Основи РЛС / 1 Передавач / 6 Гр зан 7 / Зан.6укр

3.8 Антенні решітки з частотним і фазовим управлінням

Антени перших радіолокаторів, що працювали на метрових хвилях, виконувалися у вигляді решіток синфазних вібраторів. Сканування здійснювалося механічним обертанням антени. У міру упровадження в радіолокацію дециметрових, а потім сантиметрових і міліметрових хвиль антенні решітки (АР) все більш витіснялися дзеркальними і лінзовими антенами.

Останніми роками інтерес до багатоелементних АР незвичайно зріс, оскільки вони відкривають можливості рішення ряду серйозних проблем сучасної радіолокації.

Для отримання вузького променя потрібні антени великих розмірів, але це виключає можливість механічного сканування з малим періодом огляду. Якщо ж застосувати АР, то можна скласти її з тисяч-десятків тисяч однорідних елементів (вібраторних, рупорних і ін.), досягнувши цим дуже високої спрямованості; разом з тим механічне сканування замінюється електронним, заснованому на тому, що положення і форма променя в просторі залежить від амплітудного і фазового розподілу полів (струмів) в елементах решіток.

Для сканування в одній площині досить лінійних решіток, а для сканування по двох кутових координатах потрібні решітки з елементів, розподілених на площині або поверхні кулі, циліндра і т.д.

Електричне управління променем ФАР здійснюється зміною частоти коливань збудливого джерела, або зміною фази радіосигналів, що підводяться до випромінюючих елементів. Відповідно розрізняють частотний і фазовий способи управління променем. Антенні решітки з фазовим управлінням інакше називаються фазованими антенними решітками (ФАР).

3.8.1 Антенні решітки з частотним управлінням променем

З теорії антен відомо, що при зміні частоти радіосигналу w (довжини хвилі l) напрям головного максимуму Qm ДН АР визначається виразом

(3.21)

де x - зрушення фаз між сигналами в сусідніх випромінювачах, d - відстань між випромінювачами (крок решіток), з - швидкість світла, m = 0, ±1, ±2, ...

Ефективність частотного способу характеризується величиною куточастотної чутливості АР, яка визначається відношенням зміни напряму максимуму головної пелюстки ДН при скануванні променя із зміною частоти до відносної зміни частоти збудливих коливань, тобто

(3.22)

Звичайно генератори СВЧ допускають перебудову по частоті в межах декількох відсотків від несучої. Тому для здійснення ширококутного сканування величина q повинна бути 5-10 град/%, а іноді і більше. Це вимушує застосовувати спеціальні заходи для збільшення q.

Для підвищення куточастотної чутливості при фіксованому кроці d, який вибирається з умови забезпечення єдиності головного максимуму) необхідно підсилювати залежність зрушення фаз x від частоти.

У антенах з частотним скануванням променя використовуються дві схеми збудження випромінювачів - послідовна і паралельна. Обмежимося розглядом послідовної схеми, як найчастіше вживаної на практиці.

Частотний метод управління променем розглянемо на прикладі хвилеводно-щілистої антени з послідовним збудженням її елементів 1, 2, ... до хвилею Н10 (рис.3.42). З одного кінця хвилевід підключається до перебудовуваного по частоті генератора, а з іншого - до узгодженого навантаження R.

Рис.3.42. Хвилеводно-щілиста антена з послідовним збудженням.

Позначимо довжину хвилі в хвилеводі при довільній частоті генератора через lв, а при середній частоті діапазону через lво. Відстань між сусідніми щілинами d = lво/2, і якби вони розташовувалися по одній прямій, то при lв = lво фазове зрушення полів в цих щілинах було б рівне 2p·d/lво = p. У даній антені щілини розташовуються по черзі по обидві сторони від середньої лінії широкої стінки хвилеводу, цим компенсується фазове зрушення p. Як лінійна синфазна АР антена випромінює хвилі з максимумом, перпендикулярним осі решіток.

При зміні довжини хвилі в хвилеводі від lво до lв до зрушення фаз полів в сусідніх щілинах стає рівним

(3.23)

Тепер з сусідніх щілин хвилі випромінюються із зрушенням по фазі на кут x. Але оскільки фронт хвилі АВ є геометричним місцем крапок з рівною фазою, то максимум випромінювання при довжині хвилі в повітрі l повинен відхилитися від нормалі до осі решіток на такий кут Q, щоб за рахунок різниці ходу проміння d sinQ від сусідніх щілин до фронту АВ фазове зрушення 2p/l (d sinQ) було рівне куту x, вираженому формулою (3.23):

(3.24)

Звідси

(3.25)

Згідно одержаній формулі при lв< lво sinQ > 0 і кут Q > 0, при lв= lво·Q = 0 і, нарешті, при lв > lво sinQ < 0 і кут Q < 0.

Таким чином, зміна частоти генератора в заданому діапазоні хвиль супроводжується скануванням ДНА по обидві сторони від перпендикуляра до площини решіток.

У схемі, показаній на рис.3.43, хвиля, що біжить, наприклад, в зігнутому фідері проходить між випромінювачами шлях l, забезпечуючи послідовне збудження випромінювачів з лінійним фазовим розподілом із зрушенням фаз

(3.26)

де Vф, lф - фазова швидкість і довжина хвилі у фідері.

Підвищити x від частоти можна двома способами:

• використовуванням фідерів з великою дисперсією (володіючих сильною залежністю Vф від w);

• збільшенням довжини відрізків фідера l між суміжними випромінювачами.

Для збільшення дисперсії застосовуються уповільнюючі структури, наприклад, періодичну уповільнюючу систему типу «гребінки», поміщену в прямокутному хвилеводі з щілинами. Невелика зміна w приводить в цьому випадку помітній зміні lф, що в свою чергу помітно змінює зрушення по фазі x, а значить і кут відхилення променя Qm.

Рис.3.43

Основний недолік послідовної схеми з уповільнюючою структурою - велика концентрація електромагнітного поля у поверхні структури. Це приводить до зростання омічних втрат і зниження величини потужності, що пропускається, через небезпеку виникнення електричного пробою на «загострених» ділянках гребінки.

Другий спосіб підвищення q пов'язаний із збільшенням довжини фідера l і конструктивно реалізується за допомогою спіральних або змійкових хвилеводів. В цьому випадку при значному l навіть невелика зміна lф із зміною частоти приводить до істотного приросту зрушення фаз x, тобто до підвищення q. При великому l велике також і абсолютне значення зрушення фаз x, що еквівалентне, як наголошувалося, використовуванню для сканування головних пелюсток вищих порядків.

До основних недоліків частотного способу відносяться:

• помітні втрати енергії;

• обмежені можливості по використовуванню широкосмугових сигналів, оскільки через частотну залежність орієнтації променя ширина спектру радіосигналу, випромінюваного в напрямі на мету, зменшується із збільшення q;

• обмежені можливості частотної перебудови РЛС для захисту

• від перешкод, оскільки при зміні частоти відхиляється промінь і втрачається ціль;

• наявність ефекту «нормалі», що виявляється у тому, що при проходженні максимуму головної пелюстки через нормаль до антени (Qm = 0) відображені від всіх випромінювачів коливання складаються у фазі, оскільки у фідері між сусідніми випромінювачами укладається ціле число довжин хвиль - то приводить до різкого збільшення амплітуди відображеної хвилі, виникає небезпека електричного пробою. Тому звичайно нормаль виключається з сектора сканування.

Таким чином, вказані недоліки знижують можливості ФАР з частотним способом управління променем. Проте, внаслідок того, що антени з частотним способом сканування є порівняно простими і мають відносно невелику вартість, вони є досить поширеним типом антен з електричним скануванням.

3.8.2 Антенні решітки з фазовим управлінням променем

Фазованими антенними решітками (ФАР) називаються антенні решітки (АР), напрям максимального випромінювання (прийому) і (або) форма відповідної їй діаграми спрямованості змінюється за допомогою зміни фази радіосигналів у випромінюючих елементах.

Як випромінювачі звичайно використовуються слабонаправлені антени: вібратори, щілини, рупори, діелектричні стрижні, спіралі і т.п.

Зміна фазового розподілу (а іноді і амплітудного розподілу) здійснюється електричним способом за допомогою ЕОМ, що забезпечує високу швидкість сканування і управління формою ДНА, швидкий огляд простору і, відповідно, високий темп видачі інформації про велике число цілей.

Застосування ЕОМ дозволяє здійснити гнучке управління положенням і формою ДНА відповідно до алгоритмів, найбільш відповідних для повітряної обстановки, що складається.

Можливість формування за допомогою однієї антени декілька незалежного проміння спільно з високою швидкістю перекидання з одного положення в інше відкриває можливості конструювання багатоцільових і багатофункціональних РЛС.

Підключення в тракти випромінюючих елементів активних пристроїв (активні ФАР), зокрема, підсилювачів СВЧ потужності, дозволяє одержати недосяжні раніше значення випромінюваної потужності в режимі передачі і підвищити відношення сигнал/шум в режимі прийому.

Відмічені можливості ФАР визначили якісно новий етап в розвитку техніки радіолокації. Сучасні РЛС з ФАР здатні успішно виконувати задачі пошуку, виявлення і супроводу на великих дальностях значного числа швидкісних і маневрених цілей, наведення на них засобів поразки в умовах широкого застосування різного роду перешкод і т.п.

При фазовому способі управління променем фазовий розподіл в розкритті ФАР змінюється за допомогою електрично керованих фазообертачів, включених в канали живлення випромінювачів. Як робочий використовується звичайно головний максимум нульового порядку.

ФАР складається з наступних систем:

• випромінююча система;

• система розподілу потужності (дільника потужності); системи управління променем;

• системи контролю.

Розглянемо особливості кожної з відмічених систем.

Випромінююча система представляє собою антенні решітки, що здійснюють формування вимагається ДН, а також випромінювання і прийом хвиль.

На практиці знаходять застосування лінійні, плоскі або опуклі антенні решітки (кільцеві, конічні, циліндрові, сферичні).

Плоскі АР, на відміну від лінійних, забезпечують двовимірне сканування променя. Найбільше поширення набули плоскі решітки з розміщенням випромінювачів у вузлах прямокутної (рис.3.44,а) і трикутної (рис.3.44,б) сіток.

а) б)

Рис.3.44. Плоскі решітки з розміщенням випромінювачів у вузлах прямокутної (а) і трикутної (б) сіток.

На характеристики випромінюючої системи істотний вплив може зробити взаємний зв'язок між випромінювачами через вільний простір, оскільки частина енергії, випромінюваної сусідніми елементами, потрапляє в даний випромінювач (рис.3.44). Сигнали зв'язку складаються з урахуванням їх амплітудних і фазових відмінностей і створюють хвилю, що розповсюджується до генератора. Наявність цієї хвилі може тлумачити як наслідок віддзеркалення електромагнітної енергії від випромінювача, тобто як зміна його вхідного опору. Кінець кінцем, явище взаємодії випромінювачів змінює як направлені, так і енергетичні характеристики антени.

Взаємодія випромінювачів залежить від типу використовуваних випромінювачів, їх положення в решітках і інших чинників. Досвід і теорія показують, що із збільшенням відстані між випромінювачами їх взаємний вплив зменшується.

При деяких кутах сканування сигнали зв'язку, наведені в кожному випромінювачі, складаються у фазі. При цьому коефіцієнт віддзеркалення приблизно дорівнює одиниці, значна частина потужності, що підводиться, відображається від антени і повертається до генератора або втрачається в розв'язуючих пристроях. Наступає так званий «ефект засліплення» ФАР. Для цих кутів в ДН випромінювача в решітках утворюються глибокі провали.

Для зменшення розузгодження ФАР при скануванні необхідно компенсувати взаємний вплив випромінювачів. Для цього можна використовувати два основні методи:

• введення внутрішніх компенсуючих ланцюгів зв'язку між трактами зв'язку сусідніх випромінювачів (наприклад, отворів в суміжних хвилеводах);

• зміна зовнішніх зв'язків між випромінювачами (установка металевих перегородок, діелектричних вставок і т.п.).

Слід мати на увазі, що проблема розрахунку взаємного впливу випромінювачів в АР, їх обліку і компенсації є однією з найважчих на шляху створення високоякісних скануючих пристроїв.

Система розподілу ВЧ потужності призначена для розподілу електромагнітної енергії між випромінюючими елементами антенних решіток в заданому відношенні, тобто для забезпечення необхідного амплітудного розподілу в розкритті решітки. Вона повинна володіти мінімальними втратами потужності в заданих смузі частот і секторі сканування.

Розрізняють АР з фідерним і просторовим збудженням.

Антенні решітки з фідерним збудженням підрозділяють на АР з послідовним, паралельним і змішаним збудженням.

Послідовна схема є найпростішою і компактнішою. Необхідний амплітудний розподіл забезпечується вибором величини зв'язку направлених відгалужувачів із загальним фідером. Всі фазообертачі при включенні їх в загальний фідерний тракт (рис.3.45,а) управляються по однаковому закону, проте при цьому до них пред'являються підвищені вимоги по електричній міцності, втратам і стабільності фази.

Рис.3.45

Гідність такої схеми полягає у тому, що для зміни фазового зрушення (управління променем) потрібен лише один управляючий сигнал, що подається одночасно на все ФО. Проте втрати ФО тут підсумовуються, що може зажадати включення спеціальних компенсуючих підсилювачів.

Ці вимоги ослабляються при включенні фазообертачів в тракти випромінювачів (рис.3.45,б), але при цьому ускладнюється управління фазовим розподілом. На рис.3.45,в показана схема послідовного збудження з живленням в центрі решіток і роздільними каналами формування сумарної і різницевої ДН.

Для збільшення широкосмугової схем розподілу потужності електричні довжини трактів від входу антени до випромінювачів повинні бути однаковими, інакше виникають фазові спотворення в розкритті антени.

Відмічену вимогу простіше виконати при паралельній схемі розподілу потужності (рис.3.46,а). У ній відсутній ефект накопичення фазових нестабільностей і можливе використовування малопотужних фазообертачів. Достоїнства паралельної схеми: вищий ККД і вищий рівень допустимого випромінювання, оскільки при N фазообертачах через кожний з них проходить тільки N-я частина загальної потужності випромінювання; велика точність сканування за рахунок того, що помилки будь-якого ФО позначаються на роботі одного елементу решіток, тоді як в послідовній схемі - і на роботі всіх подальших.

Недоліки схеми пов'язані з складністю узгодження при розподілі потужності на велике число каналів і складніше управління фазовим розподілом.

На рис.3.46,б приведена паралельна схема розподілу потужності для формування двох незалежно керованого проміння ФАР. Змішане збудження антенних решіток здійснюється поєднанням паралельного і послідовного збуджень.

Антенні решітки з просторовим збудженням підрозділяються на відбивні (рис.3.47,а) і прохідні (рис.3.47,б). Обидві схеми дозволяють так само, як в дзеркальних і лінзових антенах, одержати необхідний амплітудний розподіл відповідним вибором ДН опромінювача, допускають застосування моноімпульсних опромінювачів. Проте в прохідному варіанті відсутній ефект затінювання розкриття. Відбивний варіант конструктивно більш зручний.

У активних ФАР (АФАР) разом з фазообертачами в тракт кожного випромінювача включається активний елемент, що працює як підсилювач потужності і перетворювача частоти. Як такі елементи використовуються як вакуумні, так і твердотільні прилади СВЧ (тріоди, тетроди, ЛБХ транзистори, діоди Ганна і ін.). Часто випромінювач, активні елементи, фазообертач, фідерні лінії, що сполучають елементи СВЧ і т.д. конструктивно об’єднані в один пристрій, званий модулем АФАР.

Рис.3.46

а) б)

Рис.3.47

Основними вимогами до активних елементів модулів є: забезпечення коефіцієнта посилення по потужності більше 10 дБ:

• забезпечення щодо високих значень ККД (не менше 20-40%);

• забезпечення широкої смуги пропускання (більше 5%);

• забезпечення низького коефіцієнта шуму, а також конструктивні і економічні вимоги.

Останніми роками в активних модулях АФАР все більш широке застосування знаходять напівпровідникові прилади СВЧ. Використовування полоськової і мікрополоськової техніки дозволяє значною мірою понизити вартість, підвищити надійність, зменшити масу і габарити цих пристроїв.

Система управління променем (СУП) ФАР є сукупністю спільно діючих пристроїв, що забезпечують електричне управління променем ФАР.

СУП складається з командного пристрою, пристрою передачі команд і каналів управління.

Командний пристрій призначений для вироблення команд управління фазовим розподілом, в ньому застосовується обчислювальний і табличний способи формування фазового розподілу по каналах управління СУП.

При обчислювальному способі за поступаючою з ЕОМ інформацією про кути орієнтації променя за допомогою спецобчислювача фази виробляється розрахунок команд управління ФР безпосередньо в процесі роботи СУП.

При табличному способі наперед розраховані ФР зведені в таблиці і зберігаються в пам'яті спецобчислювача фаз. При роботі СУП по командах вони прочитуються і поступають в канали управління.

Пристрій передачі команд розподіляє і передає команди від командного пристрою до каналів управління.

Основними елементами каналу управління СУП є фазообертачі і пристрої управління ними. Пристрій управління забезпечує логічну обробку і перетворення команд управління до вигляду, необхідного для безпосереднього управління фазообертачами.

Система управління ФО може бути безперервною, дискретною або комутаційною.

Перша виробляє безперервні сигнали управління, необхідні для плавного сканування ДНА. Реалізація такої системи при паралельній схемі живлення, де на кожен ФО подається окремий управляючий сигнал, пов'язано з великими труднощами, особливо якщо АР багатоелементна.

При дискретному управлінні кожен ФО розрахований на фіксоване значення фазового зрушення, наприклад 0, p/2, 3p/2, пристрою управління променем, що вводиться по команді.

Комутаційне управління найпростіше (рис.3.48): вказані фіксовані зрушення створюються в кожному елементі АР однаковими комплектами нерегульованих ФО, причому кожний з них включається через окремий комутатор. Управляючі сигнали посилаються з обчислювального пристрою згідно необхідному закону сканування.

Очевидно, що при дискретному і комутаційному управлінні неминучі фазові помилки, оскільки тільки при безперервному управлінні можна одержати саме ті фазові зрушення у всіх елементах АР, які необхідні для точного відхилення променя на заданий кут. Через фазові помилки розширяється головна пелюстка і підвищується рівень бічних пелюсток ДНА.

Таким чином, комутаційне управління найпростіше і тому найперспективніше, особливо для багатоелементних АР, потреба в яких росте у зв'язку з підвищенням вимог до точності і роздільної здатності РЛС по кутових координатах. Так, для формування променя вширшки 1о антенні решітки повинні містити 104 елементів, а шириною 0,1о - близько 106 елементів.

Рис.3.48

Система контролю ФАР призначена для перевірки відповідності параметрів ФАР встановленим вимогам і виявлення відмов в елементах СВЧ і пристроях системи управління променем.

Контроль ФАР здійснюється за певною програмою за допомогою ЕОМ. При цьому передбачаються засоби багатоканальної сигналізації про нормальну роботу ФАР, про розташування елементів, що відмовили.

У конструкції ФАР необхідно передбачити можливість швидкої зміни несправних елементів, що досягається застосуванням модульної конструкції і пристроїв для їх автоматичної зміни. Контроль внутрішніх характеристик ФАР не обов'язково повинен включати вимірювання по високій частоті. Наприклад, нормальне функціонування більшості ФО оцінюється по величині їх управляючих струмів.

В ув'язненні слід підкреслити, що наявність системи контролю ФАР, застосування резервування модульних змінних конструкцій, радіопрозорих укриттів забезпечують високу надійність функціонування ФАР. Крім того, у ФАР можна порівняно просто реалізовувати спеціальні види АФР в розкритті і застосовувати різні методи обробки сигналів, прийнятих окремими випромінювачами антени. Це дозволяє одержати низькі рівні бічних пелюсток ДНА, витягувати велику інформацію з радіохвиль, що приходять до антени, від різних джерел, використовувати адаптивні алгоритми оптимальної просторово-часової фільтрації сигналів на фоні перешкод і т.п., що в цілому покращує характеристики РЛС.