Фазированные антенные решетки




Антенны с управляемыми диаграммами направленности

Сканирование может осуществляться тремя способами:

1) Механическим, 2) электромеханическим и 3) электри­ческим.

Механическое сканирование Электромеханическое сканирование

 

Первый способ реализуется путем поворота всей ан­тенны и характеризуется наибольшей инерционностью. При втором способе с помощью электродвигателей или электромагнитов осуществляется механическое переме­щение одного или нескольких элементов антенны. Классическим примером является управление положением луча параболической антенны при боковом смещении облучателя. Второй способ является более быстрым, так как движущиеся элементы имеют небольшую массу по сравнению с массой всей антенны. Однако ни первый, ни второй способы не удов­летворяют современным требованиям к скорости обзора пространства и не дают возможности одновременно сле­дить за перемещениями нескольких быстро движущихся объектов.

Наибольшую скорость обзора может обеспечить только третий, электрический способ сканирования. При этом способе амплитудно-фазовое распределение воз­буждения в неподвижном раскрыве антенны регулиру­ется с помощью электронно-управляемых устройств, на­пример ферритовых или полупроводниковых фазовращателей и коммутаторов. Быстродействие сканирования здесь ограничивается инерцией, связанной с постоянными времени электрических цепей, причем эта инерция на несколько порядков меньше механической инерции в двух первых способах. Электрическое сканирование применяется в ФАР.

 

Антенны с частотным сканированием

При частотном способе сканирования фазовые сдвиги возбуж­дения излучателей и направление луча решетки регулируются с помощью изменения частоты колебаний. Наиболее распространен­ной частотно-сканирующей антенной является эквидистантная линейная антенная решетка с последовательной схемой возбужде­ния элементов (рис.). Мощность к излучателям отводится небольшими дозами из точек главного тракта, отстоящих одна от другой на расстояние l; на конце главного тракта для поддержа­ния режима бегущей волны включена согласованная нагрузка. На рис. в линиях, идущих к излучателям, находятся фиксирован­ные частотно-независимые фазосдвигатели, учитывающие способ связи излучателя с трактом. Если излучатели одинаковы и одина­ково связаны с трактом, то фиксированные фазосдвигатели исклю­чаются из схемы. Они появляются, например, когда главный тракт перекрещивается между соседними элементами или когда соседние щели в прямоугольном волноводе возбуждаются переменнофазно.

Частотно-зависимый фазовый сдвиг возбуждения пары сосед­них излучателей определяется электрическим запаздыванием вол­ны в главном тракте на длине l.

Современные генераторы СВЧ без особых затруднений допус­кают перестройку частоты в пределах 10%.

 

Фазированные антенные решетки

Фазированные антенные решетки (ФАР)—это наиболее рас­пространенный класс антенных решеток, позволяющий создавать сканирующие антенные системы как средних, так и очень больших электрических размеров. Различают активные и пассивные ФАР. В активных фазированных антенных решетках (АФАР) каждый элемент возбуждается от отдельного фазируемого генератора или усилителя мощности, а также снабжается переключателем прие­ма-передачи и каскадами, осуществляющими преобразование час­тоты и предварительное усиление принятых сигналов. Все пере­численные элементы образуют приемопередающий модуль АФАР. Модуль должен иметь небольшие поперечные размеры (0,6l - 0,7l), допускающие его размещение в пределах участка площади раскрыва, приходящейся на один элемент решетки. Модули АФАР часто выполняют по технологии интегральных схем, на основе микрополосковых линий передачи и микрополосковых излучате­лей. Несомненными преимуществами АФАР являются высокая тех­нологичность, надежность конструкции многоэлементной антенны и кардинальное сокращение длины трактов СВЧ между излуча­телями и приемопередающей аппаратурой.

В пассивных ФАР все излучатели возбуждаются от общего ге­нератора (или работают на общий приемник). Поэтому неотъем­лемой частью пассивной ФАР является распределитель мощности между элементами решетки.

Распределители в виде закрытого тракта. Разводка мощности СВЧ к излучателям решетки в распределителях этого типа осуще­ствляется с помощью пассивных многополюсников, состоящих из отрезков линий передачи, тройников, направленных ответвителей и т. п. Различают распределители с последовательным и с парал­лельным питанием излучателей.

Классическая схема последовательного питания линейной экви­дистантной решетки показана на рис. а. Мощность к каждому излучателю ответвляется от главного тракта, и одинаковые про­ходные фазовращатели включаются в главный тракт между отво­дами к соседним излучателям. В качестве ответвляющих элемен­тов могут использоваться реактивные тройники со слабой связью в боковое плечо, а также направленные ответвители с малой связью (развязанное плечо ответвителя замыкается на согласован­ную нагрузку). Схема компактна, все фазовращатели управляют­ся по одному и тому же закону, так как для отклонения луча на определенный угол фазовый сдвиг между соседними излучателями должен быть одинаковым по длине решетки. В результате упро­щается система управления фазовращателями. Однако последо­вательная схема имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, происходит накопление и возрастание фазовых ошибок и потерь к концу решетки, в связи с чем допустимо использование только точных фазовращателей с очень малыми потерями. Во-вторых, через ближайший ко входу фазовращатель проходит почти вся излучаемая мощность и, таким образом, требуются фазовращатели с повышенной электрической прочностью. В-третьих, электриче­ская длина путей сигналов от общего входа до каждого излучате­ля оказывается существенно различной, и это может приводить к нежелательному расфазированию решетки на краях рабочей полосы частот. Для выравни­вания электрических длин в линии питания излучателей следует включать компенсиру­ющие отрезки линий (штрихо­вые линии на рис.), что увеличивает размеры распреде­лителя, а потому он уже не яв­ляется компактным. Фазовращатели в последовательной схеме могут включаться в бо­ковые отводы от главного тракта (рис.), однако при этом теряется простота схемы управления.

