электронное сканирование существенно улучшает технические характеристики радиолокационных систем, расширяет их функциональные возможности и позволяет создавать многоцелевые РЛС.

ФАР современных комплексов РО обеспечивают формирование сверхнаправленной (игольчатой) ДН с коэффициентом направленного действия (КНД) 10 4 – 10 5 (КНД обычных направленных антенн не превышает 100 – 150);

КНД фазированных антенных решеток зависит от количества активных элементов, их расположения, расстояния между ними, направленности излучения одиночного элемента, а также распределения амплитуд и фаз токов или напряжений по решетке.

Высокий КНД решетки достигается путем увеличения количества чередований противоположных фаз и уменьшения расстояния между противофазными участками. Для этого необходимо осуществить заданное распределение токов на плоскости ФАР с исключительно высокой точностью, что достигается путем использования сложной системы питания антенны.

В ФАР формирование и перемещение луча в пространстве осуществляется путем введения постоянных или переменных фазовых сдвигов между сигналами, излучаемых или принимаемых излучателями.

Для получения узкой ДН необходимо преобразовать сферический фронт волны в плоский. Для этого производится изменение фазовых соотношений волн, которые распространяются в различных направлениях от облучателя. В зеркальных антеннах это осуществляется изменением длины путей, проходимых волнами, в линзовых и диэлектрических антеннах – изменением скоростей распространения волн. В результате тот и другой способ приводит к положительному или отрицательному набегу фаз волн.

Оказалось возможным изменять фазовые соотношения волн, распространяющихся в различных направлениях от облучателя, установкой в фидерных линиях излучателей фазовращающих элементов (фазовращателей), каждый из которых вносит требуемый сдвиг фазы, в результате чего фронт волны в раскрыве антенны оказывается синфазным. В этом случае антенна формирует узкий луч.

Если же фазовые соотношения волн изменять по определенному закону, можно получить требуемый закон перемещения луча в пространстве.

Рассмотрим принцип формирования диаграммы направленности ФАР (рис. 5.20).

Рис.1. Принцип формирования диаграммы направленности ФАР.

Предположим, что имеется к излучателей, расположенных в одной плоскости, В цепи питания каждого из них включены фазовращатели, позволяющие вносить сдвиг фазы Рi и 2 и т. д. Пусть все излучатели возбуждаются первичным облучателем рупорного типа. Сферическая волна от облучателя возбуждает поле в излучателях. При Р1=Р2=РЗ=. . .=р излучатели создали бы сферическую

волну, в результате антенна имела бы широкую диаграмму направленности. для того чтобы преобразовать волну из сферической в плоскую, необходимо внести запаздывание по фазе волн, излучаемых излучателями 2, 3, ... (к-1). Вели чина запаздывания фаз должна быть пропорциональна вели чинам А1 А1 .. . , А соответственно. Включив в схему прохождения волны излучателя 2 фазовращатель, вносящий запаздывание фазы Р2= (2х/Х)А1 в схему прохождения волны излучателя З фазовращатель, вносящий запаздывание о (2л/? и т. д., получим в раскрыве антенны плоский фронт волны. Максимум луча будет направлен по электрической оси антенны, перпендикулярной плоскости раскрыва.

Если же значения сдвигов фаз волн излучателей изменять по некоторому закону, можно изменять ширину диаграммы направленности или качать луч антенны в пространстве. За дача управления фазовыми соотношениями волн решается ЭВМ на основе заданной программы или установленной логики.

Современные системы ФАР, обеспечивающие электронное сканирование, имеют сложную конструкцию, включающую устройства управления фазой сигналов, СВЧ фазовращатели и быстродействующие ЦВМ.

Рассмотрим принцип управления направлением максимума излучения диаграммы направленности ФАР на примере линейной эквидистантной передающей ФАР, состоящей из трех элементарных излучателей, на вход каждого из которых подключены соответственно фазовращатели ФВ фВ ФВ (рис. 5.21).

Рис.2. Принцип управления направлением максимума излучения ФАР.

