Фазированная антенная решетка. Фазированная антенная решётка Фазированная антенная решетка принцип работы

Фазированная антенная решётка (ФАР ) - антенная решётка , направление излучения и (или) форма соответствующей диаграммы направленности которой регулируются изменением амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения на излучающих элементах .

Излучающий элемент (антенной решётки) - составная часть антенной решётки, антенна или группа антенн с заданным относительным возбуждением . В антенной решётке требуемая диаграмма направленности формируется благодаря специальным образом организованной интерференции электромагнитных волн, излучаемых в пространство её излучающими элементами. Для этого обеспечивают необходимое амплитудно-фазовое распределение - необходимые относительные амплитуды и начальные фазы переменных токов или полей возбуждения каждого излучающего элемента антенной решётки. Отличие фазированной антенной решётки заключается в том, что амплитудно-фазовое распределение не является фиксированным, оно может регулироваться (управляемо изменяться) при эксплуатации . Благодаря этому можно перемещать луч (главный лепесток диаграммы направленности) антенной решётки в определённом секторе пространства (антенная решётка с электрическим сканированием луча как альтернатива антенне с механическим сканированием, то есть альтернатива механически вращающейся антенне ) или изменять форму диаграммы направленности.

Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и вычислительной техники, обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т. д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов, входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиотехнических систем. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.

Преимущества

Антенная решётка из N излучающих элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз коэффициент направленного действия (КНД) и, следовательно, коэффициент усиления антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения помехозащищенности, разрешающей способности по угловым координатам, точности пеленгации источников радиоизлучения в радиолокации и радионавигации .
В антенной решётке возможно увеличение электрической прочности по сравнению с апертурной антенной, оснащённой одиночным облучателем [ ] .
Важным преимуществом ФАР является возможность быстрого обзора (сканирования) пространства за счёт «качания» луча диаграммы направленности электрическими методами (по сравнению с антеннами с механическим сканированием луча). Такая ФАР является антенной с электрическим сканированием луча .
Функциональные возможности ФАР расширяются при использовании совместно с каждым излучающим элементом активного приёмопередающего модуля. Такие ФАР называются активными .

История

Такие радары не устанавливались на самолётах главным образом из-за их большого веса, поскольку первое поколение технологии фазированных решёток использовало обычную радарную архитектуру. В то время как антенна изменилась, всё остальное ещё оставалось прежним, но были добавлены дополнительные вычислители, чтобы управлять фазовращателями антенны. Это привело к увеличению массы антенны, числа вычислительных модулей, нагрузки на систему электропитания.

Однако сравнительно высокая стоимость ФАР окупалась теми преимуществами, которые обеспечивало их применение. Фазированные антенные решётки могли в единственной антенне совместить работу нескольких антенн, почти одновременно. Широкие лучи могли использоваться для поиска цели, узкие - для сопровождения, плоские лучи в форме веера - для определения высоты, узкие направленные лучи - для полёта по ландшафту (B-1B , Су-34). Во враждебной зоне электронного противодействия выгода становится ещё больше, так как ФАР позволяют системе размещать «ноль» диаграммы направленности антенны (то есть область, где антенна не чувствительна к электромагнитному излучению, «слепа») в направлении источника помех и таким образом блокировать их попадание в приёмник. Другое преимущество - отказ от механического поворота антенны при сканировании луча, что повышает скорость обзора пространства на порядки, а также увеличивает срок службы системы, так как с введением фазирования частично отпала потребность в громоздких механизмах ориентации антенного полотна в пространстве. ФАР, состоящая из трёх-четырёх плоских полотен, может обеспечить круговой обзор пространства, вплоть до всей верхней полусферы.

Эта технология также предоставляла менее очевидные выгоды. Она могла быстро «осмотреть» маленький участок неба, чтобы увеличить вероятность обнаружения маленькой и скоростной цели, в отличие от медленно вращающейся антенны, которая может сканировать специфический сектор только однажды за оборот (обычно период обзора РЛС с вращающейся по азимуту антенной составляет от 5 до 20 секунд). Цель с малой эффективной площадью рассеяния (ЭПР) (например, низко летящую крылатую ракету) почти невозможно засечь вращающейся антенной. Способность фазированной решётки к почти мгновенному изменению направления и формы луча фактически добавляют целое новое измерение к сопровождению целей, поскольку разные цели могут быть отслежены разными лучами, каждый из которых переплетается во времени с периодически сканирующим лучом обзора пространства. Например, луч обзора пространства может охватывать 360 градусов периодически, тогда как сопровождающие лучи могут следить за индивидуальными целями независимо от того, куда в это время направлен луч обзора пространства.

Применение ФАР имеет ограничения. Одно из них - размеры сектора пространства, в пределах которого возможно сканирование луча без существенного ухудшения других показателей качества работы ФАР. Практически для плоской ФАР предел составляет 45-60 градусов от геометрической нормали к антенному полотну. Отклонение луча на большие углы значительно ухудшает основные характеристики антенной системы (УБЛ, КНД, ширину и форму основного лепестка диаграммы направленности). Это объясняется двумя эффектами. Первый из них - уменьшение эффективной площади антенны (апертуры) с ростом угла отклонения луча. В свою очередь, сокращение длины решётки в сочетании со снижением коэффициента усиления антенны уменьшает способность обнаружения цели на расстоянии.

Наибольшими возможностями управления характеристиками обладают активные ФАР , в которых к каждому излучателю или модулю подключён управляемый по фазе (иногда и по амплитуде) передатчик или приёмник. Управление фазой в активных ФАР может производиться в трактах промежуточной частоты либо в цепях возбуждения когерентных передатчиков, гетеродинов приёмников и т. п. Таким образом, в активных ФАР фазовращатели могут работать в диапазонах волн, отличных от частотного диапазона антенны; потери в фазовращателях в ряде случаев непосредственно не влияют на уровень основного сигнала. Передающие активные ФАР позволяют осуществить сложение в пространстве мощностей когерентных электромагнитных волн, генерируемых отдельными передатчиками. В приёмных активных ФАР совместная обработка сигналов, принятых отдельными элементами, позволяет получать более полную информацию об источниках излучения.

В результате непосредственного взаимодействия излучателей между собой характеристики ФАР (согласование излучателей с возбуждающими фидерами, КНД и др.) при качании луча изменяются. Для борьбы с вредными последствиями взаимного влияния излучателей в ФАР иногда применяют специальные методы компенсации взаимной связи между элементами.

Структура ФАР

Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения. Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы, часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов, щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны. Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР.

В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов:

вдоль линии (прямой или дуги);
по поверхности (например, плоской - в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической)
в заданном объёме (объёмные ФАР).

Иногда форма излучающей поверхности ФАР - раскрыва, определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР. ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву (как в синфазной антенне) до направления вдоль раскрыва (как в антенне бегущей волны). Коэффициент направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах - вплоть до 4 стерадиан без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. Сканирование в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фазирования.

В качестве излучателей ФАР могут выступать :

ненаправленные;
слабонаправленные;
направленные антенны.

Примером использования слабонаправленных излучателей можно назвать антенны базовых станций GSM стандарта, где в качестве излучателей используются патч-антенны . В качестве излучателей антенн LTE стандарта используются диполи и монополи .

В качестве интересного примера использования направленных антенн в конфигурации антенных решеток можно назвать проект Allen Telescope Array , использующий в качестве элементов антенной решетки зеркальные антенны для целей радиотелескопии .

Управление фазовыми сдвигами

По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР:

Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. [ ] Они обеспечивают создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка микросекунд и потерями мощности ~ 20 % [ ]). 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.

Помехозащищённость

Помехозащищённость системы зависит от уровня боковых лепестков антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решётка - необходимое звено для создания такого динамического пространственно-временного фильтра, или просто для уменьшения УБЛ . Одной из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники является создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций, например радионавигации , РЛС , связи и т. д. Возникает необходимость создания антенной решётки с электрическим сканированием с несколькими лучами (многолучевой, моноимпульсной и т. д.), работающей на различных частотах (совмещённой) и имеющей различные характеристики.

Математическое моделирование

Линейная антенная решетка

F (θ) = F 1 (θ) s i n [ n k d 2 (s i n θ − s i n θ M) ] n s i n [ k d 2 (s i n θ − s i n θ M) ] {\displaystyle F(\theta)=F_{1}(\theta){\frac {sin\left[{\frac {nkd}{2}}\left(sin\theta -sin\theta _{M}\right)\right]}{nsin\left[{\frac {kd}{2}}\left(sin\theta -sin\theta _{M}\right)\right]}}}

где θ {\displaystyle \theta } - диапазон углов (азимут), в которых ФАР может осуществлять сканирование, k = 2 π λ {\displaystyle k={\frac {2\pi }{\lambda }}} - волновое число , λ {\displaystyle \lambda } - длина волны (несущей), d = λ 2 {\displaystyle d={\frac {\lambda }{2}}} - шаг антенной решетки, F 1 (θ) {\displaystyle F_{1}(\theta)} - диаграмма направленности единичного излучателя антенной решетки, а θ M {\displaystyle \theta _{M}} - направление, соответствующее максимуму главного лепестка.

Стоит отметить, что данная формула справедлива только для случаев, когда амплитуды токов в излучателях равны, фазовый сдвиг изменяется по закону ψ i = (i − 1) ψ = (i − 1) k d s i n θ M {\displaystyle \psi _{i}=(i-1)\psi =(i-1)kdsin\theta _{M}} , где i {\displaystyle i} - номер фазовращателя.

Прямоугольная антенная решетка

F (θ x , θ y) = F 1 (θ x , θ y) s i n [ n x k d x 2 (s i n θ x − s i n θ M x) ] n x s i n [ k d x 2 (s i n θ x − s i n θ M) ] s i n [ n y k d y 2 (s i n θ y − s i n θ M y) ] n y s i n [ k d y 2 (s i n θ y − s i n θ M y) ] {\displaystyle F(\theta _{x},\theta _{y})=F_{1}(\theta _{x},\theta _{y}){\frac {sin\left[{\frac {n_{x}kd_{x}}{2}}\left(sin\theta _{x}-sin\theta _{Mx}\right)\right]}{n_{x}sin\left[{\frac {kd_{x}}{2}}\left(sin\theta _{x}-sin\theta _{M}\right)\right]}}{\frac {sin\left[{\frac {n_{y}kd_{y}}{2}}\left(sin\theta _{y}-sin\theta _{My}\right)\right]}{n_{y}sin\left[{\frac {kd_{y}}{2}}\left(sin\theta _{y}-sin\theta _{My}\right)\right]}}}

где θ x {\displaystyle \theta _{x}} и θ y {\displaystyle \theta _{y}} - диапазоны углов (азимут и элевация), в которых ФАР может осуществлять сканирование, θ M x {\displaystyle \theta _{Mx}} и θ M y {\displaystyle \theta _{My}} - направления максимума (азимут и элевация), d x {\displaystyle d_{x}} и d y {\displaystyle d_{y}} - расстояния между элементами по осям x {\displaystyle x} и y {\displaystyle y} , а n x {\displaystyle n_{x}} и n y {\displaystyle n_{y}} - количество элементов по осям x {\displaystyle x} и y {\displaystyle y} соответственно.

Классификация

Антенные решётки могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

Геометрия расположения излучателей в пространстве:
- линейные
- дуговые
- кольцевые
- плоские
  - с прямоугольной сеткой размещения
  - с косоугольной сеткой размещения
- выпуклые
  - цилиндрические
  - конические
  - сферические
- пространственные

Способ возбуждения:
- с последовательным питанием
- с параллельным питанием
- с комбинированным (последовательно-параллельным)
- с пространственным (оптическим, «эфирным») способом возбуждения
закономерность размещения излучающих элементов в самой решётке
- эквидистантное размещение
- неэквидистантное размещение

Способ обработки сигнала

Амплитудо-фазовое распределение токов (поля) по решётке

Тип излучателей

Обработка сигнала

В питающем антенную решётку тракте (фидере) возможна различная пространственно-временная обработка сигнала. Если к каждому излучателю ФАР или к группе подключается усилитель мощности, генератор сигналов или преобразователь частоты , то такие решётки называются активными фазированными антенными решётками (АФАР).

Приёмные антенные решётки с обработкой сигнала методами когерентной оптики называются радиооптическими . Приёмные антенные решётки, в которых обработка ведётся цифровыми процессорами, называются цифровыми антенными решётками .

Адаптивные АР

Приёмные антенные решётки с саморегулируемым в зависимости от помеховой обстановки амплитудно-фазовым распределением называют адаптивными . В англоязычной литературе применяется термин smart-antenna: умной антенную решетку делает её способность подстраивать свои параметры под текущие условия в целях достижения определенных выигрышей - её адаптивность. В литературе данный подход известен, как минимум, с середины 1970-х годов . В целом, для адаптивных антенных решеток можно выделить несколько главных приложений:

Определение угла прихода (направления) электромагнитной волны (DoA estimation);
Самофокусировка (adaptive beamforming);
Подстройка под состояние канала (channel equalization);
Исследования параметров канала (channel sounding).

Совмещённые антенные решётки

Совмещённые антенные решётки имеют в своём раскрыве два, или более типа излучателей, каждый из которых работает в своём частотном диапазоне .

Многолучевые антенные решётки

Иногда понятие антенной решетки смешивается с понятием MIMO технологии. Строго говоря, такая постановка вопроса неверна: для реализации технологии MIMO необходимы, как минимум, две антенны на передающей стороне и две антенны на приёмной, в то время как под термином ФАР, в классическом понимании

Решетка - это антенная решетка, в которой присутствуют управляемые фазы или фазовые сдвиги. Фазы принимают волны элементами решетки, или же излучают их своими излучателями. При хорошей управляемости фаз формируется должная диаграмма направленности фазированной антенной решетки, а также изменяется направление луча неподвижной решетки и осуществляется быстрое качание луча. Кроме этого, за счет управляемости фаз изменяется интенсивность боковых лепестков, ширина луча и другие формы диаграммы направленности. Благодаря подобным свойствам, совмещенным с современными средствами автоматики, фазированные антенные решетки достаточно перспективны, они широко применяются в радионавигации, радиосвязи, радиоастрономии и радиолокации. Антенные решетки с большим количеством управляемых элементов составляют стационарные и подвижные, наземные и воздушные, корабельные, космические и авиационные радиоустройства. Теория и техника фазированных антенных решеток и по сей день является интересным научным исследованием, не потерявшим свою актуальность.

Фазированную антенную решетку составляют излучающие элементы, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга в одной плоскости. С элементами соединяются сигналы микроволнового диапазона, которые совпадают по своей фазе и имеют равные амплитуды. Генерируется сигнал микроволнового диапазона задающим генератором , усиливают его лампы бегущей волны и транзисторы .
Формы и размеры антенных решеток зависят от типа используемых излучателей и их расположения. Сектор качания луча решетки, т. е. сканирования, определяет диаграмма направленности излучателей. В тех антенных решетках, где происходит широкоугольное сканирование, применяются симметричные, несимметричные вибраторы с несколькими рефлекторами, рупорные, логопериодические, щелевые, спиральные антенны и другие слабонаправленные излучатели. Фазированные решетки больших габаритов составляют, как правило, несколько малых решеток. Диаграмма направленности модулей, т. е. малых фазированных решеток, соответствует направлению луча всей большой фазированной антенной решетки. Остронаправленные антенны с механическим поворотом выполняют функции излучателей, если допустимо медленное лучевое отклонение. Если необходимо отклонение всей фазированной решетки на большой угол, то поворачиваются все антенны.

В 1960-1970-е гт. стали использоваться первые радиолокационные станции, применявшие фазированные антенные решетки. Первоначально решетки использовались в военных целях.

Фазированные антенные решетки представляют собой усовершенствованную модель плоских решеток. В подобных решетках из-за постоянства фаз микроволн луч постоянен как по форме, так и по направлению. При изменении фаз меняются и форма с направлением луча. Если фазы изменяются электроникой, то изменение происходит в считанные секунды. В основном это происходит под управлением шифтера, устройства, меняющего фазы микроволн. Компьютер управляет микроволнами, которые проходят сквозь шифтер. За счет применения компьютера вся плоская решетка становится антенной, у которой форма луча и его направленность программируемы.

Управляемые электроникой фазированные решетки применялись в больших стационарных радарах и небольших радарах противовоздушной обороны.

Широкое применение фазированных антенных решеток в военных, промышленных и других областях объясняется тем, что фазированные антенны выполняли работу сразу нескольких антенн. Узкие лучи фазированной решетки применялись для сопровождения, широкие при поиске, плоские веерообразные определяли высоту, узкие направленные лучи использовались для полетов по ландшафту. Другими положительными характеристиками фазированной решетки были дозволенность размещения нуля, т. е. позволение блокировать волну глушения от попадания в радиоприемник , а также автоматическая направленность антенны в направлении цели.

Стоимость фазированной антенной решетки зависит от количества излучающих элементов, чем их меньше, тем скорее стоимость снижается. В радиолокационной технике, как правило, используются антенные решетки с большим количеством излучающих элементов. Небольшая решетка имеет широкий, мало сфокусированный луч. Маленькая площадь такой фазированной решетки снижает чувствительность к отраженным сигналам, широкий луч способствует уменьшению разрешающей способности но угловым координатам. Если не требуется наблюдать за большим воздушным пространством, недостатки малой фазированной решетки компенсируются за счет присоединения ее к большому рефлектору.
У фазированных антенных решеток имеются ограничения. Диапазон углов отклонения луча ограничен, пределом считается 45-60° от вертикальной антенной плоскости. Если луч отклоняется к меньшим углам, работа решетки значительно ухудшается.

Важными направлениями развития фазированных антенных решеток считаются активное внедрение фазированных решеток с большим количеством элементов в радиотехнические устройства, разработка новых моделей элементов, особенно для активных фазированных решеток. Активные решетки делятся на передающую, приемную с фазированием в гетеродинных цепях и приемную с фазированием в трактах с промежуточной частотой. Структурная система подобной решетки представляет собой систему, которая состоит из усилителя мощности, излучателя, возбудителя, гетеродина, фазовращателя, суммирующего устройства, смесителя и усилителя промежуточной частоты.

Еще одним важным направлением развития фазированных решеток является развитие способов построения фазированных антенных решеток с большими раекрывами, эквидистантных и неэквидистантных с антеннами, которые расположены в пределах земного полушария, а также дальнейшее исследование методов и технических средств, которые ослабляют вредные влияния взаимосвязи между элементами фазированной антенной решетки.

Фазированные антенные решетки за последнее время широко распространились во многих странах мира. Антенной решеткой оборудованы радиолокационные станции в Швеции, Италии, Израиле, Великобритании и других странах.

Следующее: ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА

Категория: Промышленность на Ф

Активная фазированная антенная решётка (АФАР ) - фазированная антенная решётка, в которой направление излучения и (или) форма диаграммы направленности регулируются изменением амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения на активных излучающих элементах .

Активная фазированная антенная решётка конструктивно состоит из модулей, которые объединяют излучающий элемент (или группу излучающих элементов) и активные устройства (усилительные, генераторные или преобразовательные). Эти устройства могут в простейшем случае усиливать передаваемый или принимаемый излучающим элементом сигнал, а также осуществлять преобразование частоты сигнала, генерировать (формировать) сигнал, преобразовывать сигнал из аналоговой в цифровую форму и (или) из цифровой в аналоговую. Для совместной согласованной работы все модули АФАР должны быть объединены цепью распределения сигнала возбудителя (в режиме приёма - цепью сбора сигнала в приёмное устройство), или работа модулей должна быть синхронизирована от единого источника.

В отличие от АФАР, пассивная ФАР не содержит активных устройств. Например, в передающей системе, оснащенной пассивной ФАР, радиосигнал генерируется и усиливается до требуемой мощности в едином для всей системы радиопередатчике, после чего распределяется (а мощность радиосигнала делится) между излучающими элементами. Напротив, в передающей АФАР нет единого выходного мощного усилителя: менее мощные усилители размещены в каждом её модуле.

Сравнение с пассивной решёткой[править | править вики-текст]

В обычной пассивной решётке один передатчик мощностью несколько киловатт питает несколько сотен элементов, каждый из которых излучает только десятки ватт мощности. Современный микроволновый транзисторный усилитель может, однако, также произвести десятки ватт, и в радаре с активной фазированной решёткой несколько сотен модулей, каждый мощностью в десятки ватт, создают в целом мощный главный луч радара в несколько киловатт.

В то время как результат идентичен, активные решётки намного более надёжны, поскольку хотя отказ одного приёмо-передающего элемента решётки и искажает диаграмму направленности антенны, что несколько ухудшает характеристики локатора, в целом он остаётся работоспособным. Катастрофического отказа лампы передатчика, которая является проблемой обычных радаров, просто не может произойти. Дополнительная выгода - экономия веса без большой лампы высокой мощности, связанной с ней системой охлаждения и большого блока питания высокого напряжения.

Другой особенностью, которая может использоваться только в активных решётках, является способность управлять усилением индивидуальных приёмно-передающих модулей. Если это может быть сделано, диапазон углов, через которые луч может быть отклонен, существенно увеличивается, и таким образом многие из ограничений геометрии решёток, которые имеют обычные фазированные решётки могут быть обойдены. Такие решётки называют решётками суперувеличения. Из изданной литературы неясно, используют ли какая-либо существующая или проектируемая антенная решётка эту технику.

Недостатки[править | править вики-текст]

Технология АФАР имеет две ключевые проблемы:

Рассеивание мощности[править | править вики-текст]

Первая проблема - рассеивание мощности. Из-за недостатков микроволновых транзисторных усилителей (монолитная микроволновая интегральная схема, MMIC (англ.)русск.), эффективность передатчика модуля - типично меньше чем 45%. В результате, AФAР выделяет большое количество теплоты, которая должна быть рассеяна, чтобы предохранить чипы передатчика от расплавления - надёжность GaAs MMIC-чипов улучшается при низкой рабочей температуре. Традиционное охлаждение воздухом, используемое в обычных ЭВМ и авионике, плохо подходит при высокой плотности упаковки элементов AФAР, в результате чего современные AФAР охлаждаются жидкостью (американские проекты используют polyalphaolefin (PAO) хладагент, подобный синтетической гидравлической жидкости). Типичная жидкостная система охлаждения использует насосы, вводящие хладагент через каналы в антенне, и выводящие затем его к теплообменнику - им может быть как воздушный охладитель (радиатор) так и теплообменник в топливном баке - со второй жидкостью, охлаждающей петлю теплообмена, чтобы уменьшить нагрев содержимого топливного бака.

По сравнению с обычным радаром истребителя с воздушным охлаждением, радар с AФAР более надёжен, однако потребляет больше электроэнергии и требует более интенсивного охлаждения. Но AФAР может обеспечить намного большую передаваемую мощность, что необходимо для большей дальности обнаружения цели (увеличение передающей мощности однако имеет недостаток - увеличения следа, по которому радиоразведка противника или RWR могут обнаружить радар).

Стоимость

Другая проблема - стоимость массового производства модулей. Для радара истребителя, требующего типично от 1000 до 1800 модулей, стоимость AФAР становится неприемлемой, если модули стоят больше чем сто долларов каждый. Ранние модули стоили приблизительно 2 тыс. долл., что не допускало массового использования AФAР. Однако стоимость таких модулей и MMIC-чипов постоянно уменьшается, поскольку себестоимость их разработки и производства постоянно снижается.

Несмотря на недостатки, активные фазированные решётки превосходят обычные радарные антенны почти во всех отношениях, обеспечивая более высокую следящую способность и надёжность, пусть и при некотором увеличении в сложности и, возможно, стоимости.

Управление фазами (фазирование) позволяет радару с применяемой ФАР:

формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) антенны (например, остронаправленную ДН типа луч);
изменять направление луча неподвижной антенны, таким образом осуществляя быстрое (в ряде случаев практически безынерционное) сканирование - качание луча;
управлять в определённых пределах формой ДН - изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей).

Установка защитного колпака на ФАР

Эти (и некоторые другие свойства ФАР), а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и вычислительной электроники обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т. д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов, входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.

Описание устройства ФАР

КНД

Применение антенных решёток обусловлено следующими причинами. Решётка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз КНД (и соответственно усиление) антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации и радиолокации . С помощью решётки удаётся поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путём размещения в каналах решётки независимых усилителей высокочастотной энергии.

Электрическое сканирование

Одним из важных преимуществ решётки является возможность быстрого (безынерционного) обзора пространства за счёт качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования).

Помехозащищённость

Конструктивно-технологические преимущества

Имеется ряд конструктивно-технологических преимуществ по сравнению с другими классами антенн. Так например, улучшение массогабаритных характеристик бортовой аппаратуры происходит за счёт использования печатных антенных решёток. Снижение стоимости больших радиоастрономических телескопов достигается благодаря применению зеркальных антенных решёток.

Классификация

Классификация антенных решёток; а) линейная; б) дуговая; в) кольцевая; г) плоская; д) цилиндрическая; е) коническая; ж) сферическая; з) неэквидистантная

Антенные решётки могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

геометрия расположения излучателей в пространстве
- линейные
- дуговые
- кольцевые
- плоские
  - с прямоугольной сеткой размещения
  - с косоугольной сеткой размещения
- выпуклые
  - цилиндрические
  - конические
  - сферические
- пространственные
способ возбуждения
- с последовательным питанием
- с параллельным питанием
- с комбинированным (последовательно-параллельным)
- с пространственным (оптическим, «эфирным») способом возбуждения
закономерность размещения излучающих элементов в самой решётке
- эквидистантное размещение
- неэквидистантное размещение
способ обработки сигнала
амплитудо-фазовое распределение токов (поля) по решётке
тип излучателей

Обработка сигнала

В питающем антенную решётку тракте (фидере) возможна различная пространственно-временная обработка сигнала. Изменение фазового распределения в решётке с помощью системы фазовращателей в питающем тракте позволяет управлять максимумом диаграммы направленности . Такие решётки называют фазированными антенными решётками (ФАР). Если к каждому излучателю ФАР, или к группе подключается усилитель мощности, генератор , или преобразователь частоты , то такие решётки называются активными фазированными антенными решётками (АФАР).

Адаптивные АР

Приёмные антенные решётки с саморегулируемым амплитудно-фазовым распределением в зависимости от помеховой обстановки называют адаптивными . Приёмные антенные решётки с обработкой сигнала методами когерентной оптики называются радиооптическими . Приёмные антенные решётки, в которых обработка ведётся цифровыми процессорами, называются цифровыми антенными решётками .

Совмещённые антенные решётки

Многолучевые антенные решётки

Антенные решётки, формирующие с одного излучающего раскрыва несколько независимых (ортогональных) лучей и имеющие соответствующее число входов, называются многолучевыми.

По виду амплитудного распределения

В зависимости от соотношения амплитуд токов возбуждения различают решётки с:

равномерным
экспоненциальным
симметрично спадающим относительно центра

амплитудным распределением. Если фазы токов излучателей изменяются вдоль линии их размещения по линейному закону, то такие решётки называют решётками с линейным фазовым распределением. Частным случаем таких решёток являются синфазные решётки, у которых фазы тока всех элементов одинаковы.

Структура ФАР

вдоль линии (прямой или дуги);
по поверхности (например, плоской – в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической)
в заданном объёме (объёмные ФАР).

Иногда форма излучающей поверхности ФАР – раскрыва, определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР. ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву (как в синфазной антенне) до направления вдоль раскрыва (как в антенне бегущей волны). Коэффициент направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах – вплоть до 4 стерадиан без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. Сканирование в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фазирования.

По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР:

с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода;
частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между соседними излучателями или дисперсии волн в радиоволноводе;
с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей, управляемых электрическими сигналами с плавным (непрерывным) или ступенчатым (дискретным) изменением фазовых сдвигов.

Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. Они обеспечивают создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка микросекунд и потерями мощности ~ 20%). 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.

Особенности построения ФАР

Возбуждение излучателей ФАР производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в т. н. квазиоптических ФАР), фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями иногда содержат сложные электрические устройства (т. н. диаграммообразующие схемы), обеспечивающие возбуждение всех излучателей от нескольких входов, что позволяет создать в пространстве соответствующие этим входам одновременно сканирующие лучи (в многолучевых ФАР). Квазиоптические ФАР в основном бывают двух типов: проходные (линзовые), в которых фазовращатели и основные излучатели возбуждаются (при помощи вспомогательных излучателей) волнами, распространяющимися от общего облучателя, и отражательные – основной и вспомогательные излучатели совмещены, а на выходах фазовращателей установлены отражатели. Многолучевые квазиоптические ФАР содержат несколько облучателей, каждому из которых соответствует свой луч в пространстве. Иногда в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы). Рассмотренные выше ФАР иногда называются пассивными.

Наибольшими возможностями управления характеристиками обладают активные ФАР , в которых к каждому излучателю или модулю подключен управляемый по фазе (иногда и по амплитуде) передатчик или приёмник. Управление фазой в активных ФАР может производиться в трактах промежуточной частоты либо в цепях возбуждения когерентных передатчиков, гетеродинов приёмников и т.п. Таким образом, в активных ФАР фазовращатели могут работать в диапазонах волн, отличных от частотного диапазона антенны; потери в фазовращателях в ряде случаев непосредственно не влияют на уровень основного сигнала. Передающие активные ФАР позволяют осуществить сложение в пространстве мощностей когерентных электромагнитных волн, генерируемых отдельными передатчиками. В приёмных активных ФАР совместная обработка сигналов, принятых отдельными элементами, позволяет получать более полную информацию об источниках излучения.

Перспективы развития ФАР

К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР относятся:

Широкое внедрение в радиотехнические устройства ФАР с большим числом элементов, разработка элементов новых типов, в частности для активных ФАР;
Развитие методов построения ФАР с большими размерами раскрывов, в том числе неэквидистантных ФАР с остронаправленными антеннами, расположенными в пределах целого полушария Земли (глобальный радиотелескоп);
Дальнейшая разработка методов и технических средств ослабления вредных влияний взаимной связи между элементами ФАР;
Развитие теории синтеза и методов машинного проектирования ФАР;
Разработка теории и внедрение в практику новых методов обработки информации, принятой элементами ФАР, и использования этой информации для управления ФАР, в частности для автоматического фазирования элементов (самофазирующиеся ФАР) и изменения формы ДН, например понижения уровня боковых лепестков в направлениях на источники помех (адаптивные ФАР);
Разработка методов управления независимым движением отдельных лучей в многолучевых ФАР.

История создания

До конца 1980-х годов создание такой системы требовало применения большого количества устройств, из-за чего фазированные решётки, полностью управляемые электроникой, использовались, главным образом, в больших стационарных радарах, типа массивного BMEWS (Ballistic Missile Warning Radar) и несколько меньшего американского морского радара противовоздушной обороны SCANFAR , (развитие AN/SPG-59), установленного на американском тяжелом атомном ракетном крейсере «Лонг-Бич» (англ.) и атомном авианосце «Энтерпрайз» . Его потомок SPY-1 Aegis установливался на крейсерах класса Ticonderoga и позже на эсминцах Arleigh Burke . Единственными известными применениями на самолётах был большой радар Заслон (англ.), установленный на советском перехватчике МиГ-31 , и радар нападения на Rockwell B-1B Lancer . В текущий момент применяется в Су-35 и F-22 .

Такие радары не устанавливались на самолётах главным образом из-за их большого веса, поскольку первое поколение технологии фазированных решёток использовало обычную радарную архитектуру. В то время как антенна изменилась, всё остальное ещё оставалось прежним, но были добавлены дополнительные вычислители, чтобы управлять фазовращателями антенны. Это привело к увеличению веса антенны, количества вычислительных модулей, а также повысило нагрузку на систему электропитания.

Выгоды применения фазированных решёток, однако, оправдывали дополнительную стоимость. Фазированные решетки могли в единственной антенне совместить работу нескольких антенн, почти одновременно. Широкие лучи могли использоваться для поиска цели, узкие - для сопровождения, плоские лучи в форме веера для определения высоты, узкие направленные лучи для полёта по ландшафту (B-1B). Во враждебной зоне электронного противодействия выгоды были ещё больше, поскольку фазированные решётки позволяют системе размещать «ноль» диаграммы направленности антенны в направлении источника помех и таким образом блокировать её попадание в приёмник. Другая выгода - отсутствие необходимости механически поворачивать антенну в направлении цели, что позволило повысить скорости обзора пространства на порядки, а также увеличить срок службы системы, так как с введением фазирования частично отпала потребность в громоздких механизмах ориентации полотна в пространстве. Обычно многосторонняя антенна могла обеспечить охват в 360 градусов, неподвижными антеннами, охватывающими все направления сразу.

Эта технология также предоставляла менее очевидные выгоды. Одна могла быстро «осмотреть» маленький участок неба, чтобы увеличить вероятность обнаружения маленькой и скоростной цели, в отличие от медленно вращающейся антенны, которая может сканировать специфический сектор только однажды за оборот (обычно период обзора составляет от 5 до 20 секунд). Цель с малым ЭПР, например, низко летящую крылатую ракету, почти невозможно заметить при таких условиях. Способность фазированной решётки к почти мгновенному изменению направления и формы луча фактически добавляют целое новое измерение к сопровождению целей, поскольку разные цели могут быть отслежены разными лучами, каждый из которых переплетается во времени с периодически сканирующим лучом обзора пространства. Например, луч обзора пространства может охватывать 360 градусов периодически, тогда как сопровождающие лучи могут следить за индивидуальными целями независимо от того, куда в это время направлен луч обзора пространства.

Фазированные решётки, как и все физические объекты, имеют и ограничения. Основное ограничение - диапазон углов, на которые луч может быть отклонён. Практически, предел составляет 45...60 градусов от перпендикуляра к плоскости антенны. Отклонение луча на большие углы значительно ухудшает основные характеристики антенной системы (УБЛ, КНД, ширину и форму основного лепестка диаграммы направленности). Это объясняется двумя эффектами. Первый из них - уменьшение эффективной длины (ширины) антенны (апертура антенны) с ростом угла отклонения луча. В свою очередь, сокращение длины решётки в сочетании со снижением коэффициента усиления антенны уменьшает способность обнаружения цели на расстоянии.

Возбуждения каждого излучающего элемента антенной решётки. Отличие фазированной антенной решётки заключается в том, что амплитудно-фазовое распределение не является фиксированным, оно может регулироваться (управляемо изменяться) при эксплуатации . Благодаря этому можно перемещать луч (главный лепесток диаграммы направленности) антенной решётки в определённом секторе пространства (антенная решётка с электрическим сканированием луча как альтернатива антенне с механическим сканированием, то есть альтернатива механически вращающейся антенне ) или изменять форму диаграммы направленности.

Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и вычислительной техники обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т. д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов, входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиотехнических систем. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.

Энциклопедичный YouTube

1 / 4

✪ Диаграмма направленности диполя

✪ Phased Array Antenna Beam Steering Animation (Beamforming)

✪ Видеоурок CADFEM VL1306 - Обзор возможностей ANSYS HFSS для анализа антенных решёток ч.2

✪ Beamforming by Phased Array Antennas

Субтитры

Преимущества

Антенная решётка из N излучающих элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз коэффициент направленного действия (КНД) и, следовательно, коэффициент усиления антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения помехозащищенности, разрешающей способности по угловым координатам, точности пеленгации источников радиоизлучения в радиолокации и радионавигации .

В антенной решётке возможно увеличение электрической прочности по сравнению с апертурной антенной, оснащённой одиночным облучателем.
Важным преимуществом ФАР является возможность быстрого обзора (сканирования) пространства за счёт «качания» луча диаграммы направленности электрическими методами (по сравнению с антеннами с механическим сканированием луча). Такая ФАР является антенной с электрическим сканированием луча .
Функциональные возможности ФАР расширяются при использовании совместно с каждым излучающим элементом активного приёмопередающего модуля [см. Активная фазированная антенная решётка (АФАР)].
Имеется ряд конструктивно-технологических преимуществ по сравнению с другими классами антенн. Например, улучшаются массогабаритные характеристики бортовой аппаратуры благодаря использованию антенных решёток в печатном исполнении (выполненных в виде печатных плат). Снижение стоимости больших радиоастрономических телескопов достигается благодаря применению зеркальных антенных решёток.

История

Однако сравнительно высокая стоимость ФАР окупалась теми преимуществами, которые обеспечивало их применение. Фазированные антенные решётки могли в единственной антенне совместить работу нескольких антенн, почти одновременно. Широкие лучи могли использоваться для поиска цели, узкие - для сопровождения, плоские лучи в форме веера для определения высоты, узкие направленные лучи для полёта по ландшафту (B-1B , Су-34). Во враждебной зоне электронного противодействия выгода становится ещё больше, так как ФАР позволяют системе размещать «ноль» диаграммы направленности антенны (то есть область, где антенна не чувствительна к электромагнитному излучению, «слепа») в направлении источника помех и таким образом блокировать их попадание в приёмник. Другое преимущество - отказ от механического поворота антенны при сканировании луча, что повышает скорость обзора пространства на порядки, а также увеличивает срок службы системы, так как с введением фазирования частично отпала потребность в громоздких механизмах ориентации антенного полотна в пространстве. ФАР, состоящая из трёх-четырёх плоских полотен, может обеспечить круговой обзор пространства, вплоть до всей верхней полусферы.

Структура ФАР

вдоль линии (прямой или дуги);
по поверхности (например, плоской - в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической)
в заданном объёме (объёмные ФАР).

По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР:

с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода;
частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между соседними излучателями или дисперсии волн в радиоволноводе;
с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей , управляемых электрическими сигналами с плавным (непрерывным) или ступенчатым (дискретным) изменением фазовых сдвигов.

Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. Они обеспечивают создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка микросекунд и потерями мощности ~ 20 %). 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.

Помехозащищённость

Классификация

Антенные решётки могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

Геометрия расположения излучателей в пространстве:
- линейные
- дуговые
- кольцевые
- плоские
  - с прямоугольной сеткой размещения
  - с косоугольной сеткой размещения
- выпуклые
  - цилиндрические
  - конические
  - сферические
- пространственные

Способ возбуждения:
- с последовательным питанием
- с параллельным питанием
- с комбинированным (последовательно-параллельным)
- с пространственным (оптическим, «эфирным») способом возбуждения
закономерность размещения излучающих элементов в самой решётке
- эквидистантное размещение
- неэквидистантное размещение

Способ обработки сигнала

Амплитудо-фазовое распределение токов (поля) по решётке

Тип излучателей

Обработка сигнала

В питающем антенную решётку тракте (фидере) возможна различная пространственно-временная обработка сигнала. Изменение фазового распределения в решётке с помощью системы фазовращателей в питающем тракте позволяет управлять максимумом диаграммы направленности . Такие решётки называют фазированными антенными решётками (ФАР). Если к каждому излучателю ФАР, или к группе подключается усилитель мощности, генератор сигналов , или преобразователь частоты , то такие решётки называются активными фазированными антенными решётками (АФАР).

Адаптивные АР

Совмещённые антенные решётки

Совмещённые антенные решётки имеют в своём раскрыве два, или более типа излучателей, каждый из которых работает в своём