Посвященная антеннам. Продолжая тему, хочу рассказать хабраобществу о принципах работы фазированных антенных решеток (ФАР). ФАР нашли широкое применение в радиолокационных комплексах, противоракетной обороне, космической связи; применение в гражданских объектах (коммерческих) затруднено сложностью изготовления и дороговизной. Возможно кто-то заинтересуется тематикой и придумает эффективное применение ФАР для коммерческого применения.
Что это?
ФАР это группа излучателей (фазовращателей, ФВ), в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно по определенному закону так, что эффективное излучение ФАР усиливается в желаемом направлении и подавляется во всех остальных. ФАР это матрица, где элементом матрицы является ФВ, но конечно же ФВ в пространстве могут иметь и другие конфигурации. На рисунке 1 показана РЛС секторного обзора «Имбирь», входит в состав зенитно-ракетного комплекса С300В. Можно увидеть и ФАР, и облучающий рупор.Рисунок 1.
Как происходит фазирование?
Есть простая формула из курса физики: V = c/sqrt(mu*eps). В этой формуле V – фазовая скорость электромагнитной волны, с c – скорость света в вакууме, mu – магнитная проницаемость, eps – диэлектрическая проницаемость. Из этой формулы видно, что фазовая скорость зависит от мю и эпсилон, и меняя эти величины мы можем вводить задержку ЭМ волны через ФВ. Поэтому ФВ бывают ферритовые (можем менять их магнитную проницаемость) и сегнетоэлектрические (можем менять их диэлектрическую проницаемость). Питание к фазовращателям осуществляется по воздушному тракту (как на рис. 1) или посредством волноводов (например, в малогабаритных зенитно-ракетных комплексах, рис. 2).Рисунок 2. ЗРК «Тор».
Схема ФАР на рис. 4 : антенна представляет собой линейку излучателей, между разделителем мощности и излучателями включены ФВ. Ферритовый ФВ представляет собой аналоговый феррит цилиндрической формы, на который намотаны обмотки управления. Изменяя ток в обмотках управления (задается блоком управления ФВ) изменяется магнитная проницаемость и соответственно фазовая скорость ЭМ волны в ФВ. Таким образом, последовательно изменяя уровень сигнала управления в обмотках процесс формирования волнового фронта может представлен как показано на рисунке 3, 4 (одномерный случай). Можно провести аналогию с камешками, которые последовательно кидаем в воду. Еще одной аналогией работы ФАР может служить линза. На рисунке 5 показано изменение формы волнового фронта с помощью линзы .
Рисунок 3. Формирование волнового фронта.
Рисунок 4. Схема ФАР.
Рисунок 5.
Рисунок 6. Типичная диаграмма направленности.
Электрическое сканирование обеспечивает создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных – каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всего радиоустройства, в которое входит ФАР .
Рисунки к статье можно найти в указанной литературе, кроме рисунка 3. Для более подробного ознакомления с ФАР и управлением ими могу порекомендовать книгу Самойленко и Шишова, «Управление фазированными антенными решетками».
Литература:
1. О. Г. Вендик, «Фазированная антенная решетка – глаза радиотехнической системы», 1997 г.Эли Брукнер
Постоянно вращаюшаяся антенна радиолокатора, направляющая высокочастотные сигналы к линии горизонта с целью обнаружения удаленных объектов, является неотъемлемым элементом панорамы современного аэродрома. Однако во многих наиболее известных областях применения радиолокации, таких, как авиация, противовоздушная оборона и разведка, механически управляемое зеркало антенны начинает заменяться устройством нового типа. Расположенный в одной плоскости набор небольших идентичных антенн, каждая из которых способна передавать и принимать сигналы, заменяет вогнутый рефлектор. Луч, создаваемый этим набором антенн, перемещается, обозревая воздушное пространство, а сама антенная система остается неподвижной. Направление электромагнитного излучения, генерируемого радиолокатором, задается специальным электронным устройством, причем в основе управления лучом лежит использование явления интерференции электромагнитных волн. Это техническое новшество, используемое в радиолокационных системах, получило название фазированных антенных решеток. Основные принципы построения радиолокационных станций при этом остаются прежними.
В основе работы всех радиолокационных станций лежит направленное излучение радиосигналов. Как правило, частота излучения лежит в микроволновом диапазоне, от 3 108 до 1010 Гц, хотя некоторые типы радиолокационных станций с очень большой дальностью действия работают в диапазоне высоких частот (ВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ), или соответственно в диапазонах от 3 106 до 3 107 Гц и от 3 107 до 3 108 Гц. В зависимости от формы антенна излучает узкий остронаправленный луч, пригодный для точного слежения за целью, или же широкий веерообразный луч, наиболее подходящий для обзора широких областей воздушного пространства.
Когда посланный антенной сигнал достигает объекта, он отражается. Если мощность передаваемого импульса, чувствительность антенны и отражающая способность объекта достаточно велики, попадающий на антенну отраженный сигнал может быть зафиксирован радиолокационной станцией. В зависимости от типа радиолокатора и вида излучаемого импульса отраженный сигнал несет различную информацию о цели.
Направление, с которого приходит отраженный сигнал, определяет местоположение объекта, и если радиолокационная станция излучает импульсы энергии, а не непрерывный сигнал, то по времени запаздывания между посылкой импульса и приемом отраженного сигнала можно судить и о расстоянии до объекта. В некоторых радиолокационных станциях предусмотрено измерение доплеров-ского смещения частоты отраженного сигнала (т.е. разности частот прямого и отраженного сигналов), которое имеет место, когда источник излучения (в данном случае цель) и приемник (радиолокатор) движутся относительно друг друга. По величине доплеровского смещения вычисляется скорость объекта в направлении к антенне или от нее.
Для заданного расстояния до объекта интенсивность отраженного сигнала дает некоторое представление о размерах объекта. Слово «представление» используется здесь преднамеренно: два объекта одних и тех же размеров, если они имеют различную форму или же сделаны из различных материалов, будут посылать отраженные сигналы, существенно различающиеся по интенсивности. Чтобы получить более точную информацию о размерах объектов, некоторые радиолокационные станции передают такие короткие импульсы, что они физически короче целей, которые они могут встретить на пути своего распространения. Если радиолокационная станция излучает энергию только в течение нескольких миллиардных долей секунды, то к тому времени, когда передача импульса закончится, его фронт пройдет расстояние в пространстве порядка одного или нескольких метров. Такой импульс в пространстве имеет меньшую протяженность, чем, например, самолет. Радиосигналы отражаются как от дальних, так и от ближних поверхностей цели, и в случае чрезвычайно короткого импульса образуются два отраженных сигнала. Временной интервал между этими двумя отраженными сигналами соответствует длине цели.
Поскольку радиолокатор обычного типа обозревает широкие области воздушного пространства, то он может собирать информацию о большом количестве объектов. Однако между последовательными моментами, когда одна и та же цель оказывается в поле зрения радиолокатора, неизбежно существует некоторый (иногда значительный) временной интервал. Скорость обновления информации о цели, т.е. частота, с которой одна и та же цель фиксируется радиолокатором, для большинства станций с вращающейся антенной не превышает скорости поворота зеркала антенны вокруг своей оси. В радиолокационных станциях систем управления воздушным движением, например, зеленая линия радиальной развертки, которая движется по экрану, оставляя на нем отметки, характеризующие новое местоположение самолета и несущие другую информацию о нем, поворачивается с той же скоростью, с какой вращается само зеркало антенны. Обновление информации о наблюдаемом объекте в таких радиолокационных станциях производится обычно через каждые шесть секунд, и даже в самых совершенных станциях военного назначения обновление информации редко производится чаще двух раз за одну секунду.
