Литература / М.И.Финкельштейн Основы радиолокации

ние максимума главного лепестка 0О будет таким, при ко­ тором сдвиг фаз <р скомпенсирует сдвиг фаз за счет разности

с этого направления размеры всей антенной решетки убы­ вают в cos 0О раз. "

В тех случаях, когда^ расстояние между излучателями b > М2, в ДН появляются лепестки, амплитуда которых

равна амплитуде основного луча (вторичные главные ле­ пестки). Например, при b = 2Х вторичные главные лепе­

стки появляются при 0 = ±30°; ±90°. Напомним, что снижение уровня бокового излучения можно осуществить использованием неравномерного амплитудного распределе­ ния, что связано с весовой обработкой сигналов (§ 7.2, п. 5).

Описанный метод управления лучом антенны именуется фазовым, а соответствующее антенное устройство —фази­ рованной антенной решеткой (ФАР). Для возбуждения из­ лучателей ФАР используются делители мощности в виде закрытого тракта или оптического типа. В закрытых трак­

440

тах применяются волноводные и коаксиальные тройники волноводные мосты, направленные ответвители и т. д., выполненные по схемам последовательного (рис. 9.2, б) или параллельного (рис. 9.2, в) включения. В каждый из п фазовращателей проходит Мп мощности, а потери мощно­

сти определяются потерями одного фазовращателя. Недо­ статок последовательной схемы — фазовые искажения вследствие различной электрической длины пути от входа антенны до излучателей, что требует включения компенса­ ционных отрезков кабелей. Недостаток параллельной схе­ мы — сложность согласования при делении мощности на большое число каналов.

На рис. 9.2, г показана проходная, а на рис. 9.2, д от­

ражательная схема ФАР оптического типа. В проходной схеме специальный облучатель возбуждает систему прием­ ных элементов, а после фазирования происходит излучение системы излучателей. В отражательной схеме один и тот же элемент используется как приемный и излучательный. Оп­ тические системы удобны при большом числе элементов ре­ шетки (их число может достигать 103. ...105). Они, в част­ ности, позволяют применять сложные облучатели для по­ лучения суммарных и разностных диаграмм направленно­ сти моноимпульсных РЛС. Недостаток оптического спосо­ ба — уменьшение коэффициента использования поверхно­ сти антенны за счет «переливания» энергии у краев ФАР и связанное с этим увеличение боковых лепестков.

Количество излучателей ФАР можно уменьшить по срав­ нению с требуемым для заполнения всей апертуры антенны (разреженные решетки). При этом средний уровень бако­ вых лепестков возрастает пропорционально числу исклю­ чаемых элементов. Линейные плоские решетки имеют мак­ симальный сектор сканирования 100 ...120°. Бдльшие зоны обзора можно получить, используя антенну с несколь­ кими раскрывами. Возможнаантенная круговая группа, в которой отдельные излучатели устанавливаются перед цилиндрическим рефлектором. Переключательная матри­ ца одновременно запитывает 90°-градусный сектор, причем излучатели на краях запитываемого сектора непрерывно подключаются и отключаются.

Для уменьшения массы, габаритов ’ и стоимости ФАР, а также для повышения надежности целесообразно в ка­ честве канализирующих систем и делителей мощности при­ менять полосковые и микрополосковые устройства. При атом для уменьшения потерь и увеличения излучаемой мощности вводят активные элементы. Образуется активная

441

ФАР (АФАР), в которой при передаче и приеме исполь­ зуются различные активные элементы.

В качестве фазовращателей, используемых в антенных решетках, применялись устройства с механическим управ­ лением. Например, фазовый сдвиг щелевых излучателей, расположенных вдоль широкой стенки волновода, управ­ ляется путем перемещения узкой стенки, а следовательно, изменением длины волны колебаний, распространяющихся в волноводе (время управления фазой может быть <0,1 с). Основное значение имеют фазовращатели с электрическим

Рис. 9.3. Дискретный проходной фазовра­ щатель

управлением. Использование аналоговых (с непрерывным изменением фазы) фазовращателей обеспечивает точное и плавное управление лучом, однако более перспективны дискретные (цифровые) фазовращатели. Их преимущество — меньшие габариты и масса, простота конструкции, большая скорость переключения, простота управляющих устройств, в которых могут быть использованы стандартные логи­ ческие схемы. Принцип такой системы иллюстрируется рис. 9.3, где показан проходной фазовращатель, состоящий из р каскадов, каждый из которых характеризуется фазо­ вым сдвигом 0 или л/2*- 1, где k — номер каскада. Общее число фазовых состояний фазовращателя равно 2р (р, бит). Например, при р = 2 эти каскады обеспечивают фазовые

сдвиги.0 или л и 0 или л/2, так что общий сдвиг фаз <р име­ ет значения 0, л/2, л, Зл/2. Число управляющих сигналов равно р. Например, в данном случае указанным фазовым

сдвигам соответствуют сигналы 00, 01, 10, 11. Скачки от­

Основными типами фазовращателей являются ферри­ товые и полупроводниковые. Феррит используется как объемная среда в волноводе, которая изменяет магнитную проницаемость, а следовательно, фазовый сдвиг проходя­ щих колебаний под действием внешнего магнитного поля. В обратимых (взаимных) фазовращателях фазовый сдвиг не зависит от направления распространения высокочас­

442

тотных колебаний. В необратимых (невзаимных) фазовра­ щателях требуется переключение полярности управляюще­ го магнитного поля при работе в приемопередающих ФАР. Важным положительным свойством ферритовых фазовраща­ телей некоторых типов является внутренняя память: фа­ зовый сдвиг сохраняется до следующего короткого пере­ магничивающего импульса, что не требует дополнительной энергии управления. Ферритовые фазовращатели имеют удельный фазовый сдвиг в несколько десятков градусов на сантиметр (что обеспечивает практически фазовый сдвиг 360° и больше), импульсную мощность несколько сотен киловатт, а среднюю — сотни ватт, вносимые потери не превышают 1 дБ, время переключения 0,1 ...30 мкс, энер­ гия переключения составляет сотни микроджоулей.

Переключательными элементами большинства полу­ проводниковых фазовращателей являются p-i-n диоды. Они малы по сравнению с длиной волны и ведут себя как кон­ денсаторы емкостью около 1 пФ. При подаче достаточного значения напряжения смещения в слое чистого полупровод­ ника (между пластинами конденсатора) инжектируется проводящая плазма, что обусловливает его низкое сопро­ тивление. Таким образом производится управление поло­ жением короткого замыкания в линии передачи, которая и создает определенный фазовый сдвиг. Достоинством полу­ проводниковых фазовращателей являются: малая масса и габариты, большая скорость переключения, простота уп­ равляющих устройств, малая потребляемая мощность, об­ ратимость (взаимность), термостабильйЪсть. Вносимые ими потери выше, чем в ферритовых фазовращателях (1,5... 2 дБ при X « 3 см), максимальная пропускаемая мощность в им­ пульсе около 10 кВт, время переключения 0,1 пс ...10 мкс. Мощность управления достигает нескольких ватт, так что для сохранения необходимых фазовых сдвигов при значи­ тельном числе фазовращетелей требуется мощность в не­ сколько киловатт.

Применение ФАР позволяет решить задачу микроми­ ниатюризации РЛС, особенно бортовых. При этом антен­ на состоит из нескольких сотен модулей, каждый из кото­ рых представляет собой микроминиатюрную РЛС, имею­ щую задающий генератор, усилитель мощности (на тран­ зисторе), умножитель частоты (на варакторе), антенный пе­ реключатель (на p-i-n диоде), фазосдвигающее устройство (полосковая линия, замыкаемая и размыкаемая переклю­ чающими p-i-n диодами). Например, при мощности Ри = = 60 кВт и п = 600 модулей можно довести мощность эле­

443

ментарного передатчика каждого модуля до 1 Вт, если использовать метод сжатия импульсов в 100 раз.

2. Многолучевые фазовые системы обзора. Многолуче­ вая антенная система необходима для одновременного об­ зора пространства-: Простейший способ реализации такой системы при небольшом количестве лучей заключается в использовании множества облучателей, смещенных в раз­

ных направлениях на различную величину относительно фокуса параболического зеркала. При этом каждый облу­ чатель создает свой независимый луч. Однако с увеличени­ ем расстояния от фокуса растет степень искажения лучей, поэтому обычно их число не превышает 20. Большее число отдельных лучей можно получить от линзы, обладающей сферической симметрией и переменным коэффициентом пре­ ломления (линза Люнеберга), у которой множество облу­ чателей расположено на поверхности сферы.

Можно создать многолучевые системы, основанные на обработке сигналов, принимаемых большим числом от­ дельных вибраторов, образующих решетку. Этот метод ос­ нован на формировании тем или иным путем одновременно множества вариантов фазовых сдвигов между вибратора­ ми, что соответствует множеству направлений главных ле­ пестков решетки. При этом образуются так называемые лучеобразующие матрицы. В качестве примера на рис. 9.4, а изображена последовательная схема многолучевой антен­ ной решетки с обработкой на радиочастоте. Прямые линии образуют матрицу пересекающихся линий передачи (на­ пример, волноводов). В точках пересечений линий установ­ лены направленные ответвители, почти полностью исклю­

444

Чающие Взаимную связь между элементами антенн (направ­ ление распространения энергии показано стрелками). Как видно из рис. 9.4, а, угол наклона линий передачи посте­ пенно растет (а2, а3, ...). Определим разность фаз меж­ ду соседними вибраторами из:за различия пути, вызванно­ го наклоном линий передачи (рис. 9.4, б). Разность хода равна b sc ah — b tg aft, а разность фаз между вибратора­ ми

=^-b(scak — tgaft), Лф

где Хф — длина волны в фидере.

Так как обычно b — К/2, то при ak ж 0 имеем ДсрХ =

в каждом направленном ответвителе или у вибратора, т. е. Д<рА — Дфй — л. Отсюда находим угол наклона луча

имеющих наклон aft. Так можно создать систему, реализуе­ мую при любом числе элементов решетки. Ее недостаток — слишком большое число направленных ответвителей и сни­ жение КПД из-за потерь мощности в поглощающих нагруз­ ках.

Другой вариант лучеобразующей матрицы, рассмотре­ ние которой мы опустим, — параллельная матрица. Она обеспечивает больший КПД (отсутствуют специальные по­ глощающие элементы) и требует гораздо меньшего числа направленных ответвителей, однако не позволяет сохранить положение лучей в пространстве при изменении частоты.

Обработка может быть также перенесена в тракт ПЧ, что несколько упрощает получение большого числа тре­ буемых сдвигов фазы (рис. 9.5). В ней многолучевой обзор осуществляется ^только в -режиме приема. В режиме пере­ дачи используется отдельная (например, малонаправлен­ ная) антенна. В цепи каждого вибратора антенной решетки имеется приемник, в тракт ПЧ которого включена секцио­ нированная ЛЗ. Время задержки каждой секции равно Дт, что соответствует фазовому сдвигу ,Дф = Дт/2л/<пч. Если объединить отводы секций ЛЗ так, чтобы разность задер­ жек была равна Дт, 2Дт....... £Дт, то образуются отдельные каналы, у которые разность фаз между вибраторами равна

445

0оЯ для &-го канала определяется из формулы

sin 0oft = (V2jt6)£A<p — (Х/2л&)^Ат2л/пч.

в пространстве, формируются командным устройством дву­ мя способами: табличным и вычислительным. При таблич­ ном способе фазы излучателей рассчитываются заранее и хранятся в памяти командного устройства, откуда они счи-

- Гетеродин

Рис. 9.5. Многолучевая система с обработкой на ПЧ

тываются с помощью ЭВМ данной РЛС и подаются на фа­ зовращатели. При этом емкость запоминающего устройства S = ntnirp [бит] (где пит — число строк и столбцов ан­ тенной решетки, i и г — число положений луча по азимуту и углу места, р — количество разрядов фазовращателей) чрезмерна велика.

Поэтому наибольшее развитие получил вычислительный способ, при котором команды управления вычисляются спе­ циализированным вычислительным устройством по задан­ ному значению направления луча.

3. Частотное управление антенной решеткой. Измене­

ние фазового сдвига между вибраторами, необходимое для сканирования луча антенной решетки, можно получить пу­ тем изменения частоты колебаний, возбуждающих вибра­ торы. В соответствии с формулой (9.2.1) направление мак­ симума главного лепестка

Отсюда следует, что для обеспечения, например, линей­ ной зависимости 0О (при малых 0О) от частоты со требуется,

446

Если в качестве фазосдвигающих элементов использо­ вать отрезки фидеров длиной /, показанные на рис. 9.6, а (либо в виде схемы с параллельным питанием, рис. 9.6, б, состоящей из разветвителей и элементов задержки, длина

Рис. 9.6. Фазосдвигающие элементы в виде отрезков фидеров

т. е. направление максимума 0О не зависит от частоты (от­ сутствие эффекта частотного сканирования).

Если же I > Хф, то <р = 2л//Хф — 2nk (k = 1,2,3, ...)

и

sin 0Й = (c/b) (2л/Аф — 2л£)/со = Ц^вф/Ь — 2nkc/ba>,

(9.2.10)

так что возникает возможность частотного сканирования с помощью обычного (недисперсионного) фидера со скорость» изменения положения луча

d0o/do) = (c/b cos 0О) (2л^/<о2),

т. е. при заданных b и 0О скорость сканирования тем боль­ ше, чем выше k (чем больше отношение //Хф).

447

При использовании в качестве замедляющих отрезков между элементами антенны волноводов, с прямоугольным сечением следует учесть длину волны в волноводе (волна типа Я1о)

________ к______ __ ______2ас_____

пример, волноводы с размерами, близкими к критическим). В связи со сложностью конструкции замедляющих уст­ ройств и высокими потерями в них представляет интерес частотное управление ДН на ПЧ (рис. 9.7). Здесь частотномодулированные колебания гетеродина с частотой сог по­ падают на смесители в цепи каждого элемента приемной антенны. Сравнивая фазу по разностной («промежуточной») частоте сор = о)с — сог (юс — частота сигнала) на t-м отво­ де линии с фазой от предыдущего отвода, которая получа­ ет за время Дт дополнительный сдвиг <дрДт, имеет условие

синфазности в виде

(где k — целое число), так что изменение частоты гетероди­ на <йг, приводящее к изменению разностной частоты <ор == = сос — <£>г» вызывает соответствующее изменение направ­ ления синфазного сложения 0О.

44$

Для получения многолучевой частотной системы обзо­ ра следует использовать группу многочастотных импульсов либо один многочастотный импульс, антенную решетку ви­ да рис. 9.6 и систему узкополосных усилителей, выходы которых соответствуют определенным направлениям, так как на каждой излучаемой частоте формируется ДН с мак­ симумом в заданном направлении 0о.

При изменении частоты излучаемого сигнала от /01 до' f02 максимум ДН соответственно перемещается в пределах углов 0О1, 0О2. При этом отраженный сигнал имеет вид амп- литудно-модулированного напряжения, огибающая кото­ рого совпадает с результирующей ДН антенны РЛС (в пря­ мом и обратном направлениях). Так как средняя частота принимаемого сигнала является функцией углового по­ ложения цели, то его можно определить с помощью час­ тотного дискриминатора 1см. (9.2.10)]. Кроме того, при­ нимаемый сигнал подается на фильтр сжатия, где его дли­ тельность значительно сокращается, после чего он ис­ пользуется для определения дальности.

Сектор обзора при частотном сканировании, близкий к 90°, обычно достигается при изменении частоты в пределах 10% от несущей. Возможно частотное сканирование в двух плоскостях. Достоинство частотного сканирования — от­ сутствие фазовращателей, однако при этом усложняется приемопередающая аппаратура.

4. Искажения широкополосных сигналов в ФАР. Ис­ пользование сигналов с шириной полосы вплоть до не­ скольких сотен мегагерц и ФАР, состоящих из большого числа (иногда до сотен тысяч) элементов, приводит к замет­ ному ухудшению характеристик РЛС из-за дисперсионных свойств антенных решеток.

При установке ДН ФАР в направлении 0О требуемая

где L — b (п — 1) — размер апертуры.

Изменение частоты на А/ влечет за собой изменение раз­

что приводит к смещению луча ФАР (так называемый апер­ турный эффект).

Смещение найдем, дифференцируя (9.2.12) по 0 и заме­ няя дифференциалы малыми приращениями'. При этом с

449