Активные фазированные антенные решетки реферат

Обновлено: 02.07.2024

Данный материал предваряет цикл статей, посвященных рассмотрению вопроса построения и разработки таких сложных систем, как радиолокаторы с использованием активных фазированных решеток. Предложены варианты комплектующих для основного элемента такого оборудования — приемопередающих модулей от ведущих мировых производителей: Hittite Microwave, TRAK Microwave, NXP и API Technologies.

Введение

В целом структура современного радиолокатора мало отличается от систем, разработанных на заре становления радиолокации, — антенная система, приемник, передатчик, система обработки информации. Развитие техники в этой области двигалось в направлении усовершенствования каждой составной части параллельно. Однако именно развитию антенных систем и постепенному интегрированию антенны как таковой с трактами приемника и передатчика уделялось особое внимание. В совокупности с совершенствованием элементной базы и переходом к использованию в радиолокационных целях все более высоких частот, в широкое применение вошли антенные системы типа фазированная решетка.

Фазированная антенная решетка — антенна, состоящая из группы излучателей, фазой сигнала в которых можно управлять независимо, формируя эффективное излучение антенны в целом на одном, желаемом направлении, отличном от направления эффективного излучения отдельного элемента. Таким образом, появилась возможность эффективно управлять лучом антенны электронным способом.

На рис. 1 схематично показан принцип формирования фазового фронта и направление суммарного луча антенной решетки перпендикулярно этой плоскости равных фаз.

Рис. 1. Обеспечение наклона луча фазированной антенной решетки

Следует разделять два основных вида систем на фазированных антенных решетках — пассивные антенные решетки и активные. Основное различие таково: в пассивных антенных решетках имеется один мощный приемопередатчик, чей сигнал делится на все каналы, условно содержание только элемент поворота фазы. В активных фазированных решетках (АФАР) канал каждого элемента решетки имеет свой собственный приемопередатчик. Каждая из концепций имеет свои плюсы и минусы: пассивные решетки значительно дешевле, но требуют применения очень мощных источников сигнала, которым, в свою очередь, необходима сложная схема питания, охлаждения. Активные решетки имеют огромный запас по надежности — выход из строя одного приемопередатчика не приводит к поломке всей системы, но количество используемых компонентов и сложность управления, синхронизации, в конце концов, стоимость устройства превышает стоимость пассивной решетки на порядки.

Однако развитие современной базы электронных компонентов, миниатюризация и вывод в массовое производство еще совсем недавно штучных технологий позволяют системам на АФАР вытеснять пассивные решетки не только с уже давно занятых позиций в авиационной и военной технике, но и в сугубо гражданских применениях — подповерхностном зондировании, радиолокаторах систем организации воздушного движения, космических программах и т. д.

Поэтому в дальнейшем заострим внимание именно на системах АФАР. Их основным элементом является приемопередающий модуль (ППМ), в современных системах зачастую антенна отдельного элемента решетки является частью конструктива ППМ. Пример внешнего вида современного ППМ показан на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид ППМ АФАР от компании Cassidian

По идеологии и схемотехнике приемопередающие модули могут реализовываться различными способами, но есть возможность обобщенного представления, составные части такой схемы, так или иначе, присутствуют во всех из них. Поэтому остановимся только на этих элементах и постараемся очертить круг компонентов, которые позволят решить задачу конструирования АФАР в самых популярных диапазонах частот:

L — 1–2 ГГц;
S — 2–4 ГГц;
X — 8–12 ГГц.

Структурная схема ППМ, которую предлагается принять за исходную, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема ППМ

Аттенюаторы

Аттенюатор — элемент, общий для трактов приемника и передатчика. Предназначен для задания дополнительной вариативности сигналов не только по фазе, но и по амплитуде — позволяет уменьшить влияние боковых лепестков диаграммы, устранить неидентичность коэффициента передачи отдельных приемопередатчиков. Как правило, используется цифровой аттенюатор, так как управляемый аналогово будет сильно зависеть в своих характеристиках от качества управляющего сигнала.

Рассмотрим современные решения в области таких компонентов на примере продукции американской компании HittiteMicrowave, зарекомендовавшей себя как один из лидеров, выпускающих микросхемы СВЧ-диапазона. Портфолио этой компании включает практически все компоненты, необходимые для построения большинства СВЧ-устройств, поэтому разработчику не придется дополнительно искать комплектующие у других производителей.

Рис. 4. Структура аттенюатора HMC424LP3

Сегодня наблюдается тенденция к созданию широкополосных цифровых аттенюаторов, перекрывающих несколько частотных диапазонов, позволяя инженерам унифицировать свои разработки под разные применения. Следующий критерий выбора аттенюатора — диапазон ослабления и минимальный шаг. Современные решения предоставляют возможность получить более 30 и 0,5 дБ соответственно (табл. 1). Структурно, на примере HMC424LP3, цифровой аттенюатор представляет собой линейку фиксированных аттенюаторов с возможностью управления каждой секцией последовательным или параллельным кодом (рис. 4).

На хабре уже есть статья, 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?

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).

Схема ФАР на рис. 4 [1]: антенна представляет собой линейку излучателей, между разделителем мощности и излучателями включены ФВ. Ферритовый ФВ представляет собой аналоговый феррит цилиндрической формы, на который намотаны обмотки управления. Изменяя ток в обмотках управления (задается блоком управления ФВ) изменяется магнитная проницаемость и соответственно фазовая скорость ЭМ волны в ФВ. Таким образом, последовательно изменяя уровень сигнала управления в обмотках процесс формирования волнового фронта может представлен как показано на рисунке 3, 4 (одномерный случай). Можно провести аналогию с камешками, которые последовательно кидаем в воду. Еще одной аналогией работы ФАР может служить линза. На рисунке 5 показано изменение формы волнового фронта с помощью линзы [4].

Рисунок 3. Формирование волнового фронта.

Рисунок 4. Схема ФАР.

Основной луч располагается перпендикулярно фазовому фронту. Из диаграммы направленности (рис. 6) видно, что кроме основного луча есть обратный и боковые лепестки, которые являются паразитными и уменьшение их уровня является вопросом распределения ЭМ поля в апертуре решетки. Изменение положения луча в пространстве происходит электрическим образом (практически безынерционно) – именно это качество особенно важно.

Рисунок 6. Типичная диаграмма направленности.

Электрическое сканирование обеспечивает создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных – каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всего радиоустройства, в которое входит ФАР [2,3].

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; 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

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:
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 Θ_s 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.

Прогресс в создании новых типов самолетов и ракет, ставший особенно интенсивным к середине XX века, привел к существенному росту скоростей целей и уменьшению их эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) 4. Это потребовало значительного усовершенствования радиолокационных станций как одного из наиболее оптимальных средств обнаружения и наблюдения за воздушными целями. Именно в этот период фазированные антенные решетки (ФАР) начали широко внедряться в различного назначения. Однако их разработка показала, что замена зеркальной антенны на пассивную ФАР увеличивает потери энергии в высокочастотной части в несколько раз. Для сохранения тактических характеристик эти потери приходилось компенсировать увеличением выходной мощности передатчика, что влекло за собой увеличение веса и объема. Одновременно возрастала потребляемая мощность

Современная радиотехническая обстановка характеризуется быстроменяющейся радиосценой при наличии пассивного и активного противодействия, требующая разработки многофункциональных радиоэлектронных комплексов (РЭК), легко адаптируемых к конкретным условиям

в окружающей помеховой ситуации, и значительного усовершенствования характеристик всех видов РЭК (бортовых, наземных) и радиосистем (локационных, связных, навигацнонных), находящихся в составе комплекса. Одной из наиболее жизненно важных систем РЭК является антенный модуль, в значительной степени определяющий характеристики комплекса в целом (точность обнаружения и наведения, дальность действия, возможность многофункциональной работы в помеховых условиях). Для построения таких модулей были внедрены в РЭК АФАР различного назначения, позволяющие эффективно решать многие задачи в реальном масштабе времени. Опыт первых разработок наземных АФАР позволил разработать теорию и технику их проектирования (см. гл. 2.3), но в то же время показал, что АФАР не удается разрабатывать традиционными методами, когда сначала создаются отдельные элементы: антенна, передатчик, высокочастотный тракт и т.п., а потом из них формируется система.

В составе АФАР все эти элементы взаимосвязаны, интенсивно влияют на параметры друг друга и, в результате, определяют электродинамические характеристики решетки, и поэтому АФАР рассматривается как единый комплекс, а ее проектирование — это системная задача. Разработка РЭК с АФАР приводит к существенному изменению процесса проектирования других систем комплекса, начиная с обработки сигнала и кончая источником питания. К настоящему времени теоретические исследования, результаты моделирования, опыт разработки и испытаний радиокомплексов с АФАР позволили сформулировать достоинства и недостатки АФАР.