Существуют обстоятельства, при которых новую информацию о положении и перемещении целей требуется получать более часто. Один радиолокатор с механически управляемой антенной может обеспечить непрерывное получение данных об одном или нескольких близко расположенных друг от друга объектах путем постоянного слежения за ними с помощью поворота антенной системы. Однако для решения многих боевых задач и задач разведки, как, например, слежение с военного корабля за несколькими ракетами, движущимися к нему с различных направлений, или внимательное наблюдение за полетом нескольких компонентов разделившейся боеголовки при проведении испытаний межконтинентальных баллистических ракет, каждая из большого количества целей должна наблюдаться непрерывно. До недавнего времени в таких случаях прибегали к использованию нескольких радиолокационных станций, каждая из которых предназначалась для слежения за одной или несколькими целями. С появлением радиолокационных станций с фазированной антенной решеткой необходимость использовать в подобных случаях несколько радиолокаторов с механически управляемыми антеннами отпала. Теперь их может заменить всего одна станция, оснащенная новой антенной системой. В качестве примера можно привести радиолокационную станцию с кодовым названием COBRA DANE, имеющую фазированную антенную решетку; она установлена на берегу Берингова моря и может следить одновременно за сотнями целей, рассредоточенных в пространстве, ограниченном 120° по азимуту и примерно 80° по углу места. В действительности радиолокационная станция наблюдает за этими целями одновременно путем автоматического перебрасывания своего луча с одной цели на другую за время, измеряемое микросекундами.
Электронное управление лучом, благодаря которому достигаются такие замечательные возможности, основано на использовании простого физического явления. Когда расположенные рядом источники излучают энергию одновременно на одной и той же частоте, то исходящие из этих источников волны складываются. Это явление называется интерференцией. Характер взаимодействия двух волн от двух разнесенных в пространстве источников зависит от сдвига фаз между этими волнами. Если гребни и впадины одной волны соответственно совпадают с гребнями и впадинами другой волны (сдвиг фаз равен 0), то результирующее колебание будет иметь суммарную амплитуду. Если волны находятся не в фазе и их гребни и впадины не совпадают, то результирующий сигнал будет ослабленным или (при сдвиге фаз 180°) равным 0.
Фазированная антенная решетка обычно собирается из расположенных в одной плоскости и на одинаковом расстоянии друг от друга излучающих элементов, к которым подводятся равные по амплитуде и совпадающие по фазе сигналы микроволнового диапазона. Задающий генератор генерирует сигнал, а транзисторы и специальные лампы, предназначенные для работы в микроволновом диапазоне, такие, как лампы бегущей волны, усиливают его. Если сигналы излучаются в фазе со всех элементов решетки, то их амплитуды складываются в определенных точках пространства вдоль линии, перпендикулярной к плоскости решетки. Следовательно, излучаемый сигнал будет сильным, а сигнал, отраженный от объектов, лежащих на пути его распространения вдоль оси, перпендикулярной плоскости антенной решетки и в пределах малого угла в стороны от нее, будет иметь достаточную для его обнаружения интенсивность.
При больших углах отклонения от перпендикулярной оси антенной решетки сигналы от различных излучающих элементов должны проходить до цели неодинаковые расстояния. В результате соотношение их фаз меняется и они интерферируют, ослабляя или полностью уничтожая друг друга. Таким образом, за пределами узкого конуса, ось которого совпадает с перпендикулярной осью антенной решетки и в котором имеет место интерференция с усилением амплитуды результирующей волны, отраженные от объектов сигналы имеют малую интенсивность и обнаружить их не удается. Физические принципы, лежащие в основе формирования интерфе ренционных картин, позволяют определить ширину этого конуса. Она прямо пропорциональна рабочей длине волны излучения и обратно пропорциональна размеру антенной решетки. Если каждый элемент антенной решетки излучает сигналы в фазе с другими, то луч радиолокатора распространяется в направлении, строго перпендикулярном к плоскости решетки.
Теперь предположим, что сигналы каждого излучающего элемента задерживаются на время, которое равномерно увеличивается от элемента к элементу вдоль плоскости решетки. При этом сигнал, излучаемый каждым элементом, будет отставать на часть длины волны от сигнала соседнего элемента. В результате все сигналы будут сдвинуты по фазе относительно друг друга. Теперь зона, в которой отдельные сигналы совпадают по фазе и, складываясь, дают сигнал суммарной амплитуды, с помощью которого можно обнаруживать цели, расположена не вдоль перпендикулярной оси решетки, а смещена в направлении увеличения задержки сигнала. Угол отклонения луча зависит от сдвига фаз сигналов, излучаемых соседними элементами антенной решетки, размера последней и длины волны. И в этом случае луч принимает форму узкого конуса, окруженного областями ослабляющей интерференции. Таким образом луч радиолокатора оказывается отклоненным без изменения положения антенны.
Когда отраженный сигнал возвращается от цели, которая находится в этом новом направлении, определяемом нарастающим сдвигом фаз, цепь, обеспечивающая временную задержку передаваемого сигнала, вводит новую серию задержек отдельных сигналов, приходящих на каждый из излучающих элементов. Поскольку фронт возвращающейся волны достигает антенной решетки под углом к ее плоскости, элементы антенны, которые излучали сигнал последними (они расположены ближе к цели), принимают отраженный импульс первыми. Поэтому та же серия задержек, за счет которой создается заданная направленность излучения, обеспечивает поступление всех составляющих отраженного сигнала в приемное устройство в одной фазе, что дает возможность производить их обработку для получения информации о цели.
Управление задержкой по фазе дает возможность отклонять луч антенной решетки обычного типа на угол до 60° от перпендикулярной оси, что обеспечивает поле обзора 120° по азимуту, т.е., сохраняя антенну неподвижной, радиолокатор обозревает третью часть круговой линии горизонта, а если плоскость решетки имеет достаточный наклон, то и от горизонта к зениту и далеко за него. Поскольку управление лучом при этом не связано ни с какими механическими перестройками, перемещение луча в пределах всей зоны обзора занимает всего несколько микросекунд. При использовании ЭВМ для расчета нужных сдвигов по фазе с целью отклонения луча на желаемый угол и для управления схемой задержки сигналов радиолокационная станция с фазированной антенной решеткой, такая, как COBRA DANE, может одновременно осуществлять слежение за несколькими сотнями целей.
Электронное устройство, которое обеспечивает управление лучом радиолокатора и создает требуемую задержку микроволнового сигнала при подаче на каждый элемент антенной решетки, называется фазо- сдвигающим устройством. Оно состоит из отрезков кабеля или волновода очень точных размеров. Увеличение длины кабеля, по которому сигнал от генератора или усилителя подводится к излучающему элементу, приводит к задержке времени прохождения сигнала. На практике невозможно сделать так, чтобы длина всех кабелей, по которым сигналы подаются к излучающим элементам фазированной антенной решетки, менялась плавно, обеспечивая непрерывное изменение задержек по фазе. Поэтому сдвиг фазы производится скачками. Каждый элемент антенной решетки соединен с несколькими кабелями различной длины. Для получения фазовых сдвигов, обеспечивающих заданное отклонение луча, в каждую цепь включается определенная комбинация кабелей.
В применяемой для разведывательных целей радиолокационной станции COBRA DANE, например, используются трехэлементные фазо-сдвигающие устройства. Каждое такое устройство имеет три полосковые линии различной длины, своего рода волноводы, которые обеспечивают передачу колебаний микроволнового диапазона вдоль узкой медной полоски, расположенной между двумя заземленными медными пластинами. Одна из полосковых линий увеличивает длину пути прохождения сигнала на величину, равную половине длины волны, около 15 см, так как рабочая частота радиолокационной станции COBRA DANE составляет примерно 1 ГГц. Это обеспечивает сдвиг фазы сигнала на 180° по отношению к незадержанному сигналу. Другая полос-ковая линия обеспечивает задержку сигнала на четверть длины волны, т.е. обеспечивает сдвиг фазы на 90°. Длина третьей полосковой линии такова, что в ней создается задержка, равная одной восьмой длины волны, что соответствует фазовому сдвигу 45°. В различных комбинациях эти три полосковые линии могут изменять фазу сигнала на любое число градусов, кратное 45, от 0 до 315°.
Ступенчатое изменение величины фазовой задержки должно, вероятно, приводить к появлению мертвых зон. Каким же образом, используя восемь различных величин запаздывания по фазе с интервалом 45 °, можно обеспечить непрерывное перемещение луча радиолокатора? Ответ на этот вопрос заключается в свойствах картин интерференции. Всякий раз, когда разность фаз между сигналами, излучаемыми с противоположных сторон антенной решетки, достигает 360°, или одной длины волны, область интерференции, где формируется луч с суммарной амплитудой, будет сдвигаться в пространстве на расстояние, приблизительно равное собственной ее ширине. Поэтому, чтобы сместить луч, перпендикулярный плоскости антенной решетки (такое направление он имеет, когда все сигналы излучаются в фазе), в соседнее положение без образования между этими двумя положениями мертвой зоны, суммарный фазовый сдвиг вдоль плоскости антенной решетки должен составлять примерно 360°.
Увеличиваются ли при этом фазовые сдвиги вдоль плоскости решетки непрерывно или ступенчато (через 45°) - не имеет значения. Ступенчатое изменение фазовых сдвигов приводит лишь к небольшому снижению мощности излучения и некоторой потере чувствительности антенной системы. Чтобы обеспечить более плавное перемещение луча антенной решетки с трехэлементными фазосдви-гающими устройствами, можно задать меньшую суммарную величину сдвига фазы, например, 180°, т.е. четыре раза по 45°.
Если луч нужно отклонить от перпендикулярного направления на величину, большую, чем его ширина, суммарное изменение фазы вдоль плоскости антенной решетки должно превысить 360°. Из-за периодического характера электромагнитных колебаний фазовый сдвиг на кратное число длин волн эквивалентен 360°. Для суммарного изменения фазы более чем на 360° линейное увеличение задержки фазы от нуля до 360° должно повторяться несколько раз на всей плоскости антенной решетки. Первая серия задержек обеспечивает суммарный сдвиг фазы на одну длину волны, вторая серия увеличивает его до двух длин волн и т.д. Графически изменение величины фазовой задержки вдоль плоскости антенной решетки представляется в виде зубьев пилы: чем круче их скосы и чем больше их количество, тем резче отклоняется луч.
Из простых геометрических правил следует, что с увеличением отклонения луча от перпендикулярного направления эффективная площадь антенны уменьшается. В результате чувствительность фазированной антенной решетки к отраженным от цели сигналам быстро падает при углах отклонения луча от перпендикулярной оси более чем на 60°. Поэтому одна фазированная антенная решетка не может обеспечить такую же возможность обзора во всех направлениях, как механически поворачиваемые антенны. Одним из решений этой проблемы является использование нескольких антенных решеток, обращенных своими плоскостями в разные стороны. Другим способом расширения зоны обзора фазированной антенной решетки является расположение ее в горизонтальной плоскости под куполообразной линзой, которая отражает излучение, и за счет этого угол отклонения луча радиолокационной станции увеличивается. Когда антенная решетка формирует луч под углом 60° к зениту, использование линзы может обеспечить еще большее его отклонение, вплоть до 90° к зениту, т.е. в направлении на горизонт. Таким образом линза позволяет осматривать с помощью антенной решетки всю полусферу воздушного пространства. Линза может быть выполнена из специальной керамики или пластмассы, которая отражает излучение микроволнового диапазона. Она может также выполнять роль фазосдвигающих устройств второй ступени, чтобы дополнительно задерживать фазу сигнала, излучаемого антенной решеткой.
Когда управление фазой используется для посылки короткого импульса под большим углом к перпендикулярной оси антенной решетки, излучаемый импульс неизбежно будет искажаться - растягиваться во времени и пространстве. Предположим, что антенна излучает импульс длительностью 5 не. Если излучение радиолокационной станции направлено строго перпендикулярно к плоскости антенной решетки, то импульс имеет в пространстве прямоугольное продольное сечение; его ширина равна ширине антенной решетки, а длина - расстоянию, которое электромагнитная волна проходит за 5 не, т.е. 1,5 м. Если, с другой стороны, за счет сдвига фаз луч значительно отклоняется от перпендикулярной оси, то продольное сечение импульса будет иметь форму параллелограмма. По отношению к цели длина импульса окажется больше 1,5 м, поскольку сигналы, излучаемые отдельными элементами антенной решетки, достигают цели не одновременно, а последовательно. Отраженный импульс, который возвращается к антенной решетке, также будет растянутым.
Для обнаружения целей и слежения за ними обычно используются импульсы намного большей длительности, например 1000 нc, и искажение в пределах нескольких наносекунд имеет малое значение. Растягивание импульса в свою очередь мало влияет на способность радиолокационной станции определять по характеру отраженного сигнала местоположение и скорость цели. Для раздельного наблюдения целей, движущихся в тесном строю, однако, требуется излучать короткие импульсы. Они же необходимы для определения размеров цели по сигналам, отраженным от ее передней и задней поверхностей. Если передаваемый короткий импульс растягивается, то отраженные сигналы уже не приходят раздельно, а сливаются, что затрудняет получение требуемой информации.
Метод, подобный тому, который используется для управления лучом с помощью сдвига фаз сигналов, помогает и в этом случае; он позволяет сохранять форму импульса. Для обеспечения требуемого сдвига фаз необходимо производить задержки сигналовтолько на время, соответствующее частям длины волны. Задержки же, которые необходимы, чтобы избежать растягивания импульса, эквивалентны целому числу длин волн. При этом излучение сигналов отдельными элементами антенной решетки производится последовательно, причем опережение в излучении каждого сигнала по отношению к следующему пропорционально расстоянию, которое сигнал должен пройти до цели. В результате достигается тот же эффект, как если бы антенная решетка поворачивалась, удерживая цель в направлении перпендикулярной оси. Этот метод известен как управление лучом с помощью временных задержек. Подобно методу, в котором используется увеличение фазовых задержек, он дает возможность посылать в заданном направлении сигнал когерентного и поэтому мощного излучения.
Такие большие задержки, эквивалентные расстоянию в несколько метров, которое проходит сигнал, требуют включения отрезков кабеля соответствующей длины в цепь прохождения сигнала от генератора или усилителя до излучающего элемента. Большая фазированная антенная решетка может включать в себя много тысяч излучающих элементов, и если бы каждый имел свою цепь временной задержки, то радиолокационная установка была бы чрезвычайно сложной и дорогой. Поэтому конструкторы радиолокационных станций стремятся изыскать компромиссное решение, при котором одновременно достигались бы и нужная форма импульса, даже при больших углах отклонения направления излучения от перпендикулярной оси антенной решетки, и конструктивная простота. В результате в современных радиолокаторах с фазированными антенными решетками управление лучом осуществляется как с помощью сдвига фаз, так и с помощью временных задержек.
