что такое фазированная антенная решетка
Фазированные антенные решетки
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.
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 [1]: 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 [4].
Рисунок 3. Формирование волнового фронта.
Рисунок 4. Схема ФАР.
Рисунок 5.
Основной луч располагается перпендикулярно фазовому фронту. Из диаграммы направленности (рис. 6) видно, что кроме основного луча есть обратный и боковые лепестки, которые являются паразитными и уменьшение их уровня является вопросом распределения ЭМ поля в апертуре решетки. Изменение положения луча в пространстве происходит электрическим образом (практически безынерционно) – именно это качество особенно важно.
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 [2,3].
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».
Фазированная антенная решётка
Фазированная антенная решётка — тип антенн, в виде группы антенных излучателей, в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.
Содержание
Введение
Управление фазами (фазирование) позволяет радару с применяемой ФАР:
Эти (и некоторые другие свойства ФАР), а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и вычислительной электроники 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 радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.
Описание устройства ФАР
Применение антенных решёток обусловлено следующими причинами. Решётка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз КНД (и соответственно усиление) антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации и радиолокации. С помощью решётки удаётся поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путём размещения в каналах решётки независимых усилителей высокочастотной энергии.
Электрическое сканирование
Одним из важных преимуществ решётки является возможность быстрого (безынерционного) обзора пространства за счёт качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования).
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.
Конструктивно-технологические преимущества
Имеется ряд конструктивно-технологических преимуществ по сравнению с другими классами антенн. Так например, улучшение массогабаритных характеристик бортовой аппаратуры происходит за счёт использования печатных антенных решёток. Снижение стоимости больших радиоастрономических телескопов достигается благодаря применению зеркальных антенных решёток.
Классификация
Антенные решётки могут быть классифицированы по следующим основным признакам:
Обработка сигнала
В питающем антенную решётку тракте (фидере) возможна различная пространственно-временная обработка сигнала. Изменение фазового распределения в решётке с помощью системы фазовращателей в питающем тракте позволяет управлять максимумом диаграммы направленности. Такие решётки называют фазированными антенными решётками (ФАР). Если к каждому излучателю ФАР, или к группе подключается усилитель мощности, генератор, или преобразователь частоты, то такие решётки называются активными фазированными антенными решётками (АФАР).
Адаптивные АР
Приёмные антенные решётки с саморегулируемым амплитудно-фазовым распределением в зависимости от помеховой обстановки называют адаптивными. Приёмные антенные решётки с обработкой сигнала методами когерентной оптики называются радиооптическими. Приёмные антенные решётки, в которых обработка ведётся цифровыми процессорами, называются цифровыми антенными решётками.
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
Антенные решётки, формирующие с одного излучающего раскрыва несколько независимых (ортогональных) лучей и имеющие соответствующее число входов, называются многолучевыми.
По виду амплитудного распределения
В зависимости от соотношения амплитуд токов возбуждения различают решётки с:
амплитудным распределением. Если фазы токов излучателей изменяются вдоль линии их размещения по линейному закону, то такие решётки называют решётками с линейным фазовым распределением. Частным случаем таких решёток являются синфазные решётки, у которых фазы тока всех элементов одинаковы.
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:
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.
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:
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.
Особенности построения ФАР
Возбуждение излучателей ФАР 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. 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:
История создания
До конца 1980-х годов создание такой системы требовало применения большого количества устройств, из-за чего фазированные решётки, полностью управляемые электроникой, использовались, главным образом, в больших стационарных радарах, типа массивного BMEWS (Ballistic Missile Warning Radar) и несколько меньшего американского морского радара противовоздушной обороны SCANFAR, (развитие AN/SPG-59), установленного на американском тяжелом атомном ракетном крейсере «Лонг-Бич»(англ.) и атомном авианосце «Энтерпрайз». Его потомок SPY-1 Aegis установливался на крейсерах класса Ticonderoga и позже на эсминцах Arleigh Burke. Единственными известными применениями на самолётах был большой радар Заслон (англ.), установленный на советском перехватчике МиГ-31, и радар нападения на Rockwell B-1B Lancer. В текущий момент применяется в Су-35 и F-22.
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 веса антенны, количества вычислительных модулей, а также повысило нагрузку на систему электропитания.
Выгоды применения фазированных решёток, однако, оправдывали дополнительную стоимость. Фазированные решетки 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). Во враждебной зоне электронного противодействия выгоды были ещё больше, поскольку фазированные решётки позволяют системе размещать «ноль» диаграммы направленности антенны в направлении источника помех и таким образом блокировать её попадание в приёмник. Другая выгода — отсутствие необходимости механически поворачивать антенну в направлении цели, что позволило повысить скорости обзора пространства на порядки, а также увеличить срок службы системы, так как с введением фазирования частично отпала потребность в громоздких механизмах ориентации полотна в пространстве. Обычно многосторонняя антенна могла обеспечить охват в 360 градусов, неподвижными антеннами, охватывающими все направления сразу.
Эта технология также предоставляла менее очевидные выгоды. Одна 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 составляет от 5 до 20 секунд). Цель с малым ЭПР, например, низко летящую крылатую ракету, почти невозможно заметить при таких условиях. 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.
Фазированные решётки, как и все физические объекты, имеют и ограничения. Основное ограничение — диапазон углов, на которые луч может быть отклонён. Практически, предел составляет 45. 60 градусов от перпендикуляра к плоскости антенны. 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 длины (ширины) антенны (апертура антенны) с ростом угла отклонения луча. В свою очередь, сокращение длины решётки в сочетании со снижением коэффициента усиления антенны уменьшает способность обнаружения цели на расстоянии.
Второй эффект вызван видом диаграммы направленности (ДН) выбранных элементов антенной решётки. Отклонять луч ФАР целесообразно в пределах основного лепестка ДН элементов антенной решётки (этот луч шире основного луча ДН ФАР). Выход за пределы или приближение к краям основного лепестка ДН элементов антенной решетки приводит, в первом случае, к участию боковых лепестков ДН в формировании ДН ФАР, во втором случае, к уменьшению мощности излучения. В результате, при предельных значениях углов луч существенно ослаблен и расфокусирован.
Фазированная антенная решетка принцип работы
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) 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 (См. Синфазная антенна)) до направления вдоль раскрыва (как в бегущей волны антенне (См. Бегущей волны антенна)). 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 (См. Дисперсия) волн в радиоволноводе; с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей (См. Фазосдвигающая цепь) или фазовращателей (См. Фазовращатель), 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: 1) широкое внедрение в радиотехнические устройства ФАР с большим числом элементов, разработка элементов новых типов, в частности для активных ФАР; 2) развитие методов построения ФАР с большими размерами раскрывов, в том числе неэквидистантных ФАР с остронаправленными антеннами, расположенными в пределах целого полушария Земли (глобальный Радиотелескоп), 3) дальнейшая разработка методов и технических средств ослабления вредных влияний взаимной связи между элементами ФАР; 4) развитие теории синтеза и методов машинного проектирования ФАР; 5) 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); 6) разработка методов управления независимым движением отдельных лучей в многолучевых ФАР.
Рис. 1. Структурные схемы некоторых фазированных антенных решеток (ФАР) — линейной эквидистантной с симметричными вибраторами и общим зеркалом (а); линейной неэквидистантной с полноповоротными зеркальными параболическими антеннами (б); плоской с прямоугольным расположением рупорных излучателей (в); плоской с гексагональным расположением диэлектрических стержневых излучателей (г); конформной с щелевыми излучателями (д); сферической со спиральными излучателями (е); системы плоских фазированных антенных решеток (ж); В — вибраторы; Ф — линии возбуждения (фидеры); З — токопроводящее зеркало (рефлектор); А — зеркальные антенны; Р — рупоры; ВР — возбуждающие радиоволны; Э — металлический экран; Щ — щелевые излучатели; К — коническая ФАР; Ц — цилиндрическая ФАР; С — спиральные излучатели; СЭ — сферический экран; П — плоские фазированные антенные решетки (точками обозначены излучатели); L0 — расстояние между В; l1, l 2, l3 — расстояния между А.
Рис. 2. Примеры фазированных антенных решёток с электромеханическим (а), частотным (б) и электрическим (в) сканированием: Щ, — щелевые излучатели; В — прямоугольный возбуждающий волновод; Н — продольная пластина (нож) с управляемой глубиной погружения в волновод (служит для изменения фазовой скорости волны в волноводе); Д — дроссельные канавки; Р — рупоры; СВ — спиральный волновод; ДА — диэлектрические стержневые антенны; Ф — ферритовый стержень фазовращателя; ВВ — возбуждающие волноводы; О — управляющая обмотка фазовращателя; Ш — диэлектрическая шайба.
Рис. 3. Типовые схемы возбуждения фазированных антенных решёток (ФАР) с последовательных возбуждением (а), параллельным возбуждением (б), многолучевой ФАР (в), квазиоптических ФАР — проходного (г) и отражательного (д) типов: В — возбуждающий фидер; И — излучатели; ПН — поглощающая нагрузка; Л — диаграмма направленности (луч); B1 — B4 входы ФАР; ДС — диаграммообразующая схема; ОИ — основные излучатели; ВИ — вспомогательные излучатели; СИ — совмещенные излучатели; О — облучатель; От — отражатель; φ — фазовращатель; пунктиром изображена электромагнитная волна с плоским фазовым фронтом, излучаемая ФАР, штрих-пунктиром — со сферическим фазовым фронтом, излучаемая облучателем.
Рис. 4. Структурные схемы некоторых активных фазированных антенных решёток — передающей (а), приёмной с фазированием в цепях гетеродина (б) и приёмной с фазированием в трактах промежуточной частоты (в): И — излучатель; УМ — усилитель мощности; В — возбудитель; С — смеситель; Г — гетеродин; УПЧ — усилитель промежуточной частоты; СУ — суммирующее устройство; φ — фазовращатель.
Фазированные антенные решетки
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) 104 – 105 (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.
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
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,
OZ΄ – ось требуемого фронта,
Jc – угол сканирования,
Оd΄ – ось ДН при сканировании,
(-4 – 0 – 4) – номера вторичных излучателей,
0 – облучатель решетки.
Если необходимо отклонить ось ДН на угол Jc 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 ri от каждого излучателя по нормали к фронту OZ¢:
ri– расстояние от i-того излучателя до фронта OZ¢,
ni – номер i-того излучателя,
sign ni – знак номера излучателя.
Для компенсации разности ходов и получения синфазных излучений вдоль фронта OZ¢ формируемые излучателями токи должны иметь следующие фазы:
φi – фаза i – того излучателя,
kв = 2π ⁄ λ – волновое число,
Волновое число kв для данного типа решетки величина постоянная, поэтому вычисление искомого фазового угла φi 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,
φ1-φ7 – 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 yi и zi, рассчитываются из уравнения 13.2 следующим образом:
Ф (yi, zi) = – kв (zi sinθ0 sinφ0 + yi sinθ0 cosφ0), (13.3)
Ф – фаза тока в излучателе с координатами yi и zi,
θ0 – угол сканирования ДН в горизонтальной плоскости,
φ0 – аналогичный угол сканирования ДН в вертикальной плоскости.
В ФАР, имеющую равномерную прямоугольную сетку излучателей,
для быстрого расчета фазовых углов удобно сначала вычислить разности фаз ΔФZ и ΔФy токов, текущих в соседних по осям ОY и ОZ элементах соответственно.
ΔФy = – kв lysin θ0cosφ0, (13.5)
где lz и ly – 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 Фmn токов в каждом излучателе рассчитываются следующим образом:
— 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·ΔФy и n·ΔФZ. 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 FА 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 – фокусное расстояние,
МИО – моноимпульсный облучатель,
ФПВ – фронт падающей волны,
ФОВ – фронт отраженной волны,
Δrzi – отставание фронта падающей волны.
Отставание Δrzi фронта равно разности между фокусным расстоянием f и отрезком, заключенным между МИО и i-м излучателем. Из рисунка 13.5 можно рассчитать отставание Δrzi для каждой колонки ФАР
Аналогично рассчитывается отставание Δrуi для каждого ряда ФАР
В уравнениях 13.7 и 13.8 координаты колонок zi и рядов уi
излучателей ФАР рассчитываются известным образом:
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 zi и уi излучателей через номера колонок m и рядов n. Из рисунка 13.5 эти координаты получаются следующим образом:
zi = 0,5 sign n · (|2n| – 1) · lz, (13.11)
уi = 0,5 sign m · (|2n| – 1) ·ly. (13.12)
Из этого же рисунка рассчитываются необходимые для формирования плоского фронта начальные углы θн и φн отклонения оси волны, в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно.
Из уравнения 13.3 можно рассчитать начальные фазы Фнm и Фнn, соответственно для каждой колонки и ряда плоской решетки.
Фнm = – kв ×zi ×sinθн ×sinφн, (13.15)
Фнn = – kв ×yi ×sinθн ×cosφн. (13.16)
Теперь можно получить искомую начальную фазу для каждого излучателя с номером mn, обеспечивающую формирование волны с плоским фронтом.
Из анализа 13.13-13.17 можно заключить, что для соответствующих рядов и колонок конкретной антенны начальные фазы Фнn и Фнm 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.
Активная фазированная антенная решетка
Активная фазированная антенная решетка (АФАР) является следующим этапом в развитии пассивной. В такой антенне каждая ячейка решетки содержит свой приемопередатчик. Их количество может превысить одну тысячу.
Активная фазированная антенная решетка (АФАР) является следующим этапом в развитии пассивной. В такой антенне каждая ячейка решетки содержит свой приемопередатчик. Их количество может превысить одну тысячу. То есть, если традиционный локатор — это отдельные антенна, приемник, передатчик, то в АФАР приемник с передатчиком и антенна «рассыпаются» на модули, каждый из которых содержит щель антенны, фазовращатель, передатчик и приемник. АФАР состоит из множества сот. Все они работают под контролем единого электронного центра. Каждая ячейка АФАР сама излучает сигнал, управляемый по фазе и частоте, а в самых сложных версиях – и по амплитуде.
Раньше, если, например, вышел из строя передатчик, самолет становился «слепым». Если в АФАР будут поражены одна-две ячейки, даже десяток, остальные продолжают работать. В этом и есть ключевое преимущество АФАР. Благодаря тысячам приемникам и передатчикам повышается надежность и чувствительность антенны, а также появляется возможность работать на нескольких частотах сразу.
Но главное, что структура АФАР позволяет РЛС параллельно решать несколько задач. Например, не только обслуживать десятки целей, но и параллельно с обзором пространства очень эффективно защищаться от помех, ставить помехи радарам противника и картографировать поверхность, получая карты высокого разрешения.
Преимущества:
– превосходят обычные радарные антенны почти во всех отношениях, обеспечивая более высокую следящую способность и надёжность,
– возможность решать параллельно несколько задач.
Применение:
– военная техника,
– военные и гражданские РЛС,
– спутники,
– продукция гражданского назначения: самолеты, экранопланы, экранолеты и пр.