3.8.2 Антенные решетки с фазовым управлением лучом
Фазированной антенной решеткой (ФАР) называется антенная решетка (АР), направление максимального излучения (приема) и (или) форма соответствующей ей диаграммы направленности изменяется посредством изменения фазы радиосигналов в излучающих элементах.
В качестве излучателей обычно используются слабонаправленные антенны: вибраторы, щели, рупоры, диэлектрические стержни, спирали и т.п.
Изменение фазового распределения (а иногда и амплитудного распределения) осуществляется электрическим способом с помощью ЭВМ, что обеспечивает высокую скорость сканирования и управления формой ДНА, быстрый обзор пространства и, соответственно, высокий темп выдачи информации о большом числе целей.
Применение ЭВМ позволяет осуществить гибкое управление положением и формой ДНА в соответствии с алгоритмами, наиболее подходящими для складывающейся воздушной обстановки.
Возможность формирования с помощью одной антенны несколько независимых лучей совместно с высокой скоростью переброски из одного положения в другое открывает возможности конструирования многоцелевых и многофункциональных РЛС.
Подключение в тракты излучающих элементов активных устройств (активные ФАР), в частности, усилителей СВЧ мощности, позволяет получить недостижимые ранее значения излучаемой мощности в режиме передачи и повысить отношение сигнал/шум в режиме приема.
Отмеченные возможности ФАР определили качественно новый этап в развитии радиолокационной техники. Современные РЛС с ФАР способны успешно выполнять задачи поиска, обнаружения и сопровождения на больших дальностях значительного числа скоростных и маневренных целей, наведения на них средств поражения в условиях широкого применения различного рода помех и т.п.
При фазовом способе управления лучом фазовое распределение в раскрыве ФАР изменяется с помощью электрически управляемых фазовращателей, включенных в каналы питания излучателей. В качестве рабочего используется обычно главный максимум нулевого порядка.
ФАР состоит из следующих систем:
излучающая система;
система распределения мощности (делителя мощности); системы управления лучом;
системы контроля.
Рассмотрим особенности каждой из отмеченных систем.
Излучающая система представляет собою антенную решетку, осуществляющую формирование требуемой ДН, а также излучение и прием волн.
На практике находят применение линейные, плоские или выпуклые антенные решетки (кольцевые, конические, цилиндрические, сферические).
Плоские АР, в отличие от линейных, обеспечивают двумерное сканирование луча. Наибольшее распространение получили плоские решетки с размещением излучателей в узлах прямоугольной (рис.3.44,а) и треугольной (рис.3.44,б) сеток.
а) б)
Рис.3.44. Плоские решетки с размещением излучателей в узлах прямоугольной (а) и треугольной (б) сеток.
На характеристики излучающей системы существенное влияние может оказать взаимная связь между излучателями через свободное пространство, поскольку часть энергии, излучаемой соседними элементами, попадает в рассматриваемый излучатель (рис.3.44). Сигналы связи складываются с учетом их амплитудных и фазовых различий и создают волну, распространяющуюся к генератору. Наличие этой волны может быть истолковано как следствие отражения электромагнитной энергии от излучателя, т.е. как изменение его входного сопротивления. В конечном счете, явление взаимодействия излучателей изменяет как направленные, так и энергетические характеристики антенны.
Взаимодействие излучателей зависит от типа используемых излучателей, их положения в решетке и других факторов. Опыт и теория показывают, что с увеличением расстояния между излучателями их взаимное влияние уменьшается.
При некоторых углах сканирования сигналы связи, наведенные в каждом излучателе, складываются в фазе. При этом коэффициент отражения примерно равняется единице, значительная часть подводимой мощности отражается от антенны и возвращается к генератору или теряется в развязывающих устройствах. Наступает так называемый «эффект ослепления» ФАР. Для этих углов в ДН излучателя в решетке образуются глубокие провалы.
Для уменьшения рассогласования ФАР при сканировании необходимо компенсировать взаимное влияние излучателей. Для этого можно использовать два основных метода:
введение внутренних компенсирующих цепей связи между трактами связи соседних излучателей (например, отверстий в смежных волноводах);
изменение внешних связей между излучателями (установка металлических перегородок, диэлектрических вставок и т.п.).
Следует иметь в виду, что проблема расчета взаимного влияния излучателей в АР, их учета и компенсации является одной из наиболее трудных на пути создания высококачественных сканирующих устройств.
Система распределения ВЧ мощности предназначена для распределения электромагнитной энергии между излучающими элементами антенной решетки в заданном отношении, т.е. для обеспечения требуемого амплитудного распределения в раскрыве решетки. Она должна обладать минимальными потерями мощности в заданных полосе частот и секторе сканирования.
Различают АР с фидерным и пространственным возбуждением.
Антенные решетки с фидерным возбуждением подразделяют на АР с последовательным, параллельным и смешанным возбуждением.
Последовательная схема является наиболее простой и компактной. Необходимое амплитудное распределение обеспечивается выбором величины связи направленных ответвителей с общим фидером. Все фазовращатели при включении их в общий фидерный тракт (рис.3.45,а) управляются по одинаковому закону, однако при этом к ним предъявляются повышенные требования по электрической прочности, потерям и стабильности фазы.
Рис.3.45
Достоинство такой схемы заключается в том, что для изменения фазового сдвига (управления лучом) требуется лишь один управляющий сигнал, подаваемый одновременно на все ФВ. Однако потери ФВ здесь суммируются, что может потребовать включения специальных компенсирующих усилителей.
Эти требования ослабляются при включении фазовращателей в тракты излучателей (рис.3.45,б), но при этом усложняется управление фазовым распределением. На рис.3.45,в показана схема последовательного возбуждения с питанием в центре решетки и раздельными каналами формирования суммарной и разностной ДН.
Для увеличения широкополосности схем деления мощности электрические длины трактов от входа антенны до излучателей должны быть одинаковыми, в противном случае возникают фазовые искажения в раскрыве антенны.
Отмеченное требование проще выполнить при параллельной схеме деления мощности (рис.3.46,а). В ней отсутствует эффект накопления фазовых нестабильностей и возможно использование маломощных фазовращателей. Достоинства параллельной схемы: более высокий КПД и более высокий уровень допустимого излучения, т.к. при N фазовращателях через каждый из них проходит только N-я часть общей мощности излучения; большая точность сканирования за счет того, что ошибки любого ФВ сказываются на работе одного элемента решетки, тогда как в последовательной схеме – и на работе всех последующих.
Недостатки схемы связаны со сложностью согласования при делении мощности на большое число каналов и более сложное управление фазовым распределением.
На рис.3.46,б приведена параллельная схема деления мощности для формирования двух независимо управляемых лучей ФАР. Смешанное возбуждение антенной решетки осуществляется сочетанием параллельного и последовательного возбуждений.
Антенные решетки с пространственным возбуждением подразделяются на отражательные (рис.3.47,а) и проходные (рис.3.47,б). Обе схемы позволяют так же, как в зеркальных и линзовых антеннах, получить требуемое амплитудное распределение соответствующим выбором ДН облучателя, допускают применение моноимпульсных облучателей. Однако в проходном варианте отсутствует эффект затенения раскрыва. Отражательный вариант конструктивно более удобен.
В активных ФАР (АФАР) наряду с фазовращателями в тракт каждого излучателя включается активный элемент, работающий в качестве усилителя мощности и преобразователя частоты. В качестве таких элементов используются как вакуумные, так и твердотельные приборы СВЧ (триоды, тетроды, ЛБВ, транзисторы, диоды Ганна и др.). Зачастую излучатель, активные элементы, фазовращатель, фидерные линии, соединяющие элементы СВЧ и т.д. конструктивно объеденены в одно устройство, называемое модулем АФАР.
Рис.3.46
а) б)
Рис.3.47
Основными требованиями к активным элементам модулей являются: обеспечение коэффициента усиления по мощности более 10 дБ;
обеспечение относительно высоких значений КПД (не менее 20-40%);
обеспечение широкой полосы пропускания (более 5%);
обеспечение низкого коэффициента шума, а также конструктивные и экономические требования.
В последние годы в активных модулях АФАР все более широкое применение находят полупроводниковые приборы СВЧ. Использование полосковой и микрополосковой техники позволяет в значительной мере снизить стоимость, повысить надежность, уменьшить массу и габариты этих устройств.
Система управления лучом (СУЛ) ФАР представляет собой совокупность совместно действующих устройств, обеспечивающих электрическое управление лучом ФАР.
СУЛ состоит из командного устройства, устройства передачи команд и каналов управления.
Командное устройство предназначено для выработки команд управления фазовым распределением, в нем применяется вычислительный и табличный способы формирования фазового распределения по каналам управления СУЛ.
При вычислительном способе по поступающей из ЭВМ информации об углах ориентации луча с помощью спецвычислителя фазы производится расчет команд управления ФР непосредственно в процессе работы СУЛ.
При табличном способе заранее рассчитанные ФР сведены в таблицы и хранятся в памяти спецвычислителя фаз. При работе СУЛ по командам они считываются и поступают в каналы управления.
Устройство передачи команд распределяет и передает команды от командного устройства к каналам управления.
Основными элементами канала управления СУЛ являются фазовращатели и устройства управления ими. Устройство управления обеспечивает логическую обработку и преобразование команд управления к виду, необходимому для непосредственного управления фазовращателями.
Система управления ФВ может быть непрерывной, дискретной или коммутационной.
Первая вырабатывает непрерывные сигналы управления, необходимые для плавного сканирования ДНА. Реализация такой системы при параллельной схеме питания, где на каждый ФВ подается отдельный управляющий сигнал, связано с большими трудностями, особенно если АР многоэлементная.
При дискретном управлении каждый ФВ рассчитан на фиксированное значение фазового сдвига, например 0, /2, 3/2, вводимого по команде устройства управления лучом.
Коммутационное управление наиболее простое (рис.3.48): указанные фиксированные сдвиги создаются в каждом элементе АР одинаковыми комплектами нерегулируемых ФВ, причем каждый из них включается через отдельный коммутатор. Управляющие сигналы посылаются из вычислительного устройства согласно требуемому закону сканирования.
Очевидно, что при дискретном и коммутационном управлении неизбежны фазовые ошибки, т.к. только при непрерывном управлении можно получить именно те фазовые сдвиги во всех элементах АР, которые необходимы для точного отклонения луча на заданный угол. Из-за фазовых ошибок расширяется главный лепесток и повышается уровень боковых лепестков ДНА.
Таким образом, коммутационное управление наиболее простое и поэтому наиболее перспективное, особенно для многоэлементных АР, потребность в которых растет в связи с повышением требований к точности и разрешающей способности РЛС по угловым координатам. Так, для формирования луча шириной 1о антенная решетка должна содержать 104 элементов, а шириной 0,1о – около 106 элементов.
Рис.3.48
Система контроля ФАР предназначена для проверки соответствия параметров ФАР установленным требованиям и выявления отказов в элементах СВЧ и устройствах системы управления лучом.
Контроль ФАР осуществляется по определенной программе с помощью ЭВМ. При этом предусматриваются средства многоканальной сигнализации о нормальной работе ФАР, о расположении отказавших элементов.
В конструкции ФАР необходимо предусмотреть возможность быстрой смены неисправных элементов, что достигается применением модульной конструкции и устройств для их автоматической смены. Контроль внутренних характеристик ФАР не обязательно должен включать измерения по высокой частоте. Например, нормальное функционирование большинства ФВ оценивается по величине их управляющих токов.
В заключении следует подчеркнуть, что наличие системы контроля ФАР, применение резервирования модульных сменных конструкций, радиопрозрачных укрытий обеспечивают высокую надежность функционирования ФАР. Кроме того, в ФАР можно сравнительно просто реализовывать специальные виды АФР в раскрыве и применять различные методы обработки сигналов, принятых отдельными излучателями антенны. Это позволяет получить низкие уровни боковых лепестков ДНА, извлекать большую информацию из приходящих к антенне радиоволн от различных источников, использовать адаптивные алгоритмы оптимальной пространственно-временной фильтрации сигналов на фоне помех и т.п., что в целом улучшает характеристики РЛС.