Допустим, что фазовращатели запитываются параллельно и синфазно синусоидальным напряжением. Если сдвиг фаз, вносимый каждым фазовращателем, будет равен нулю (Ч то каждый излучатель будет излучать напряжение в фазе (синфазно). В этом случае волновой фронт (поверхность, все точки которой имеют одинаковую фазу) будет проходить через точки А А А а направление излучения ФАР в соответствии с теоремой Умова - Пойтинга бу д перпендикулярно волновому фронту и займет положе цце 1=, совпадающее с нормалью ФАР (е=о).

Введем сдвиги фаз во 2-й и 3-й фазовращатели. для наглядности примем Р2= и з= 1800. Тогда напряжения на

ходе излучателей получат соответственно сдвиг фаз на 90 и 180° по отношению к ФВ В результате изменится положение волнового фронта на выходе ФАР, который займет поло жение,4, А А а максимум излучения будет направлен по линии II и отклонится от первоначального положения на угол е.

Таким образом, изменяя сдвиг фаз в фазовращателях ФАР, можно управлять в соответствии с требуемым алгоритмом направлением максимума излучения как в передающей, так и в приемной ФАР.

Для пояснения принципа формирования сверхнаправленной сканирующей ДН на рис.13.1 изображена расчетная схема линейно-синфазной ФАР.

Рис.13.1. Расчетная схема линейно-синфазной ФАР.

На этом рисунке обозначено:

l – расстояние между излучателями решетки (шаг решетки),

OZ – ось излучателей,

Od – ось антенны,

OZ΄ – ось требуемого фронта,

J c – угол сканирования,

Оd΄ – ось ДН при сканировании,

(-4 – 0 – 4) – номера вторичных излучателей,

0 – облучатель решетки.

На рисунке 13.1 вторичные излучатели расположены на оси OZ решетки с шагом l . Если они имеют примерно одинаковые параметры и облучатель О обеспечивает облучение их по оси Od , то в каждом излучателе возбуждается синфазное вторичное излучение. Поскольку углы падения электромагнитной энергии равны углам ее отражения от решетки, образуется плоская волна вторичного излучения, фронт которой совпадает с осью OZ. Ось Od плоской волны совпадает с нормалью к ее фронту.

Если необходимо отклонить ось ДН на угол J c сканирования, то фронт плоской волны должен совпадать с линией OZ¢. Однако, поскольку в этом случае расстояние от каждого излучателя по нормали к фронту OZ¢ будет различным, то и фазы формируемых излучений также будут различными. Используя рисунок 13.1, можно рассчитать расстояние r i от каждого излучателя по нормали к фронту OZ¢:

r i – расстояние от i-того излучателя до фронта OZ¢,

n i – номер i-того излучателя,

l – шаг решетки,

sign n i – знак номера излучателя.

Для компенсации разности ходов и получения синфазных излучений вдоль фронта OZ¢ формируемые излучателями токи должны иметь следующие фазы:

φ i = k в · r i , (13.2)

φ i – фаза i – того излучателя,

k в = 2π ⁄ λ – волновое число,

λ – длина волны.

Волновое число k в для данного типа решетки величина постоянная, поэтому вычисление искомого фазового угла φ i для каждого излучателя осуществляется из выражения (13.2).

Современные ФАР могут иметь более 10000 излучателей. Чтобы обеспечить высокие скорости сканирования ДН, необходимо производить расчет фазовых углов для каждого излучателя в реальном времени. Это под силу только современным ЦВМ с высокой вычислительной мощностью.

ФАР классифицируются по числу элементов, форме раскрыва, диапазону длин волн, способу формирования вторичного излучения и т. д. По способу формирования вторичного излучения различают активные и пассивные ФАР.

В активных ФАР (АФАР) каждый излучатель возбуждается от собственного фазируемого генератора, который дополняется переключателем прием-передача, каскадами преобразования частоты и устройствами предварительного усиления принятых сигналов. Все эти элементы образуют приемо-передающий модуль АФАР. Модули выполняются по интегральной технологии и имеют небольшие размеры (около 0,6 λ – 0,7 λ). Преимуществами АФАР являются высокая технологичность и экономичность.

В пассивных ФАР (ПФАР) все излучатели возбуждаются от общего генератора и работают на общий приемник. Поэтому неотъемлемой частью ПФАР является распределитель мощности между элементами решетки.

В современных комплексах РО используются распределители оптического типа и ФАР с закрытым трактом. Существует две схемы оптического питания решеток: проходная и отражательная. Принципиальная электрическая схема проходной ФАР изображена на рис.13.2.

Рис.13.2. Принципиальная электрическая схема проходной ФАР.

На этом рисунке приняты следующие обозначения:

f – фокусное расстояние,

L – ширина раскрыва решетки,

l – расстояние между излучателями,

φ 1 -φ 7 – фазосдвигающие элементы (фазовращатели),

УУ – устройство управления фазосдвигающими элементами,

ШИ – шина управления.

Принципиальная электрическая схема отражательной ФАР изображена на рисунке 13.3.

Рис.13.3. Принципиальная электрическая схема отражательной ФАР.

Каждый ее элемент снабжен отражающим фазовращателем. Для создания начального фазового распределения между излучателями и фазовращателями в ФАР могут включаться дополнительные ЛЗ.

В отражательной ФАР излучатели решетки концентрируют мощность, излучаемую облучателем О, и фазируют сконцентрированную мощность.

По конструктивным признакам отражательная ФАР имеет следующие достоинства:

Свободный доступ к фазовращателям решетки;

Конструкция отражательных фазовращателей проще, чем проходных.

Эти достоинства определяют преимущественное использование в РО отражательных ФАР.

К преимуществам обеих схем оптического питания относятся:

Сравнительная простота конструкции при существенном количестве элементов решетки,

Возможность удобного управления формой амплитудного распределения в раскрыве антенны путем подбора облучателя,

Способность формирования суммарных и разностных ДН для автоматического сопровождения целей по угловым координатам.

Общим недостатком схем оптического питания является существенно больший размер решеток, чем у ФАР с закрытым трактом.

Известно, что требуемые фазы токов, текущих в излучателях ФАР с координатами y i и z i , рассчитываются из уравнения 13.2 следующим образом:

Ф (y i , z i) = – k в (z i sinθ 0 sinφ 0 + y i sinθ 0 cosφ 0), (13.3)

Ф – фаза тока в излучателе с координатами y i и z i ,

θ 0 – угол сканирования ДН в горизонтальной плоскости,

φ 0 – аналогичный угол сканирования ДН в вертикальной плоскости.

В ФАР, имеющую равномерную прямоугольную сетку излучателей,

для быстрого расчета фазовых углов удобно сначала вычислить разности фаз ΔФ Z и ΔФ y токов, текущих в соседних по осям ОY и ОZ элементах соответственно.

ΔФ Z = – k в l z sinθ 0 sinφ 0 , (13.4)

ΔФ y = – k в l y sin θ 0 cosφ 0 , (13.5)

где l z и l y – шаг решетки по колоннам и рядам соответственно.

После этого следует произвести последовательное умножение полученных разностей фаз на номера m и n излучателей, вплоть до максимальных номеров колонок М и рядов N решетки.

Искомые фазы Ф mn токов в каждом излучателе рассчитываются следующим образом:

Ф mn = 0,5 , (13.6)

M – номер колонки с учетом знака,

N – номер ряда излучателя.

Данный способ расчета называется управлением по рядам и колонкам. Он позволяет получить простую и надежную систему фазирования.

В реальных ФАР для обеспечения сканирования ДН этим способом к каждому излучателю с номером mn по двум независимым каналам подводятся управляющие напряжения, пропорциональные произведениям m·ΔФ y и n·ΔФ Z . Соответствующая схема изображена на рисунке 13.4.