В радиолокационной станции COBRA DANE, например, каждый из 15 360 излучающих элементов связан с отдельным трехэлементным фазосдвигающим устройством, поэтому сдвиг фазы каждого сигнала производится отдельно. В режиме обнаружения целей радиолокационная станция излучает импульсы длительностью 1000 нc, и луч управляется только посредством введения фазовых задержек. Поскольку назначение радиолокационной станции состоит в слежении за баллистическими ракетами, она должна обеспечивать получение информации об их размерах после обнаружения. С этой целью антенная решетка разделена на 96 участков, каждый из которых включает 160 излучающих элементов. После того как цель обнаружена, станция начинает излучать импульсы очень малой длительности, и сигналы, подводимые к каждому участку антенной решетки, предварительно проходят по цепи временной задержки. Эти цепи аналогичны фазосдвигающим устройствам, но значительно больше по размеру. Они состоят из набора коаксиальных кабелей различной длины, и любая их комбинация может быть включена в цепь для создания временных задержек, соответствующих прохождению сигнала на расстояние от одной до 64 длин волн, или около 19,2 м, так как рабочая частота радиолокационной станции COBRA DANE равна примерно 1 ГГц.
Поскольку поперечный размер отдельных участков антенной решетки составляет около 2,7 м, что мало по сравнению с ее диаметром, равным 29 м, то искажения, которые возникают в каждом участке решетки при больших углах отклонения луча от перпендикулярной оси, лежат в допустимых пределах. Каждый участок антенной решетки излучает сигнал, занимающий в пространстве объем, продольное сечение которого имеет форму параллелограмма. За счет временных задержек эти сигналы суммируются так, что искажения отдельных сигналов не складываются. В результате форма импульса сохраняется достаточно хорошо, а устройств, обеспечивающих временные задержки сигналов, при этом используется только 96, а не 15 360. Что касается расхода материалов, то обеспечение управления лучом радиолокационной станции COBRA DANE путем введения временных задержек потребовало дополнительного использования кабелей общей длиной чуть больше 1500 м. Если бы не применялось разделение антенной решетки на отдельные участки, то дополнительно потребовалось бы 165 км кабеля.
Замена подвижной антенны набором неподвижных излучающих элементов помимо возможности электронного управления лучом может дать и другие преимущества. Одним из этих преимуществ является обеспечение высокой надежности в работе. Работа неподвижной антенной решетки не зависит от состояния таких изнашиваемых механических компонентов, как подшипники и двигатели. Кроме того, в большинстве радиолокационных станций с механическим управлением антенной используется одна или несколько очень больших электронных ламп для усиления сигналов микроволнового диапазона.
В качестве примера можно привести радиолокационную станцию Marconi Martello, изготовленную в Великобритании и предназначенную для использования в системе противовоздушной обороны. Основным схемным элементом в этой станции является электронная лампа с выходной мощностью около 3 МВт. В случае ее отказа вся система выходит из строя. Правда, в таких радиолокационных станциях, предназначенных для работы в системах разведки и противовоздушной обороны, всегда предусматривается возможность быстрого переключения на вспомогательные источники энергии микроволнового излучения.
В противоположность этому в радиолокационной станции COBRA DANE излучаемая энергия генерируется 96 лампами, каждая мощностью 160 кВт. Выходной сигнал с каждой лампы поступает на делитель, а затем на 160 излучающих элементов, составляющих один участок антенной решетки. Отказ одной лампы в данном случае приводит к выходу из строя только одной из 96 частей антенной решетки, и радиолокационная станция в целом остается работоспособной, хотя качество ее работы несколько ухудшается. Более того, лампы меньшего размера в случае отказа заменять легче, чем одну большую лампу, используемую в радиолокационной станции Martello.
Радиолокаторы с фазированными антенными решетками со схемой на полупроводниковых элементах имеют еще более высокий уровень надежности и легкости в эксплуатации. Транзисторные схемы генераторов и усилителей используются, например, в радиолокационных станциях с кодовым названием PAVE PAWS, предназначенных для обнаружения баллистических ракет, запускаемых с кораблей и подводных лодок (такие станции уже установлены на п-ве Кэйп-Код и в штате Калифорния, и их размещение планируется в штатах Джорджия и Техас). В отдельных модулях смонтировано по четыре параллельно включенных транзистора мощностью по 100 Вт. Каждый модуль обеспечивает возбуждение одного излучающего элемента. Таким образом, сигналы, подводимые к каждой из двух поверхностей сдвоенной антенны, усиливаются одновременно 1792 модулями в цепи антенных элементов, а не 96 лампами, так что отказ в работе одного элемента еще меньше влияет на характеристики радиолокационной станции в целом. К тому же среднее время между двумя отказами для одного полупроводникового модуля значительно больше, чем для лампы, используемой в радиолокационной станции COBRA DANE. В первом случае этот показатель равен 100 000 ч, во втором - 20 000 ч. При отказе модулей, имеющих длину 30 см и работающих от источника напряжения 28 В, заменять их намного легче, чем лампы в радиолокационной станции COBRA DANE, имеющие длину 1,5 м и работающие под напряжением 40 000 В.
В радиолокационной станции PAVE PAWS, как и во многих других, построенных на полупроводниковых элементах, усиление сигналов производится после того, как они будут распределены по антенным элементам и сдвинуты по фазе. Поэтому потери мощности, которые имеют место при прохождении усиленного сигнала через делитель и цепи фазосдви-гающего устройства, исключаются. Однако наряду с этим выигрышем в эффективности и всеми другими преимуществами полупроводниковая технология имеет и недостаток. Она в общем обеспечивает меньшие значения пиковых мощностей по сравнению с теми, какие можно получить с помощью электронных ламп.
Оограничения, связанные с возможностью получения в радиолокаторах на полупроводниковых элементах сигналов большой мощности, повысили важность так называемого метода кодирования и сжатия импульсов, с помощью которого можно имитировать короткие импульсы большой мощности при излучении менее мощных и больших по длительности сигналов. Этот прием не утрачивает своей важности и в случае использования мощных радиолокационных станций на электронных лампах как с механически управляемыми антеннами, так и с фазированными антенными решетками, когда требуется получить определенную информацию об удаленных объектах.
Дальность, на которой радиолокационная станция с заданной чувстри-тельностью приемного тракта может обнаруживать объекты определенного размера и с определенной отражательной способностью, зависит от общей энергии импульса. Чем короче импульс, тем выше должна быть пиковая мощность излучения при заданной дальности действия. Радиолокационная станция COBRA DANE может обнаруживать металлические объекты величиной с грейпфрут на расстоянии около 2000 км. Для этого при длительности импульса 5 нc пиковая мощность излучения должна быть не меньше 3 1012 Вт, что более чем достаточно для разрушения всех цепей радиолокационной станции.
И все же определить размеры объекта или же раздельно наблюдать ряд объектов, летящих на близком расстоянии друг от друга, можно только с помощью импульсов малой длительности. То, что дальность действия радиолокационной станции определяется не пиковой мощностью, а общей энергией импульса, помогает найти решение. Оно заключается в следующем. Когда радиолокатор работает в режиме передачи, излучаемый импульс растягивается и соответственно снижается пиковая мощность. Этот прием называется кодированием импульса. В режиме приема производится сжатие отраженного сигнала с целью извлечения из него всей информации, которая могла бы быть получена при передаче действительно короткого импульса. В радиолокационной станции COBRA DANE, например, импульс длительностью 5 нc перед тем, как он усиливается и излучается, растягивается в 200 тысяч раз и его длительность становится равной 1 мс. Требуемая пиковая мощность снижается в такое же число раз - с 3 1012 Вт до 15 МВт, фактической мощности излучения COBRA DANE.
При обычной технике кодирования импульс длительностью 5 нс, включающий в себя спектр частот, проходит через дисперсионную линию задержки, которая вызывает различное запаздывание отдельных составляющих этого спектра: чем выше частота составляющей, тем больше задержка; составляющая сигнала с самой низкой частотой излучается без задержки, в то время как составляющая с самой высокой частотой получает максимальную задержку, равную 1 мс. После этого импульс, имеющий уже длительность 1 мс, усиливается и излучается; принимаемый отраженный сигнал имеет ту же длительность.
Принятый сигнал пропускается через цепь сжатия, которая вводит ряд дополнительных задержек. На этот раз длительность задержек связана с частотой обратным образом. Составляющая спектра импульса с самой низкой частотой получает задержку, равную 1 мс, а составляющая с самой высокой частотой не получает никакой задержки. Таким образом, в процессе выполнения операции кодирования и сжатия импульса каждая из составляющих спектра сигнала получает одну и ту же суммарную задержку. В результате отраженный сигнал получается неискаженным, имеющим длительность 5 нc.
Если излученный импульс длительностью 1 мс, который в пространстве имеет длину, равную 300 км, при рас пространении встречает объект, который значительно короче его, то импульс возвращается обратно в виде двух, перекрывающих друг друга отраженных сигналов. Обычным способом такие отраженные сигналы разделить нельзя и по их относительному положению определить размеры объекта невозможно. Однако когда кодированные, перекрывающие друг друга отраженные сигналы сжимаются, на выходе получаются два различных сигнала длительностью 5 нc.
Кодирование и сжатие импульсов выполняют ту же роль и в радиолокационных станциях, построенных на полупроводниковых элементах. Даже когда нет необходимости определять размер объекта, от которого отражается сигнал, точное определение расстояния до объекта требует применения довольно коротких импульсов. Если не использовать сжатие, то с помощью импульсов длительностью 1 мс можно определить расстояние до объекта с точностью только до 150 км. Кроме того, при излучении длинных импульсов сказывается воздействие местных помех, обусловленных отражением от выпадающих осадков и от земли. В то же время полупроводниковая техника не может обеспечить получение таких мощностей, которые необходимы при работе короткими импульсами, чтобы дальность действия радиолокатора была такой же, как и при излучении импульсов большой длительности. Поэтому, чтобы при низкой мощности излучения получить большую дальность действия и высокую разрешающую способность, в радиолокаторах на полупроводниковых элементах необходимо применять кодирование и сжатие импульсов.
Первые радиолокационные станции с фазированными антенными решетками, которые начали использоваться в 60-70-е годы, были предназначены для военных и разведывательных целей. Существуют обстоятельства, при которых гражданские отрасли экономики диктуют потребности, стимулирующие развитие военной техники. В частности, гражданская авиация нуждается в получении данных о быстро перемещающихся объектах в зоне аэродрома, где прибывающие самолеты выравнивают свой курс для захода на посадку. Радиолокационные станции, контролирующие подход самолетов к полосе, направляют их на посадку, одновременно следя за дальностью самолетов и их положением относительно взлетно-посадочной полосы. Возрастающая интенсивность воздушного движения создает все большую потребность в оснащении гражданской авиации радиолокаторами с фазированными антенными решетками.
С уменьшением количества излучающих элементов стоимость фазированной антенной решетки снижается. В большинстве областей применения радиолокационной техники антенные системы должны иметь большое количество излучающих элементов. Маленькая антенная решетка имеет менее сфокусированный и, следовательно, более широкий луч. Это снижает ее разрешающую способность по угловым координатам, а малая площадь не может обеспечить высокую чувствительность к отраженным сигналам. Когда не требуется обозревать большую область воздушного пространства, оба этих недостатка антенной решетки малого размера могут быть преодолены путем объединения ее с большим рефлектором.
Поле обзора радиолокационной станции управления заходом на посадку самолетов не должно быть большим. Обычно такая радиолокационная станция должна просматривать пространство в пределах около 10° по азимуту и от 7 до 14° по углу места. Поэтому для этих целей можно использовать гибридную систему, состоящую из фазированной антенной решетки и традиционного рефлектора. В одной из конструкций радиолокатора используется антенная решетка с 443 излучающими элементами, которая работает совместно с отражателем, имеющим размеры 3,96x4,57 м. Решетка располагается вблизи фокуса рефлектора, который отражает луч при любом угле излучения антенной решетки. В данном случае рефлектор действует как линза, фокусируя луч и снижая его боковое рассеяние. Отраженные лучи становятся уже и вписываются в более узкий угол в пространстве. В результате улучшается способность решетки разрешать две цели в пределах малого угла и определять точный азимут одиночной цели. Рефлектор также увеличивает чувствительность к отраженному сигналу. В будущем в радиолокации найдут применение новые достижения в области схемотехники. Использование в радиолокационной технике элементной базы, подобной цифровым интегральным микросхемам, применяемым в вычислительной технике, значительно снизит количество и размер компонентов, необходимых для генерирования, приема и обработки сигналов. Новые элементы на арсенид-галлиевых кристаллах, известные как монолитные микроволновые интегральные микросхемы, объединяют в себе фазосдвигающие устройства, переключатели и транзисторные усилители. Приемопередающий модуль, содержащий все цепи, необходимые для создания одного излучающего элемента фазированной антенной решетки, уже сейчас может быть полностью собран только на 11 таких микросхемах. А пока для построения приемо-передающих модулей на полупроводниковых элементах требуются сотни деталей.
Развитие электроники со временем позволит вкл
Активные фазированные антенные решетки (АФАР) уже в течении ряда лет применяются в различных РЛС наземного базирования. Целесообразность использования АФАР для бортовых РЛС требует убедительных обоснований, так как замена существующих бортовых фазированных антенных решеток на активные приводит к существенному увеличению стоимости антенных систем, что должно быть оправдано расширением функциональных возможностей, улучшением характеристик и параметров АФАР по сравнению с ФАР. Созданные в последнее время приемопередающие модули (ППМ) АФАР, включают фазовращатели, аттенюаторы, усилители, а также возможность управления поляризацией, и позволяют рассматривать построение бортовой АФАР с новых позиций и аргументировать целесообразность перехода к АФАР.
Остановимся на целесообразности использования АФАР для РЛС. На борту летательных аппаратов (ЛА) имеется значительное число антенн различных радиосистем. Поэтому возникла задача о создании ФАР, обеспечивающей совместную работу различных бортовых радиосистем (радиоэлектронной борьбы (РЭБ), опознавания, РЛС, связи, навигации и др.). Такая совмещенная антенна носит в литературе название антенны интегрированного радиокомплекса, многофункциональной антенны или АФАР. Создание подобных бортовых совмещенных систем ФАР пока удалось осуществить только для РЛС и опознавания. Это привело к значительным потерям характеристик, особенно по УБЛ.
Построение совмещенных антенных систем возможно на базе АФАР, так как:
в АФАР, в отличии от ФАР, возможно осуществление широкоугольного сканирования с обзором более полусферы; большая надежность системы;
независимая оптимизация характеристик в режиме передачи и приема, а также в помеховой обстановке, благодаря наличию в каждом элементе решетки ППМ с фазовращателем и аттенюатором;
осуществление формирования нескольких независимых управляемых лучей с потерей усиления и без потери усиления при использовании одной излучающей поверхности или различных ее частей в режиме приема и передачи;
наличие в ППМ возможности управления поляризацией излучателей в ФАР и устройств коммутации позволяет реализовать конформные антенные решетки с широкоугольным сканированием;
построение выпуклой АФАР позволяет сделать антенну более широкополосной;
реализация АФАР в виде конформной антенной решетки позволяет использовать поверхность
Одновременно отметим трудности и недостатки, связанные с применением АФАР:
резко возрастает стоимость антенны;
низкий КПД -25%, в отличии от электровакуумных электронных приборов - КПД -50%;
конструктивные трудности, связанные с теплоотводом и размещением модулей, их соединительной системы возбуждения и линий управления, насчитывающих тысячи проводников;
необходимость значительных разработок по метрологическому обеспечению для определения входных и выходных характеристик ППМ, частотных зависимостей электрических длин ППМ;
значительно больший разброс параметров в модулях, состоящих из излучателей, ППМ и устройств возбуждения;
дополнительные внеполосные и побочные излучения в силу разброса характеристик различных усилителей , которыми будут обладать характеристики излучаемых сигналов;
частичная корреляция шумов в отдельных усилителях в режиме приема, что может ухудшить шумовые свойства системы .
Отмеченные недостатки требуют специальной проработки. Для этого необходимо знать параметры отдельных модулей с допусками.
Рис. 5.1. Вариант построения МБАФАР под обтекателем с плоской ФАР радиусом и двумя дополнительными плоскими решетками (450 мм)
Целью настоящей работы является поиск путей построения многофункциональной бортовой активной фазированной антенной решетки (МБАФАР) для перспективного самолета пятого поколения, обеспечение максимального усиления и выявление возможности совмещения систем опознавания,
связи, навигации и РЛС. Ранее рассмотрен возможный вариант построения антенны, состоящей из одной большой ФАР и двух дополнительных ФАР (рис. 5.1). Такое размещение связано с дальностью действия и сектором обзора (рис. 5.2).
Многофункциональная бортовая АФАР должна иметь следующие характеристики:
желаемый сектор сканирования ±135° в угломестной плоскости и 360° в азимутальной плоскости;
рабочий диапазон - 8-10,5 ГГц (диапазон работы ППМ);
диаметр решетки в носовой части - 760 мм;
диаметр боковых решеток - 450 мм (в варианте рис. 5.1);
требуемая дальность и сектор обзора показаны на рис. 5.2.
Рис. 5. 2. Требования к МБАФАР по дальности действия и сектору обзора в плоскости поверхности Земли
Фазированная антенная решётка (ФАР ) - антенная решётка , направление излучения и (или) форма соответствующей диаграммы направленности которой регулируются изменением амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения на излучающих элементах .
Излучающий элемент (антенной решётки) - составная часть антенной решётки, антенна или группа антенн с заданным относительным возбуждением . В антенной решётке требуемая диаграмма направленности формируется благодаря специальным образом организованной интерференции электромагнитных волн, излучаемых в пространство её излучающими элементами. Для этого обеспечивают необходимое амплитудно-фазовое распределение - необходимые относительные амплитуды и начальные фазы переменных токов или полей возбуждения каждого излучающего элемента антенной решётки. Отличие фазированной антенной решётки заключается в том, что амплитудно-фазовое распределение не является фиксированным, оно может регулироваться (управляемо изменяться) при эксплуатации . Благодаря этому можно перемещать луч (главный лепесток диаграммы направленности) антенной решётки в определённом секторе пространства (антенная решётка с электрическим сканированием луча как альтернатива антенне с механическим сканированием, то есть альтернатива механически вращающейся антенне ) или изменять форму диаграммы направленности.
Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и вычислительной техники, обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т. д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов, входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиотехнических систем. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.
Преимущества
- Антенная решётка из N излучающих элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз коэффициент направленного действия (КНД) и, следовательно, коэффициент усиления антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения помехозащищенности, разрешающей способности по угловым координатам, точности пеленгации источников радиоизлучения в радиолокации и радионавигации .
- В антенной решётке возможно увеличение электрической прочности по сравнению с апертурной антенной, оснащённой одиночным облучателем [ ] .
- Важным преимуществом ФАР является возможность быстрого обзора (сканирования) пространства за счёт «качания» луча диаграммы направленности электрическими методами (по сравнению с антеннами с механическим сканированием луча). Такая ФАР является антенной с электрическим сканированием луча .
- Функциональные возможности ФАР расширяются при использовании совместно с каждым излучающим элементом активного приёмопередающего модуля. Такие ФАР называются активными .
История
Такие радары не устанавливались на самолётах главным образом из-за их большого веса, поскольку первое поколение технологии фазированных решёток использовало обычную радарную архитектуру. В то время как антенна изменилась, всё остальное ещё оставалось прежним, но были добавлены дополнительные вычислители, чтобы управлять фазовращателями антенны. Это привело к увеличению массы антенны, числа вычислительных модулей, нагрузки на систему электропитания.
Однако сравнительно высокая стоимость ФАР окупалась теми преимуществами, которые обеспечивало их применение. Фазированные антенные решётки могли в единственной антенне совместить работу нескольких антенн, почти одновременно. Широкие лучи могли использоваться для поиска цели, узкие - для сопровождения, плоские лучи в форме веера - для определения высоты, узкие направленные лучи - для полёта по ландшафту (B-1B , Су-34). Во враждебной зоне электронного противодействия выгода становится ещё больше, так как ФАР позволяют системе размещать «ноль» диаграммы направленности антенны (то есть область, где антенна не чувствительна к электромагнитному излучению, «слепа») в направлении источника помех и таким образом блокировать их попадание в приёмник. Другое преимущество - отказ от механического поворота антенны при сканировании луча, что повышает скорость обзора пространства на порядки, а также увеличивает срок службы системы, так как с введением фазирования частично отпала потребность в громоздких механизмах ориентации антенного полотна в пространстве. ФАР, состоящая из трёх-четырёх плоских полотен, может обеспечить круговой обзор пространства, вплоть до всей верхней полусферы.
Эта технология также предоставляла менее очевидные выгоды. Она могла быстро «осмотреть» маленький участок неба, чтобы увеличить вероятность обнаружения маленькой и скоростной цели, в отличие от медленно вращающейся антенны, которая может сканировать специфический сектор только однажды за оборот (обычно период обзора РЛС с вращающейся по азимуту антенной составляет от 5 до 20 секунд). Цель с малой эффективной площадью рассеяния (ЭПР) (например, низко летящую крылатую ракету) почти невозможно засечь вращающейся антенной. Способность фазированной решётки к почти мгновенному изменению направления и формы луча фактически добавляют целое новое измерение к сопровождению целей, поскольку разные цели могут быть отслежены разными лучами, каждый из которых переплетается во времени с периодически сканирующим лучом обзора пространства. Например, луч обзора пространства может охватывать 360 градусов периодически, тогда как сопровождающие лучи могут следить за индивидуальными целями независимо от того, куда в это время направлен луч обзора пространства.
Применение ФАР имеет ограничения. Одно из них - размеры сектора пространства, в пределах которого возможно сканирование луча без существенного ухудшения других показателей качества работы ФАР. Практически для плоской ФАР предел составляет 45-60 градусов от геометрической нормали к антенному полотну. Отклонение луча на большие углы значительно ухудшает основные характеристики антенной системы (УБЛ, КНД, ширину и форму основного лепестка диаграммы направленности). Это объясняется двумя эффектами. Первый из них - уменьшение эффективной площади антенны (апертуры) с ростом угла отклонения луча. В свою очередь, сокращение длины решётки в сочетании со снижением коэффициента усиления антенны уменьшает способность обнаружения цели на расстоянии.
Наибольшими возможностями управления характеристиками обладают активные ФАР , в которых к каждому излучателю или модулю подключён управляемый по фазе (иногда и по амплитуде) передатчик или приёмник. Управление фазой в активных ФАР может производиться в трактах промежуточной частоты либо в цепях возбуждения когерентных передатчиков, гетеродинов приёмников и т. п. Таким образом, в активных ФАР фазовращатели могут работать в диапазонах волн, отличных от частотного диапазона антенны; потери в фазовращателях в ряде случаев непосредственно не влияют на уровень основного сигнала. Передающие активные ФАР позволяют осуществить сложение в пространстве мощностей когерентных электромагнитных волн, генерируемых отдельными передатчиками. В приёмных активных ФАР совместная обработка сигналов, принятых отдельными элементами, позволяет получать более полную информацию об источниках излучения.
В результате непосредственного взаимодействия излучателей между собой характеристики ФАР (согласование излучателей с возбуждающими фидерами, КНД и др.) при качании луча изменяются. Для борьбы с вредными последствиями взаимного влияния излучателей в ФАР иногда применяют специальные методы компенсации взаимной связи между элементами.
Структура ФАР
Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения. Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы, часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов, щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны. Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР.
В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов:
- вдоль линии (прямой или дуги);
- по поверхности (например, плоской - в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической)
- в заданном объёме (объёмные ФАР).
Иногда форма излучающей поверхности ФАР - раскрыва, определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР. ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву (как в синфазной антенне) до направления вдоль раскрыва (как в антенне бегущей волны). Коэффициент направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах - вплоть до 4 стерадиан без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. Сканирование в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фазирования.
В качестве излучателей ФАР могут выступать :
- ненаправленные;
- слабонаправленные;
- направленные антенны.
Примером использования слабонаправленных излучателей можно назвать антенны базовых станций GSM стандарта, где в качестве излучателей используются патч-антенны . В качестве излучателей антенн LTE стандарта используются диполи и монополи .
В качестве интересного примера использования направленных антенн в конфигурации антенных решеток можно назвать проект Allen Telescope Array , использующий в качестве элементов антенной решетки зеркальные антенны для целей радиотелескопии .
Управление фазовыми сдвигами
По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР:
Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. [ ] Они обеспечивают создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка микросекунд и потерями мощности ~ 20 % [ ]). Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных - каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всего радиоустройства, в которое входит ФАР.
Помехозащищённость
Помехозащищённость системы зависит от уровня боковых лепестков антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решётка - необходимое звено для создания такого динамического пространственно-временного фильтра, или просто для уменьшения УБЛ . Одной из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники является создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций, например радионавигации , РЛС , связи и т. д. Возникает необходимость создания антенной решётки с электрическим сканированием с несколькими лучами (многолучевой, моноимпульсной и т. д.), работающей на различных частотах (совмещённой) и имеющей различные характеристики.
Математическое моделирование
Линейная антенная решетка
F (θ) = F 1 (θ) s i n [ n k d 2 (s i n θ − s i n θ M) ] n s i n [ k d 2 (s i n θ − s i n θ M) ] {\displaystyle F(\theta)=F_{1}(\theta){\frac {sin\left[{\frac {nkd}{2}}\left(sin\theta -sin\theta _{M}\right)\right]}{nsin\left[{\frac {kd}{2}}\left(sin\theta -sin\theta _{M}\right)\right]}}}
где θ {\displaystyle \theta } - диапазон углов (азимут), в которых ФАР может осуществлять сканирование, k = 2 π λ {\displaystyle k={\frac {2\pi }{\lambda }}} - волновое число , λ {\displaystyle \lambda } - длина волны (несущей), d = λ 2 {\displaystyle d={\frac {\lambda }{2}}} - шаг антенной решетки, F 1 (θ) {\displaystyle F_{1}(\theta)} - диаграмма направленности единичного излучателя антенной решетки, а θ M {\displaystyle \theta _{M}} - направление, соответствующее максимуму главного лепестка.
Стоит отметить, что данная формула справедлива только для случаев, когда амплитуды токов в излучателях равны, фазовый сдвиг изменяется по закону ψ i = (i − 1) ψ = (i − 1) k d s i n θ M {\displaystyle \psi _{i}=(i-1)\psi =(i-1)kdsin\theta _{M}} , где i {\displaystyle i} - номер фазовращателя.
Прямоугольная антенная решетка
F (θ x , θ y) = F 1 (θ x , θ y) s i n [ n x k d x 2 (s i n θ x − s i n θ M x) ] n x s i n [ k d x 2 (s i n θ x − s i n θ M) ] s i n [ n y k d y 2 (s i n θ y − s i n θ M y) ] n y s i n [ k d y 2 (s i n θ y − s i n θ M y) ] {\displaystyle F(\theta _{x},\theta _{y})=F_{1}(\theta _{x},\theta _{y}){\frac {sin\left[{\frac {n_{x}kd_{x}}{2}}\left(sin\theta _{x}-sin\theta _{Mx}\right)\right]}{n_{x}sin\left[{\frac {kd_{x}}{2}}\left(sin\theta _{x}-sin\theta _{M}\right)\right]}}{\frac {sin\left[{\frac {n_{y}kd_{y}}{2}}\left(sin\theta _{y}-sin\theta _{My}\right)\right]}{n_{y}sin\left[{\frac {kd_{y}}{2}}\left(sin\theta _{y}-sin\theta _{My}\right)\right]}}}
где θ x {\displaystyle \theta _{x}} и θ y {\displaystyle \theta _{y}} - диапазоны углов (азимут и элевация), в которых ФАР может осуществлять сканирование, θ M x {\displaystyle \theta _{Mx}} и θ M y {\displaystyle \theta _{My}} - направления максимума (азимут и элевация), d x {\displaystyle d_{x}} и d y {\displaystyle d_{y}} - расстояния между элементами по осям x {\displaystyle x} и y {\displaystyle y} , а n x {\displaystyle n_{x}} и n y {\displaystyle n_{y}} - количество элементов по осям x {\displaystyle x} и y {\displaystyle y} соответственно.
Классификация
Антенные решётки могут быть классифицированы по следующим основным признакам:
- Геометрия расположения излучателей в пространстве:
- линейные
- дуговые
- кольцевые
- плоские
- с прямоугольной сеткой размещения
- с косоугольной сеткой размещения
- выпуклые
- цилиндрические
- конические
- сферические
- пространственные
- Способ возбуждения:
- с последовательным питанием
- с параллельным питанием
- с комбинированным (последовательно-параллельным)
- с пространственным (оптическим, «эфирным») способом возбуждения
- закономерность размещения излучающих элементов в самой решётке
- эквидистантное размещение
- неэквидистантное размещение
- Способ обработки сигнала
- Амплитудо-фазовое распределение токов (поля) по решётке
- Тип излучателей
Обработка сигнала
В питающем антенную решётку тракте (фидере) возможна различная пространственно-временная обработка сигнала. Если к каждому излучателю ФАР или к группе подключается усилитель мощности, генератор сигналов или преобразователь частоты , то такие решётки называются активными фазированными антенными решётками (АФАР).
Приёмные антенные решётки с обработкой сигнала методами когерентной оптики называются радиооптическими . Приёмные антенные решётки, в которых обработка ведётся цифровыми процессорами, называются цифровыми антенными решётками .
Адаптивные АР
Приёмные антенные решётки с саморегулируемым в зависимости от помеховой обстановки амплитудно-фазовым распределением называют адаптивными . В англоязычной литературе применяется термин smart-antenna: умной антенную решетку делает её способность подстраивать свои параметры под текущие условия в целях достижения определенных выигрышей - её адаптивность. В литературе данный подход известен, как минимум, с середины 1970-х годов . В целом, для адаптивных антенных решеток можно выделить несколько главных приложений:
- Определение угла прихода (направления) электромагнитной волны (DoA estimation);
- Самофокусировка (adaptive beamforming);
- Подстройка под состояние канала (channel equalization);
- Исследования параметров канала (channel sounding).
Совмещённые антенные решётки
Совмещённые антенные решётки имеют в своём раскрыве два, или более типа излучателей, каждый из которых работает в своём частотном диапазоне .
Многолучевые антенные решётки
Иногда понятие антенной решетки смешивается с понятием MIMO технологии. Строго говоря, такая постановка вопроса неверна: для реализации технологии MIMO необходимы, как минимум, две антенны на передающей стороне и две антенны на приёмной, в то время как под термином ФАР, в классическом понимании
С управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет: формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН √ луч); изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование √ качание луча (см., например, Сканирование в радиолокации); управлять в определённых пределах формой ДН √ изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей). Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и ЭВМ обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т.д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов (иногда 104 и более), входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения. Структура ФАР. Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения (рис. 1 ). Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы, часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов, щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны . Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР. В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов: вдоль линии (прямой или дуги); по поверхности (например, плоской √ в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической) или в заданном объёме (объёмные ФАР). Иногда форма излучающей поверхности ФАР √ раскрыва (см. Излучение и приём радиоволн), определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР (например, формой ИСЗ). ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву (как в синфазной антенне) до направления вдоль раскрыва (как в бегущей волны антенне). Коэффициент направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах √ вплоть до 4(стер) без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. Сканирование в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фазирования. По характеру распределения излучателей в раскрыве различают эквидистантные и неэквидистантные ФАР. В эквидистантных ФАР расстояния между соседними элементами одинаковы по всему раскрыву. В плоских эквидистантных ФАР излучатели чаще всего располагают в узлах прямоугольной решётки (прямоугольное расположение) или в узлах треугольной сетки (гексагональное расположение). Расстояния между излучателями в эквидистантных ФАР обычно выбирают достаточно малыми (часто меньше рабочей длины волны), что позволяет формировать в секторе сканирования ДН с одним главным лепестком (без побочных дифракционных максимумов √ т. н. паразитных лучей) и низким уровнем боковых лепестков; однако для формирования узкого луча (т. е. в ФАР с большим раскрывом) необходимо использовать большое число элементов. В неэквидистантных ФАР элементы располагают на неодинаковых расстояниях друг от друга (расстояние может быть, например, случайной величиной). В таких ФАР даже при больших расстояниях между соседними излучателями можно избежать образования паразитных лучей и получать ДН с одним главным лепестком. Это позволяет в случае больших раскрывов сформировать очень узкий луч при сравнительно небольшом числе элементов; однако такие неэквидистантные ФАР с большим раскрывом при малом числе излучателей имеют более высокий уровень боковых лепестков и, соответственно, более низкий КНД, чем ФАР с большим числом элементов. В неэквидистантных ФАР с малыми расстояниями между излучателями при равных мощностях волн, излучаемых отдельными элементами, можно получать (в результате неравномерного распределения плотности излучения в раскрыве антенны) ДН с более низким уровнем боковых лепестков, чем в эквидистантных ФАР с таким же раскрывом и таким же числом элементов. Управление фазовыми сдвигами. По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода (рис. 2 , а); частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между соседними излучателями (рис. 2, б) или дисперсии волн в радиоволноводе; с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей, управляемых электрическими сигналами (рис. 2 , в) с плавным (непрерывным) или ступенчатым (дискретным) изменением фазовых сдвигов. Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. Они обеспечивают создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка мксек и потерями мощности ~ 20%). Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных √ каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всего радиоустройства, в которое входит ФАР. Особенности построения ФАР. Возбуждение излучателей ФАР (рис. 3 ) производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в т. н. квазиоптических ФАР), фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями иногда содержат сложные электрические устройства (т. н. диаграммообразующие схемы), обеспечивающие возбуждение всех излучателей от нескольких входов, что позволяет создать в пространстве соответствующие этим входам одновременно сканирующие лучи (в многолучевых ФАР). Квазиоптические ФАР в основном бывают двух типов: проходные (линзовые), в которых фазовращатели и основные излучатели возбуждаются (при помощи вспомогательных излучателей) волнами, распространяющимися от общего облучателя, и отражательные √ основной и вспомогательные излучатели совмещены, а на выходах фазовращателей установлены отражатели. Многолучевые квазиоптические ФАР содержат несколько облучателей, каждому из которых соответствует свой луч в пространстве. Иногда в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы). Рассмотренные выше ФАР иногда называются пассивными. Наибольшими возможностями управления характеристиками обладают активные ФАР, в которых к каждому излучателю или модулю подключен управляемый по фазе (иногда и по амплитуде) передатчик или приёмник (рис. 4 ). Управление фазой в активных ФАР может производиться в трактах промежуточной частоты либо в цепях возбуждения когерентных передатчиков, гетеродинов приёмников и т.п. Таким образом, в активных ФАР фазовращатели могут работать в диапазонах волн, отличных от частотного диапазона антенны; потери в фазовращателях в ряде случаев непосредственно не влияют на уровень основного сигнала. Передающие активные ФАР позволяют осуществить сложение в пространстве мощностей когерентных электромагнитных волн, генерируемых отдельными передатчиками. В приёмных активных ФАР совместная обработка сигналов, принятых отдельными элементами, позволяет получать более полную информацию об источниках излучения. В результате непосредственного взаимодействия излучателей между собой характеристики ФАР (согласование излучателей с возбуждающими фидерами, КНД и др.) при качании луча изменяются. Для борьбы с вредными последствиями взаимного влияния излучателей в ФАР иногда применяют специальные методы компенсации взаимной связи между элементами. Перспективы развития ФАР. К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР относятся:
широкое внедрение в радиотехнические устройства ФАР с большим числом элементов, разработка элементов новых типов, в частности для активных ФАР;
развитие методов построения ФАР с большими размерами раскрывов, в том числе неэквидистантных ФАР с остронаправленными антеннами, расположенными в пределах целого полушария Земли (глобальный радиотелескоп),
дальнейшая разработка методов и технических средств ослабления вредных влияний взаимной связи между элементами ФАР;
развитие теории синтеза и методов машинного проектирования ФАР;
разработка теории и внедрение в практику новых методов обработки информации, принятой элементами ФАР, и использования этой информации для управления
ФАР, в частности для автоматического фазирования элементов (самофазирующиеся ФАР) и изменения формы ДН, например понижения уровня боковых лепестков в направлениях на источники помех (адаптивные ФАР);
разработка методов управления независимым движением отдельных лучей в многолучевых ФАР.
Лит.: Вендик О. Г., Антенны с немеханическим движением луча, М., 1965; Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с англ., т. 1√3, М., 1966√71.
М. Б. Заксон.
Википедия
Фазированная антенная решётка (ФАР ) - антенная решетка, направление излучения и форма соответствующей диаграммы направленности которой регулируются изменением амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения на излучающих элементах.
Излучающий элемент - составная часть антенной решетки, антенна или группа антенн с заданным относительным возбуждением. В антенной решетке требуемая диаграмма направленности формируется благодаря специальным образом организованной интерференции электромагнитных волн, излучаемых в пространство ее излучающими элементами. Для этого обеспечивают необходимое амплитудно-фазовое распределение - необходимые относительные амплитуды и начальные фазы переменных токов или полей возбуждения каждого излучающего элемента антенной решетки. Отличие фазированной антенной решетки заключается в том, что амплитудно-фазовое распределение не является фиксированным, оно может регулироваться антенной решетки в определенном секторе пространства (антенная решетка с электрическим сканированием луча как альтернатива антенне с механическим сканированием, то есть альтернатива механически вращающейся антенне) или изменять форму диаграммы направленности.
Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и вычислительной техники обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т. д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов, входят в состав различных наземных, корабельных, авиационных и космических радиотехнических систем. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.