возможность создания на их основе принципиально новых интегрированных РЭК, обеспечивающих многофункциональную работу с гибким управлением пространственными характеристиками и высоким энергетическим потенциалом, адаптацию к быстроменяющимся условиям и сложной помеховой обстановке, тем самым удовлетворяя все возрастающим требованиям к мощностным и массо-габаритным характеристикам антенных систем различного назначения; высокий уровень излучаемой мощности, обеспечиваемой суммированием в пространстве многих маломощных сигналов, что позволяет значительно превзойти мощностные характеристики одиночного фидерного тракта без опасности электрического пробоя;

высокая надежность, обеспечиваемая наличием избыточных элементов и их функциональными возможностями (наработка на отказ твердотельных усилителей составляет передатчик на ЛБВ - 300 500 ч [7, 9], отказ в твердотельном передатчике мгновенно не наступает и неисправности накапливаются постепенно);

при избыточности активных модулей АФАР и периодичности обслуживания наработка на отказ АФАР перестает влиять на надежность РЭК;

простота эксплуатации твердотельных АФАР из-за отсутствия высокого напряжения (питающие напряжения активных модулей достаточно низкие - 24. 30 В) и, благодаря высокой фазовой стабильности ретулировка усилителей в процессе эксплуатации не требуется, их замена легко осуществляется в период регламентных работ), РЭК с АФАР проектируются как необслуживаемые системы;

малые массогабаритные характеристики твердотельных приемопередающих модулей (ППМ) АФАР, позволяющие проектировать многоэлементные решетки с высоким энергетическим потенциалом Опыт проектирования твердотельных АФАР показал, что при достижении средней мощности применяемых транзисторов (40 вт) массогабаритные характеристики решетки значительно лучше аналогичных характеристик антенных систем с передатчиком на электронно-вакуумных приборах, дополнительный выигрыш в массе и габаритных размерах дает отсутствие мощного высоковольтного модулятора, позволяющего разместить всю аппаратуру АФАР вместе с источниками питания, на одном бортовом или наземном транспортном средстве);

значительно ослаблены вопросы наличия потерь в распределительных трактах на общие характеристики системы, так как усилительные устройства в ППМ позволяют их компенсировать, а отсутствие потерь на высоком уровне мощности в делителях и фазовращателях позволяет упростить и удешевить эти устройства, и одновременно повысить быстродействие системы управления лучом;

работа в более широкой полосе рабочих частот и секторе сканирования с управляемой поляризацией, что позволяет построить на базе АФАР широкополосные и сверхширокополосные антенные системы с электрическим сканированием на СКИ (см. гл. 10), обнаруживающие не только малозаметные цели (или источники), но и осуществляющие идентификацию определяемых объектов;

выигрыш в обработке сигнала (см. гл. 8) - для бортовых он составляет 6 дБ, что увеличивает дальность действия на 40 %, кроме того РЛС с АФАР позволяют формировать: провалы в ДН в направлении средств радиоэлектронной борьбы; несколько лучей, обеспечивающих одновременные режимы: воздух-воздух, воздух-поверхность, обход-облет препятствий; независимые ДН на передачу и прием. Недостатки АФАР:

высокая стоимость (на порядок и более) как при проектировании, так и при изготовлении;

сложность построения антенной системы — из-за наличия дополнительных элементов (фазовращателей, усилителей, управляемых

аттенюаторов) в каждом канале АФАР, требующих разработки и создания новой элементной базы - ППМ со встроенными усилителями, фазовращателями и аттенюаторами;

низкий КПД (примерно в 2 раза меньше) маломощных транзисторных усилительных устройств по сравнению с мощными передатчиками ФАР, что приводит к конструктивно-технологическим трудностям теплоотвода в антенном полотне решетки, радиационной стойкости и надежности элементов;

отсутствие методологической базы при комплексном подходе к проектированию АФАР;

отсутствие метрологического обеспечения при производстве, контроле и эксплуатации.

В процессе реализации РЭК с АФАР потребуется создать эксплуатационно-ремонтную базу и проверочное оборудование, затраты на которые могут быть соизмеримы со стоимостью разработки самой АФАР. Однако несомненный прогресс в разработке интегрированных высокочастотных ППМ будет способствовать созданию твердотельных АФАР [9, 10]. В то же время использование АФАР в РЭК экономически оправдано тогда, когда сам комплекс должен обеспечивать многофункциональную работу при высоком энергетическом потенциале, мобильности и адаптации к быстроменяющейся обстановке в условиях активного радиопротиводействия.

Читайте также: