Фазированные антенные решетки принцип действия

Фазированные антенные решетки принцип действия

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

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

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

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

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

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

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

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

Как устроена антенна с электронным сканированием Следует различать антенны с

  • одномерным
  • двумерным сканированием

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

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

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

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

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

Управление фазами (фазирование) позволяет радару с применяемой ФАР:

  • формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) антенны (например, остронаправленную ДН типа луч);
  • изменять направление луча неподвижной антенны, таким образом осуществляя быстрое (в ряде случаев практически безынерционное) сканирование — качание луча;
  • 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 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:

  • 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. 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:

          • равномерным
          • экспоненциальным
          • симметрично спадающим относительно центра

          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:

          • 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.

          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.

          Читайте также:  Как открыть pkpass на компьютере

          Управление фазовыми сдвигами

          По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР:

          • с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода;
          • частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между соседними излучателями или дисперсии волн в радиоволноводе;
          • с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей, управляемых электрическими сигналами 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 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:

          • 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.

          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.

          Читайте также:  Принтер для печати наклеек самоклеящихся на авто

          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

          Рисунок 1. Слева: два элемента антенны, запитываемые с одинаковой фазой; справа: два элемента антенны, запитываемые с некоторым фазовым сдвигом

          Рисунок 1. Слева: два элемента антенны, запитываемые с одинаковой фазой; справа: два элемента антенны, запитываемые с некоторым фазовым сдвигом

          Фазированная антенная решетка

          Фазированная антенная решетка состоит из некоторого количества излучающих элементов, каждый из которых имеет свой фазовращатель. Луч формируется путем сдвига фазы сигнала, излучаемого каждым излучающим элементом, так, чтобы возникала их интерференция в фазе/противофазе для поворота луча в желаемом направлении.
          На Рисунке 1 (слева) показаны два излучающих элемента, которые запитываются волнами с одинаковой фазой. Сигнал в основном направлении усиливается за счет интерференции волн в фазе. Острота луча улучшается за счет интерференции в противофазе.

          Figure 2: electronic beam-deflection,
          left:Boresight, right: Deflected

          Рисунок 2. Анимация электронного отклонения луча

          На Рисунке 1 (справа) сигнал, излучаемый верхним излучающим элементом, отстает по фазе на 22 градуса от сигнала, излучаемого нижним элементом. Из-за этого основное направление излучения суммарного сигнала немного поднимается вверх.

          (Обратите внимание: в примере, показанном на этом рисунке, излучающие элементы используются без рефлектора. Поэтому задний лепесток диаграммы направленности этой антенны такой же большой, как и основной лепесток.)

          Основной луч всегда направлен в сторону увеличения фазового сдвига. Таким образом, если излучаемый сигнал проходит через электронный фазовращатель, обеспечивающий непрерывный сдвиг его фазы, то угловое положение луча будет регулироваться электронным способом. Однако, такое регулирование имеет пределы. Наибольшее значение, которое может быть достигнуто для поля зрения (англ. Field of View, FOV ) плоской фазированной антенной решетки, составляет 120º (60º в одну сторону и 60º в другую). Необходимое смещение фазы может быть рассчитано с помощью теоремы синусов.

          На Рисунке 2 графически изображена решетка излучающих элементов. В качестве таковых могут использоваться антенны любых конструкций. Для фазированной антенной решетки основное значение имеет то, что отдельные излучающие элементы управляются регулярным фазовым сдвигом, что приводит к изменению направления луча антенны. Например, антенна радиолокатора RRP-117 состоит из 1584 излучающих элементов и имеет аналоговую архитектуру диаграммообразования. В более сложных радиолокаторах используется цифровое диаграммообразование.

          Преимущества:
          • высокий коэффициент усиления антенны и при этом низкий уровень боковых лепестков;
          • возможность перевода луча с одной цели на другую в течение нескольких микросекунд;
          • озможность быстрого формирования и изменения луча под управлением компьютера;
          • произвольное чередование режимов обзора и сопровождения;
          • произвольно изменяемое время облучения цели;
          • многофункциональная работа за счет формирования нескольких лучей одновременно;
          • выход из строя одиночных элементов ухудшает характеристики антенны, но в целом система остается работоспособной.
          Недостатки:
          • область сканирования ограничена 120º-ным сектором по азимуту и углу места;
          • изменение формы луча при отклонении от осевого направления;
          • зависимость параметров диаграммы направленности от частоты;
          • очень сложная структура (процессор, фазовращатели);
          • все еще высокая стоимость.

          Возможные конфигурации

          Линейные решетки

          Рисунок 3. Линейная фазированная антенная решетка

          Рисунок 3. Линейная фазированная антенная решетка

          Такие антенны состоят из линий, элементы которых запитываются общим фазовращателем. Несколько размещенных одна над другой антенн образуют плоскую решетку.

          • Преимущество: простая конфигурация;
          • Недостаток: отклонение луча возможно только в одной плоскости.
          • Examples given:
          • PAR-80 (горизонтальное отклонение луча);
          • RRP-117 (vertical beam-deflection);
          • антенна большой вертикальной апертуры (англ. Large Vertical Aperture, LVA) , антенна с неподвижной диаграммой направленности.

          Фазированные антенные решетки такого типа, в основном, используются в случаях, когда требуется отклонение луча только в одной плоскости, поскольку в другой плоскости выполняется вращение всей антенны (RRP-117).

          Рисунок 4. Плоская фазированная антенная решетка

          Рисунок 4. Плоская фазированная антенная решетка

          Плоские решетки

          Такие антенны полностью состоят из отдельных излучающих элементов, каждый из которых имеет свой фазовращатель. Элементы располагаются в виде матрицы. Расположение всех элементов на плоскости формирует полную фазированную антенную решетку.

          • Преимущество: луч можно направлять в разные стороны, а также возможна реализация цифрового диаграммообразования.
          • Недостаток: более сложная конструкция и большее требуемое количество фазовращателей.
          • Примеры реализации: AN-FPS-85 и Thomson Master-A

          Рисунок 5. Решетка с частотным сканированием

          Рисунок 5. Решетка с частотным сканированием

          Решетки с частотным сканированием

          Решетка с частотным сканированием представляет собой особый вид фазированной антенной решетки, в которой управление основным лучом выполняется путем перестройки частоты возбудителя. Направление луча является функцией частоты излучаемого сигнала. Антенны такого типа называют антенными решетками с частотным сканированием. Обычная конструкция предполагает питание разных излучающих элементов от одного сложенного волновода. Антенная решетка с частотным сканированием представляет собой специальный случай фазированной антенной решетки с последовательным питанием и основана на свойствах распространения конкретной волны в волноводе. Разность фаз между двумя излучающими элементами составляет n·360º на нормальной частоте. При изменении частоты угол Θs между осью луча и нормалью к антенной решетке изменяется. При помощи такой антенны возможно выполнить сканирование в вертикальной плоскости для определения высоты цели. Для этого применяется следующая методика.

          Если частота излучения радиолокатора увеличивается, то луч двигается вверх. Если частота излучения уменьшается, то луч двигается вниз. Таким образом, при изменении частоты луч антенны совершает сканирование по углу места. Радиолокатор сконструирован таким образом, что он запоминает функцию изменения частоты и после приема преобразовывает эхо-сигналы в данные трехмерного изображения.

          As frequency is varied, the beam axis will change, and scanning can be accomplished in elevation. The radar set is designed so that it keeps track of the frequencies as they are transmitted and then detects and converts the returned frequencies into 3D display data.

          Следует отметить, что частотное сканирование снижает значимость использования изменения частоты как способа достижения других полезных эффектов (например, преимуществ сжатия импульсов).

          Расчет фазового сдвига

          Смещение фазы Δφ между двумя соседними элементами является постоянным и называется фазовым сдвигом. Какой величины должен быть фазовый сдвиг для того, чтобы добиться перемещения луча на определенный угол?

          Далее рассматривается линейное расположение изотропных излучающих элементов.

          Ссылка на основную публикацию
          Унитаз лира киров отзывы
          Сырье также используется импортное, тщательно отобранное и экологически чистое — глина, гипс, каолин, полевой шпат, красители. Гарантия на производимые компанией...
          Тор браузер андроид 4pda
          Браузер Тор доступен не только для компьютеров и ноутбуков под управлением различных операционных систем. Разработчики обеспокоились и его выпуском для...
          Тор браузер без установки
          Tor Browser (ранее он назывался Tor Browser Bundle) – наиболее защищенный интернет-обозреватель из представленных в настоящий момент. Ввиду высокой популярности...
          Унитаз ресса киров отзывы
          Мы предлагаем унитазы росссийского производителя Роза (Киров). В нашем каталоге собрано 30 моделей по цене от 3 090р. Перейдите по...
          Adblock detector