Рис.13.4. Схема управления ФАР по рядам и колонкам.

Сложение этих напряжений осуществляется сумматорами Σ, которые часто располагаются вместе с фазовращателями излучателей.

Из рисунка 13.4 следует, что при способе управления по рядам и колонкам число управляющих шин равно количеству управляющих напряжений. Поэтому в ФАР, управляемой таким способом и содержащей М·N излучателей, имеется только М+N шин. Это делает систему управления простой, надежной и обеспечивает высокое быстродействие.

Приведенные выше рассуждения основаны на том, что фронт идеальной плоской волны, излучаемой облучателем, распространяется перпендикулярно оси, отражающей ФАР. На самом деле волна, излучаемая точечным облучателем, расположенным в фокусе F А антенны, распространяется как показано на рисунке 13.5 и образуют не плоский, а сферический фронт.

Рис.13.5. Схема распространения волн от точечного облучателя.

На рисунке обозначено:

F A – фокус антенны,

f – фокусное расстояние,

МИО – моноимпульсный облучатель,

ФПВ – фронт падающей волны,

ФОВ – фронт отраженной волны,

Δr zi – отставание фронта падающей волны.

Отставание Δr zi фронта равно разности между фокусным расстоянием f и отрезком, заключенным между МИО и i-м излучателем. Из рисунка 13.5 можно рассчитать отставание Δr zi для каждой колонки ФАР

Δr zi = . (13.7)

Аналогично рассчитывается отставание Δr уi для каждого ряда ФАР

Δr уi = . (13.8)

В уравнениях 13.7 и 13.8 координаты колонок z i и рядов у i

излучателей ФАР рассчитываются известным образом:

z i = m · l , (13.9)

у i = n · l , (13.10)

Полученные квадратные уравнения 13.7 и 13.8 показывают, что сформированный МИО сферический фронт волны после отражения от решетки становится параболическим. Это наглядно показано на рисунке 13.5. Данное обстоятельство не допустимо, так как приводит к существенному уменьшению КНД антенны. Для получения требуемого КНД необходимо, чтобы отраженная от решетки волна имела плоский фронт.

Чтобы сформировать плоский фронт в ФАР, управляемой по рядам и колонкам, требуется рассчитать фазы токов во вторичных излучателях. Для этого, используя 13.6, следует выразить координаты z i и у i излучателей через номера колонок m и рядов n. Из рисунка 13.5 эти координаты получаются следующим образом:

z i = 0,5 sign n · (|2n| – 1) · l z , (13.11)

у i = 0,5 sign m · (|2n| – 1) ·l y. (13.12)

Из этого же рисунка рассчитываются необходимые для формирования плоского фронта начальные углы θ н и φ н отклонения оси волны, в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно.

θ н = arctg , (13.13)

φ н = arctg . (13.14)

Ф нm = – k в ×z i ×sinθ н ×sinφ н, (13.15)

Ф нn = – k в ×y i ×sinθ н ×cosφ н. (13.16)

Теперь можно получить искомую начальную фазу для каждого излучателя с номером mn, обеспечивающую формирование волны с плоским фронтом.

Ф нn +Ф нm . (13.17)

Из анализа 13.13-13.17 можно заключить, что для соответствующих рядов и колонок конкретной антенны начальные фазы Ф нn и Ф нm const. Поэтому они рассчитываются заранее и вводятся в виде пропорциональных начальных напряжений в каждую шину управления рядом и колонкой фазовращателей.

Сложение начальных напряжений производится теми же сумматорами S, которые осуществляют формирование управляющих фазированием напряжений.

Следует отметить, что размеры реальных моноимпульсных облучателей существенно отличаются от точки. На практике облучение решетки производится площадью раскрыва облучателя. Более того, каждый МИО имеет свои особенности и присущую только ему ДН. Поэтому показанной выше компенсации отставания фронта волны бывает недостаточно. В таких случаях начальные условия и математический аппарат для расчета Δr zi , Δr yi определяются исходя из конструктивных особенностей антенны.