Создание высокочувствительной направленной антенны с фар или почему специалисты уезжают за рубеж. Фазированная антенная решетка (ФАР) Фазированная антенная решетка принцип работы необычные свойства
Фазированная антенная решётка
(ФАР)
фазированная решётка, Антенная решётка с управляемыми Фаза ми или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет: формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН – луч); изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование – качание луча (см., например, Сканирование в радиолокации); управлять в определённых пределах формой ДН – изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей). Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и ЭВМ обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи (См. Радиосвязь), радиолокации (См. Радиолокация), радионавигации (См. Радионавигация), радиоастрономии (См. Радиоастрономия) и т.д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов (иногда 10 4 и более), входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения. Структура ФАР.
Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения (рис. 1
). Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные Вибратор ы,
часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы Радиоволновод ов,
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. 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 Фидер а 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 Фазированная антенная решётка 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. Лит.:
Вендик О. Г., Антенны с немеханическим движением луча, М., 1965; Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с англ., т. 1–3, М., 1966–71. М. Б. Заксон.
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); L 0 - расстояние между В; l 1 , l 2 , l 3 - 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); B 1 - B 4 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. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия
.
1969-1978
.
- - fazuotoji gardelinė antena statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. phased antenna array vok. phasierte Antennenanordnung, f rus. фазированная антенная решётка, f pranc. réseau d antennes phasées, m … Radioelektronikos terminų žodynas
- (фазированная решётка), антенная решётка с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами. Фазирование позволяет, напр., формировать необходимую диаграмму направленности, управлять её… … Естествознание. Энциклопедический словарь
- (фазированная решётка), антенная решётка с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами. Фазирование позволяет, например, формировать необходимую диаграмму направленности, управлять её… … Энциклопедический словарь
фазированная антенная решётка Энциклопедия «Авиация»
фазированная антенная решётка - (ФАР), фазированная решётка, направленная антенна с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет формировать необходимую… … Энциклопедия «Авиация»
- (АФАР) разновидность фазированой антенной решётки (ФАР). РЛС Н050 с АФАР для ПАК ФА представленная НИИП на МАКС 2009 … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Решётка. Антенная решётка (АР) сложная направленная антенна, состоящая из совокупности отдельных слабонаправленных антенн (излучающих элементов), расположенных в пространстве особым образом.… … Википедия
Огромная наземная ФАР системы предупреждения о ракетном нападении на Аляске, США Система управления вооружением современного истребителя Фазированная антенная решётка в волновой теории группа антенных излучателей, в которых относительная… … Википедия
Структура ФАР. Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения (рис. 1 ). Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы , часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов , щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны . Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР.
В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов: вдоль линии (прямой или дуги); по поверхности (например, плоской – в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической) или в заданном объёме (объёмные ФАР). Иногда форма излучающей поверхности ФАР – раскрыва (см. Излучение и приём радиоволн ), определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР (например, формой ИСЗ). ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву (как в синфазной антенне ) до направления вдоль раскрыва (как в бегущей волны антенне ). Коэффициент направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах – вплоть до 4(стер ) без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. Сканирование в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фазирования.
Управление фазовыми сдвигами. По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода (рис. 2 , а); частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между соседними излучателями (рис. 2, б) или дисперсии волн в радиоволноводе; с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей , управляемых электрическими сигналами (рис. 2 , в) с плавным (непрерывным) или ступенчатым (дискретным) изменением фазовых сдвигов.
Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. Они обеспечивают создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка мксек и потерями мощности ~ 20%). Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных – каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всего радиоустройства, в которое входит ФАР.
Особенности построения ФАР. Возбуждение излучателей ФАР (рис. 3 ) производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в т. н. квазиоптических ФАР), фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями иногда содержат сложные электрические устройства (т. н. диаграммообразующие схемы), обеспечивающие возбуждение всех излучателей от нескольких входов, что позволяет создать в пространстве соответствующие этим входам одновременно сканирующие лучи (в многолучевых ФАР). Квазиоптические ФАР в основном бывают двух типов: проходные (линзовые), в которых фазовращатели и основные излучатели возбуждаются (при помощи вспомогательных излучателей) волнами, распространяющимися от общего облучателя, и отражательные – основной и вспомогательные излучатели совмещены, а на выходах фазовращателей установлены отражатели. Многолучевые квазиоптические ФАР содержат несколько облучателей, каждому из которых соответствует свой луч в пространстве. Иногда в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы). Рассмотренные выше ФАР иногда называются пассивными.
Наибольшими возможностями управления характеристиками обладают активные ФАР, в которых к каждому излучателю или модулю подключен управляемый по фазе (иногда и по амплитуде) передатчик или приёмник (рис. 4 ). Управление фазой в активных ФАР может производиться в трактах промежуточной частоты либо в цепях возбуждения когерентных передатчиков, гетеродинов приёмников и т.п. Таким образом, в активных ФАР фазовращатели могут работать в диапазонах волн, отличных от частотного диапазона антенны; потери в фазовращателях в ряде случаев непосредственно не влияют на уровень основного сигнала. Передающие активные ФАР позволяют осуществить сложение в пространстве мощностей когерентных электромагнитных волн, генерируемых отдельными передатчиками. В приёмных активных ФАР совместная обработка сигналов, принятых отдельными элементами, позволяет получать более полную информацию об источниках излучения.
В результате непосредственного взаимодействия излучателей между собой характеристики ФАР (согласование излучателей с возбуждающими фидерами, КНД и др.) при качании луча изменяются. Для борьбы с вредными последствиями взаимного влияния излучателей в ФАР иногда применяют специальные методы компенсации взаимной связи между элементами.
Перспективы развития ФАР. К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР относятся: 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.
Лит.: Вендик О. Г., Антенны с немеханическим движением луча, М., 1965; Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с англ., т. 1–3, М., 1966–71.
Статья про слово "Фазированная антенная решётка " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 6842 раз
Посвященная антеннам. Продолжая тему, хочу рассказать хабраобществу о принципах работы фазированных антенных решеток (ФАР). ФАР нашли широкое применение в радиолокационных комплексах, противоракетной обороне, космической связи; применение в гражданских объектах (коммерческих) затруднено сложностью изготовления и дороговизной. Возможно кто-то заинтересуется тематикой и придумает эффективное применение ФАР для коммерческого применения.
Что это?
ФАР это группа излучателей (фазовращателей, ФВ), в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно по определенному закону так, что эффективное излучение ФАР усиливается в желаемом направлении и подавляется во всех остальных. ФАР это матрица, где элементом матрицы является ФВ, но конечно же ФВ в пространстве могут иметь и другие конфигурации. На рисунке 1 показана РЛС секторного обзора «Имбирь», входит в состав зенитно-ракетного комплекса С300В. Можно увидеть и ФАР, и облучающий рупор.Рисунок 1.
Как происходит фазирование?
Есть простая формула из курса физики: V = c/sqrt(mu*eps). В этой формуле V – фазовая скорость электромагнитной волны, с c – скорость света в вакууме, mu – магнитная проницаемость, eps – диэлектрическая проницаемость. Из этой формулы видно, что фазовая скорость зависит от мю и эпсилон, и меняя эти величины мы можем вводить задержку ЭМ волны через ФВ. Поэтому ФВ бывают ферритовые (можем менять их магнитную проницаемость) и сегнетоэлектрические (можем менять их диэлектрическую проницаемость). Питание к фазовращателям осуществляется по воздушному тракту (как на рис. 1) или посредством волноводов (например, в малогабаритных зенитно-ракетных комплексах, рис. 2).Рисунок 2. ЗРК «Тор».
Схема ФАР на рис. 4 : антенна представляет собой линейку излучателей, между разделителем мощности и излучателями включены ФВ. Ферритовый ФВ представляет собой аналоговый феррит цилиндрической формы, на который намотаны обмотки управления. Изменяя ток в обмотках управления (задается блоком управления ФВ) изменяется магнитная проницаемость и соответственно фазовая скорость ЭМ волны в ФВ. Таким образом, последовательно изменяя уровень сигнала управления в обмотках процесс формирования волнового фронта может представлен как показано на рисунке 3, 4 (одномерный случай). Можно провести аналогию с камешками, которые последовательно кидаем в воду. Еще одной аналогией работы ФАР может служить линза. На рисунке 5 показано изменение формы волнового фронта с помощью линзы .
Рисунок 3. Формирование волнового фронта.
Рисунок 4. Схема ФАР.
Рисунок 5.
Рисунок 6. Типичная диаграмма направленности.
Электрическое сканирование обеспечивает создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных – каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всего радиоустройства, в которое входит ФАР .
Рисунки к статье можно найти в указанной литературе, кроме рисунка 3. Для более подробного ознакомления с ФАР и управлением ими могу порекомендовать книгу Самойленко и Шишова, «Управление фазированными антенными решетками».
Литература:
1. О. Г. Вендик, «Фазированная антенная решетка – глаза радиотехнической системы», 1997 г.Решетка - это антенная решетка, в которой присутствуют управляемые фазы или фазовые сдвиги. Фазы принимают волны элементами решетки, или же излучают их своими излучателями. При хорошей управляемости фаз формируется должная диаграмма направленности фазированной антенной решетки, а также изменяется направление луча неподвижной решетки и осуществляется быстрое качание луча. Кроме этого, за счет управляемости фаз изменяется интенсивность боковых лепестков, ширина луча и другие формы диаграммы направленности. Благодаря подобным свойствам, совмещенным с современными средствами автоматики, фазированные антенные решетки достаточно перспективны, они широко применяются в радионавигации, радиосвязи, радиоастрономии и радиолокации. Антенные решетки с большим количеством управляемых элементов составляют стационарные и подвижные, наземные и воздушные, корабельные, космические и авиационные радиоустройства. Теория и техника фазированных антенных решеток и по сей день является интересным научным исследованием, не потерявшим свою актуальность.
Фазированную антенную решетку составляют излучающие элементы, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга в одной плоскости. С элементами соединяются сигналы микроволнового диапазона, которые совпадают по своей фазе и имеют равные амплитуды. Генерируется сигнал микроволнового диапазона задающим генератором , усиливают его лампы бегущей волны и транзисторы .
Формы и размеры антенных решеток зависят от типа используемых излучателей и их расположения. Сектор качания луча решетки, т. е. сканирования, определяет диаграмма направленности излучателей. В тех антенных решетках, где происходит широкоугольное сканирование, применяются симметричные, несимметричные вибраторы с несколькими рефлекторами, рупорные, логопериодические, щелевые, спиральные антенны и другие слабонаправленные излучатели. Фазированные решетки больших габаритов составляют, как правило, несколько малых решеток. Диаграмма направленности модулей, т. е. малых фазированных решеток, соответствует направлению луча всей большой фазированной антенной решетки. Остронаправленные антенны с механическим поворотом выполняют функции излучателей, если допустимо медленное лучевое отклонение. Если необходимо отклонение всей фазированной решетки на большой угол, то поворачиваются все антенны.
В 1960-1970-е гт. стали использоваться первые радиолокационные станции, применявшие фазированные антенные решетки. Первоначально решетки использовались в военных целях.
Фазированные антенные решетки представляют собой усовершенствованную модель плоских решеток. В подобных решетках из-за постоянства фаз микроволн луч постоянен как по форме, так и по направлению. При изменении фаз меняются и форма с направлением луча. Если фазы изменяются электроникой, то изменение происходит в считанные секунды. В основном это происходит под управлением шифтера, устройства, меняющего фазы микроволн. Компьютер управляет микроволнами, которые проходят сквозь шифтер. За счет применения компьютера вся плоская решетка становится антенной, у которой форма луча и его направленность программируемы.
Управляемые электроникой фазированные решетки применялись в больших стационарных радарах и небольших радарах противовоздушной обороны.
Широкое применение фазированных антенных решеток в военных, промышленных и других областях объясняется тем, что фазированные антенны выполняли работу сразу нескольких антенн. Узкие лучи фазированной решетки применялись для сопровождения, широкие при поиске, плоские веерообразные определяли высоту, узкие направленные лучи использовались для полетов по ландшафту. Другими положительными характеристиками фазированной решетки были дозволенность размещения нуля, т. е. позволение блокировать волну глушения от попадания в радиоприемник , а также автоматическая направленность антенны в направлении цели.
Стоимость фазированной антенной решетки зависит от количества излучающих элементов, чем их меньше, тем скорее стоимость снижается. В радиолокационной технике, как правило, используются антенные решетки с большим количеством излучающих элементов. Небольшая решетка имеет широкий, мало сфокусированный луч. Маленькая площадь такой фазированной решетки снижает чувствительность к отраженным сигналам, широкий луч способствует уменьшению разрешающей способности но угловым координатам. Если не требуется наблюдать за большим воздушным пространством, недостатки малой фазированной решетки компенсируются за счет присоединения ее к большому рефлектору.
У фазированных антенных решеток имеются ограничения. Диапазон углов отклонения луча ограничен, пределом считается 45-60° от вертикальной антенной плоскости. Если луч отклоняется к меньшим углам, работа решетки значительно ухудшается.
Важными направлениями развития фазированных антенных решеток считаются активное внедрение фазированных решеток с большим количеством элементов в радиотехнические устройства, разработка новых моделей элементов, особенно для активных фазированных решеток. Активные решетки делятся на передающую, приемную с фазированием в гетеродинных цепях и приемную с фазированием в трактах с промежуточной частотой. Структурная система подобной решетки представляет собой систему, которая состоит из усилителя мощности, излучателя, возбудителя, гетеродина, фазовращателя, суммирующего устройства, смесителя и усилителя промежуточной частоты.
Еще одним важным направлением развития фазированных решеток является развитие способов построения фазированных антенных решеток с большими раекрывами, эквидистантных и неэквидистантных с антеннами, которые расположены в пределах земного полушария, а также дальнейшее исследование методов и технических средств, которые ослабляют вредные влияния взаимосвязи между элементами фазированной антенной решетки.
Фазированные антенные решетки за последнее время широко распространились во многих странах мира. Антенной решеткой оборудованы радиолокационные станции в Швеции, Италии, Израиле, Великобритании и других странах.
- Следующее: ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА
Активная фазированная антенная решётка (АФАР ) - фазированная антенная решётка, в которой направление излучения и (или) форма диаграммы направленности регулируются изменением амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения на активных излучающих элементах .
Активная фазированная антенная решётка конструктивно состоит из модулей, которые объединяют излучающий элемент (или группу излучающих элементов) и активные устройства (усилительные, генераторные или преобразовательные). Эти устройства могут в простейшем случае усиливать передаваемый или принимаемый излучающим элементом сигнал, а также осуществлять преобразование частоты сигнала, генерировать (формировать) сигнал, преобразовывать сигнал из аналоговой в цифровую форму и (или) из цифровой в аналоговую. Для совместной согласованной работы все модули АФАР должны быть объединены цепью распределения сигнала возбудителя (в режиме приёма - цепью сбора сигнала в приёмное устройство), или работа модулей должна быть синхронизирована от единого источника.
В отличие от АФАР, пассивная ФАР не содержит активных устройств. Например, в передающей системе, оснащенной пассивной ФАР, радиосигнал генерируется и усиливается до требуемой мощности в едином для всей системы радиопередатчике, после чего распределяется (а мощность радиосигнала делится) между излучающими элементами. Напротив, в передающей АФАР нет единого выходного мощного усилителя: менее мощные усилители размещены в каждом её модуле.
Сравнение с пассивной решёткой[править | править вики-текст]
В обычной пассивной решётке один передатчик мощностью несколько киловатт питает несколько сотен элементов, каждый из которых излучает только десятки ватт мощности. Современный микроволновый транзисторный усилитель может, однако, также произвести десятки ватт, и в радаре с активной фазированной решёткой несколько сотен модулей, каждый мощностью в десятки ватт, создают в целом мощный главный луч радара в несколько киловатт.
В то время как результат идентичен, активные решётки намного более надёжны, поскольку хотя отказ одного приёмо-передающего элемента решётки и искажает диаграмму направленности антенны, что несколько ухудшает характеристики локатора, в целом он остаётся работоспособным. Катастрофического отказа лампы передатчика, которая является проблемой обычных радаров, просто не может произойти. Дополнительная выгода - экономия веса без большой лампы высокой мощности, связанной с ней системой охлаждения и большого блока питания высокого напряжения.
Другой особенностью, которая может использоваться только в активных решётках, является способность управлять усилением индивидуальных приёмно-передающих модулей. Если это может быть сделано, диапазон углов, через которые луч может быть отклонен, существенно увеличивается, и таким образом многие из ограничений геометрии решёток, которые имеют обычные фазированные решётки могут быть обойдены. Такие решётки называют решётками суперувеличения. Из изданной литературы неясно, используют ли какая-либо существующая или проектируемая антенная решётка эту технику.
Недостатки[править | править вики-текст]
Технология АФАР имеет две ключевые проблемы:
Рассеивание мощности[править | править вики-текст]
Первая проблема - рассеивание мощности. Из-за недостатков микроволновых транзисторных усилителей (монолитная микроволновая интегральная схема, MMIC (англ.)русск.), эффективность передатчика модуля - типично меньше чем 45%. В результате, AФAР выделяет большое количество теплоты, которая должна быть рассеяна, чтобы предохранить чипы передатчика от расплавления - надёжность GaAs MMIC-чипов улучшается при низкой рабочей температуре. Традиционное охлаждение воздухом, используемое в обычных ЭВМ и авионике, плохо подходит при высокой плотности упаковки элементов AФAР, в результате чего современные AФAР охлаждаются жидкостью (американские проекты используют polyalphaolefin (PAO) хладагент, подобный синтетической гидравлической жидкости). Типичная жидкостная система охлаждения использует насосы, вводящие хладагент через каналы в антенне, и выводящие затем его к теплообменнику - им может быть как воздушный охладитель (радиатор) так и теплообменник в топливном баке - со второй жидкостью, охлаждающей петлю теплообмена, чтобы уменьшить нагрев содержимого топливного бака.
По сравнению с обычным радаром истребителя с воздушным охлаждением, радар с AФAР более надёжен, однако потребляет больше электроэнергии и требует более интенсивного охлаждения. Но AФAР может обеспечить намного большую передаваемую мощность, что необходимо для большей дальности обнаружения цели (увеличение передающей мощности однако имеет недостаток - увеличения следа, по которому радиоразведка противника или RWR могут обнаружить радар).
Стоимость
Другая проблема - стоимость массового производства модулей. Для радара истребителя, требующего типично от 1000 до 1800 модулей, стоимость AФAР становится неприемлемой, если модули стоят больше чем сто долларов каждый. Ранние модули стоили приблизительно 2 тыс. долл., что не допускало массового использования AФAР. Однако стоимость таких модулей и MMIC-чипов постоянно уменьшается, поскольку себестоимость их разработки и производства постоянно снижается.
Несмотря на недостатки, активные фазированные решётки превосходят обычные радарные антенны почти во всех отношениях, обеспечивая более высокую следящую способность и надёжность, пусть и при некотором увеличении в сложности и, возможно, стоимости.