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.

Фазированная антенная решётка - изображение 1

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.

Фазированные антенные решетки. - изображение 2

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.

Активная фазированная антенная решетка - изображение 3

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.

Активные фазированные антенные решетки. Общие сведения - фотография 4

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

Фазированная антенная решетка принцип работы - фотография 5

12

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).

Фазированная антенная решетка принцип работы - фотография 6

Рис.1. Принцип формирования диаграммы направленности ФАР.

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

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

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

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

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

Фазированная антенная решетка принцип работы - фотография 7

Рис.2. Принцип управления направлением максимума излучения ФАР.

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

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

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

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

 
  Фазированная антенная решетка принцип работы - изображение 8

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

Рис.13.1. Расчетная схема линейно-синфазной ФАР.

На этом рисунке обозначено:

l – расстояние между излучателями решетки (шаг решетки),

OZ – ось излучателей,

Od – ось антенны,

OZ΄ – ось требуемого фронта,

Jc – угол сканирования,

Оd΄ – ось ДН при сканировании,

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

0 – облучатель решетки.

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

Если необходимо отклонить ось ДН на угол 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¢:

Фазированная антенная решетка принцип работы - изображение 9 , (13.1)

где:

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

ni – номер i-того излучателя,

l – шаг решетки,

sign ni – знак номера излучателя.

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

φi = kв · ri , (13.2)

где:

φi – фаза i – того излучателя,

kв = 2π ⁄ λ – волновое число,

λ – длина волны.

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.

Фазированная антенная решетка принцип работы - фотография 10 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.

Фазированная антенная решетка принцип работы - фото 11 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)

где:

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.

ΔФZ = – kв lzsinθ0sinφ0 , (13.4)

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:

Фmn = 0,5 [sign m (|2m| - 1) ΔФy + sign n (|2n| – 1) ΔФZ], (13.6)

где:

- 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.

 
  Фазированная антенная решетка принцип работы - изображение 12

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.

 
  Фазированная антенная решетка принцип работы - изображение 13

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:

FA – фокус антенны,

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

Δrzi = Фазированная антенная решетка принцип работы - изображение 14 . (13.7)

Аналогично рассчитывается отставание Δrуi для каждого ряда ФАР

Δrуi = Фазированная антенная решетка принцип работы - фото 15 . (13.8)

В уравнениях 13.7 и 13.8 координаты колонок zi и рядов уi

излучателей ФАР рассчитываются известным образом:

zi = m · l, (13.9)

уi = n · l, (13.10)

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

Чтобы сформировать плоский фронт в ФАР, управляемой по рядам и колонкам, требуется рассчитать фазы токов во вторичных излучателях. Для этого, используя 13.6, следует выразить координаты 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.

θн = arctg Фазированная антенная решетка принцип работы - изображение 16 , (13.13)

φн = arctg Фазированная антенная решетка принцип работы - фотография 17 . (13.14)

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 Фазированная антенная решетка принцип работы - фотография 18 для каждого излучателя с номером mn, обеспечивающую формирование волны с плоским фронтом.

Фазированная антенная решетка принцип работы - фото 19 = Фнn+Фнm. (13.17)

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.

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

Активная фазированная антенная решетка

Фазированная антенная решетка принцип работы - изображение 20

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.

Фазированная антенная решетка принцип работы - фотография 21

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.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 2 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 1173)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты