Московский авиационный институт

(национальный исследвательский университет)

Реферат на тему:

«Фазовращатель фазированной антенной решетки»

Работу выполнил Студент гр 4В-201С Буз К.А.

Работу проверил Преподаватель Волков О. А.

2013

Содержание

1. Введение.

2. Классификация фазовращателей.

3. Дискретность фазирования и расположение излучателей.

4. Изменение характеристик направленности в секторе сканирования.

5. Характеристики управления и общетехнические характеристики.

6. Высокоточный аналоговый фазовращатель для полу активной ФАР.

7. Ферритовые фазовращатели.

7.1. Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с продольным

намагничиванием.

7.2. Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с поперечным полем

подмагничивания.

7.3. СВЧ фазовращатель с планарными конденсаторами на основе пленок титаната

стронция.

8. Перспективы развития ФАР.

9. Фазированные антенные решетки. Перспективные программы НИОКР.

10. Технология MMIC - новые перспективы.

11. НИОКР в области фазированных антенных решеток.

12. Сегнетоэлектрическая антенная решетка.

13. Плазменная антенна с электронным сканированием.

14. Отражательная решетка на 100-мм полупроводниковых пластинах.

15. Широкополосные антенные решетки с разделением апертуры.

16. Антенные решетки с цифровым формированием диаграммы направленности.

Источники:

http://kunegin.com/ref3/far/chap1.htm

http://kunegin.com/ref3/far/chap6.htm

http://gendocs.ru/v997/?cc=9

http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=581698

Библиографический список

1. Хижа Г. С., Вендик И. Б., Серебрякова Е. А. СВЧ-фазовращатели и переключатели. М.: Радио и

связь, 1984.

2. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию) / под

ред. Л.Д. Бахраха. М.: Сайнс-Пресс. 2002.

3. Pedram Mousavi, Mohammad Fakharzadeh, S. Hamidreza Jamali, Kiarash Narimani, Mircea Hossu,

Hamid Bolandhemmat, Gholamreza Rafi, and Safieddin Safavi-Naeini. A Low-Cost Ultra Low Profile Phased

Array System for Mobile Satellite Reception Using Zero-Knowledge Beamforming Algorithm. IEEE

transactions on antennas and propagation, vol. 56, no.12, december 2008.

4. Малорацкий Л. Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М.: Сов. радио, 1976.

Введение.

Представим себе высоконаправленную антенну, обеспечивающую связь с искусственным спутником Земли (ИСЗ). Такая антенна имеет остросфокусированный луч, точно направленный на объект связи. Примером такой антенны может служить наземная антенна станции «Орбита», которая использовалась в первых советских системах передачи телевидения и обеспечения многоканальной телефонной связи через ИСЗ. Эта антенна

представляет собой параболический рефлектор диаметром порядка десяти метров. Для того чтобы осуществить слежение за объектом связи или радионаблюдения с помощью такой антенны, необходимо поворачивать всю эту довольно тяжелую механическую систему.

Очевидно, что во многих случаях нужна антенна, у которой направление луча не было бы связано с ориентацией всей антенны как механической конструкции. Нужна антенна с немеханическим движением луча или, другими словами, антенна с электронным сканированием. Под сканированием здесь понимается движение луча антенны, осуществляющее обзор пространства в заданном пространственном угле. Такая антенна нужна не только в системах связи с ИСЗ, но и в системе управления движением в районе

большого аэропорта. Особую роль антенны с электронным сканированием играли и продолжают играть в системах противоракетной обороны (ПРО). С начала 90-х годов антенны с электронным сканированием стали объектом внимания автомобильных компаний. В этой связи такие антенны могут стать предметом массового спроса, как цветной телевизор или персональный компьютер. Сложившееся к настоящему времени техническое решение антенны с электронным сканированием представлено в виде решетки, в узлах которой расположены простейшие излучатели электромагнитной волны. Цепи питания этих излучателей организованы так, что излучение, испускаемое каждым излучателем, когерентно с излучением всех излучателей, в то время как фаза излучаемых волн изменяется по заданному закону.

Изменение распределения фаз на излучателях позволяет сформировать луч антенны в заданном направлении. Такая решетка излучателей с управляемым распределением фаз волн, излучаемых элементарными излучателями, получила название фазированной антенной решетки (ФАР). Таким образом, термины антенна с немеханическим движением луча, антенна с электронным сканированием или фазированная антенная решетка практически являются синонимами.

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

задачу управления диаграммой направленности антенны в течение интервалов времени,

измеряемых вначале миллисекундами, а затем микросекундами и даже долями микросекунды.

Насколько можно судить по известным публикациям, первая антенна с электронным сканированием для применения в радиолокации была осуществлена в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) в 1955 году в группе под руководством проф. О. П. Орова (1914-1955). В основу принципа действия антенны было положено управление фазами волн в нескольких излучателях антенны с помощью фазовращателей, содержащих ферритовые элементы. Как раз в те годы в электронике различных частот началось широкое применение ферритов - железосодержащих окислов металлов, которые являются диэлектриками, но обладают магнитными свойствами, близкими к свойствам железа. Первая публикация о фазовращателе на основе феррита, предназначенном для применения в антенне с электронным сканированием, появилась в конце 1954 года. А публикации по самой антенне в 1956-1957 годах. Задача разработки антенны с электронным сканированием слагается из двух составных частей:

1)Ввыбор числа излучателей и конфигурации их размещения;

2) Разработка фазовращателей, управляющих фазой электромагнитной волны в излучателях.

Фазированные антенные решетки отличаются от АР включением в антенный тракт системы фазовращателей или коммутаторов, осуществляющей управление фазовым или амплитудно-фазовым распределением для электрического сканирования. Нашли применение различные схемы построения ФАР в зависимости от требований к системе. Пространственный способ возбуждения (называемый еще распределителем оптического типа) допускает два варианта антенн: отражательную ФАР (рис. 1) и проходную ФАР (рис. 2). Фидерный способ возбуждения (распределитель закрытого типа) допускает последовательное, параллельное, двоично-этажное (елочки) питание излучателей и фазовращателей и их комбинации . Находят применение гибридные антенны - совместное использование ФАР и антенн оптического типа. Сочетание радиолинзы с ФАР или применение направленных излучающих элементов ФАР (зеркал, подрешеток и т. д.) позволяет получить те же результаты: уменьшение числа управляемых фазовращателей при ограниченном секторе сканирования.

Сочетание линзы с ФАР расширяет сектор сканирования плоской ФАР. Одновременно с этим происходит ухудшение других характеристик антенной системы.Цилиндрическая решетка излучателей, подключаемая коммутаторами (с фазовращателями или без них) к возбуждающей системе полосковых линий, волноводов, радиальных волноводов и других элементов, позволяет сканировать в широком секторе углов. Возможно применение многолучевых антенн, формирующих с одного излучающего раскрыва несколько ДН, каждой из которых соответствует входной тракт антенны. Многоканальный коммутатор, подключенный к входам многолучевой антенны, позволяет дискретно перемещать луч в пространстве в соответствии с характеристиками многолучевой антенны. Необходимость использования многолучевого режима в радиотехнических системах приводит к созданию ФАР с несколькими независимыми сканирующими лучами. Возможный путь решения таких задач состоит в совмещении многолучевых антенн с системой управляемых фазовращателей и возбуждаемых через направленные ответвители магистральных волноводов. Каждая из приведенных схем построения ФАР имеет свои преимущества и недостатки, и выбор той или иной схемы определяется поставленными требованиями к радиотехнической системе, последующей обработкой СВЧ-сигнала, а также элементной базой.

Элементная база ФАР включает: излучатели, фазовращатели, коммутаторы, сумматоры (делители) мощности и линии передач СВЧ. Центральным элементом - "кирпичиком", из которого строится ФАР. Служит фазовращатель. Его важнейшими характеристиками являются мощности потерь, управления и предельно допустимая рабочая полоса частот,

быстродействие, зависимость фазового сдвига от управляющего воздействия, габариты и стоимость. Волноводное, коаксиальное, полосковое, микрополосковое исполнение фазовращателя определяет выбор не только тракта СВЧ, но и тип излучателя. В диапазоне СВЧ нашли широкое применение полупроводниковые (p-i-n-диодные) и ферритовые фазовращатели, которые принято разделять на проходные или отражательные, взаимные и невзаимные, дискретные или плавные, с памятью фазового сдвига и без запоминания.

Проходной фазовращатель - это четырехполюсное согласованное устройство СВЧ, вносящее дополнительный фазовый сдвиг от 0 до 360° - в зависимости от управляющего сигнала.

Отражательный фазовращатель - это двухполюсное устройство (короткозамкнутый отрезок лини СВЧ), у которого фаза отраженной волны также управляется. Короткое замыкание выходных клемм в проходном фазовращателе преобразует его в отражательный. Отражательный фазовращатель может быть преобразован в проходной за счет применения мостового устройства. Взаимный фазовращатель обладает одинаковым вносимым фазовым сдвигом при прямом и обратном направлении распространения волны, невзаимный этим свойством не обладает. Невзаимный фазовращатель, как правило, использует в электрически управляемой среде невзаимный аффект, например эффект Фарадея в феррите. Взаимный отражательный фазовращатель с Y-циркулятором образует проходной невзаимный фазовращатель.

В реферате также присутствуют сведения о разработке аналогового фазовращателя на полупроводниковых варикапах с фазовым сдвигом 0 - 360 градусов и шириной полосы рабочих частот 8%. Рассматривается вопрос минимизации модуляции амплитуды коэффициента передачи в различных фазовых состояниях. Была разработана специальная схема трансформации волновых сопротивлений, что позволило использовать варикапы с достаточно низкой добротностью. Описано создание схемы цифрового управления аналоговым фазовращателем. Радар, фазированная антенная решетка, электронное сканирование, фазовращатель, поверхностный монтаж, варикап.