Параллельная схема питания N-элементной решетки показана на рис. Эта схема имеет ряд важных преимуществ. Во-первых, можно использовать сравнительно маломощные фазовращатели, так как через каждый из них проходит только 1/N излучаемой мощности. Во-вторых, общие потери мощности в управляю­щих устройствах определяются ослаблением лишь одного фазовращателя, и поэтому можно использовать фазовращатели с ослаб­лением, достигающим 1,0—1,5 дБ. Важным преимуществом парал­лельной схемы является отсутствие накопления фазовых ошибок вдоль раскрыва и возможность выравнивания длины отдельных каналов для обеспечения широкополосности.

Недостатком параллельной схемы является сложность систе­мы управления, так как фазовые сдвиги в каждом фазовращателе различны. Кроме того, имеются трудности хорошего согласования входа распределителя при одновременном делении мощности на много каналов.

Распределители оптического типа. Существует два варианта схем оптического питания решеток: проходная и отражательная. В ФАР, выполненных по проходной схеме (рис.), специальный облучатель направляет излучаемую мощность на собирающую антенную решетку приемных элементов. Принятая мощность про­ходит через систему фазовращателей и после фазирования излу­чается в нужном направлении другой решеткой излучающих эле­ментов.

Между приемными элементами и фазовращателями иног­да включают дополнительные отрезки линий (штриховые линии на рис.), уравнивающие электрическую длину пути сигналов до различных элементов излучающей решетки. Эти отрезки могут быть также использованы для создания нелинейного начального фазового распределения (фазовой подставки), применяемого для борьбы с паразитными боковыми лепестками при дискретном фазировании. По принципу действия проходная ФАР эквивалентна линзе с принудительным ходом лучей и с электрически управляемым фазовым распределением возбуждения в раскрыве.

ФАР, выполненная по отражательной схеме (рис.), состоит из облучателя и приемопередающей решетки, каждый элемент которой снабжен отражательным фазовращателем. Между излучателями и фазовращателями могут быть включены дополнительные линии задержки для выравнивания электрической длины пути сиг­налов, проходящих через различные элементы решетки и для соз­дания начального фазового распределения. В отражательной ФАР излучатели решетки выполняют двойную функцию: 1) собирают мощность, идущую от облучателя; 2) переизлучают ее в нужном направлении после фазирования. По принципу действия отража­тельная ФАР эквивалентна зеркальной антенне с электрическим управлением фазой коэффициента отражения различных участков поверхности.

К преимуществам обеих схем оптического питания относятся сравнительная простота при большом числе элементов решетки, удобная возможность управления формой амплитудного распреде­ления в раскрыве путем подбора формы ДН облучателя, а также возможность применения сложных моноимпульсных облучателей для создания суммарных и разностных ДН в радиолокационных станциях с автоматическим угловым сопровождением целей. Об­щим недостатком схем оптического питания является увеличение размеров по сравнению с закрытым трактом, поскольку отношение «фокусного расстояния» f к размеру раскрыва L обычно находит­ся в пределах 0,5 ³ f/L ³ 1. Кроме того, в оптических схемах часть мощности облучателя не перехватывается приемной решеткой, что приводит к возрастанию фона бокового излучения и снижению общего коэффициента использования поверхности антенны. Для устранения этого неприятного явления в ФАР проходного типа вся облучающая система может быть помещена в большой рупор, простирающийся от облучателя до приемной решетки, или выпол­нена в виде закрытой со всех сторон зеркальной антенны в форме параболического цилиндра с боковыми металлическими стенками.

По конструктивным признакам отражательная ФАР имеет ряд преимуществ по сравнению с проходной: легкий доступ к любому фазовращателю с тыльной стороны решетки, что упрощает монтаж и эксплуатацию, и, кроме того, отражательные фазовращатели по конструкции проще проходных. С другой стороны, преимуществом проходной ФАР в отношении электрических характеристик явля­ются: 1) возможность раздельной оптимизации собирающей и из­лучающей решеток (в каждой из них можно применять элементы разного типа и расположения); 2) отсутствие затенения раскрыва облучателем и реакции решетки на облучатель.

При проектировании схем оптического распределения мощности в ФАР с успехом используются расчетные методы и способы оптимизации облучателя, разработанные для линзовых и зеркаль­ных антенн, и сохраняют значение многие факторы, определяющие коэффициент использования поверхности зеркальных и линзовых антенн.

Внешний вид стационарной ФАР

 
 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-06-21 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: