Фазированной антенной решеткой (ФАР) называется система простейших излучателей, расположенных относительно друг друга определенным образом и питаемых по определенному закону.

Главным преимуществом ФАР перед другими типами антенн является осуществление электронного сканирования диаграммы направленности (ДН) антенны по заданному алгоритму, которое позволяет быстро и с высокой точностью изменять не только положение ДН в пространстве, но и ее форму.

Скоростное электронное сканирование существенно улучшает технические характеристики радиолокационных систем, расширяет их функциональные возможности и позволяет создавать многоцелевые РЛС.

ФАР современных комплексов РО обеспечивают формирование сверхнаправленной (игольчатой) ДН с коэффициентом направленного действия (КНД) 10 4 – 10 5 (КНД обычных направленных антенн не превышает 100 – 150);

КНД фазированных антенных решеток зависит от количества активных элементов, их расположения, расстояния между ними, направленности излучения одиночного элемента, а также распределения амплитуд и фаз токов или напряжений по решетке.

Высокий КНД решетки достигается путем увеличения количества чередований противоположных фаз и уменьшения расстояния между противофазными участками. Для этого необходимо осуществить заданное распределение токов на плоскости ФАР с исключительно высокой точностью, что достигается путем использования сложной системы питания антенны.

В ФАР формирование и перемещение луча в пространстве осуществляется путем введения постоянных или переменных фазовых сдвигов между сигналами, излучаемых или принимаемых излучателями.

Для получения узкой ДН необходимо преобразовать сферический фронт волны в плоский. Для этого производится изменение фазовых соотношений волн, которые распространяются в различных направлениях от облучателя. В зеркальных антеннах это осуществляется изменением длины путей, проходимых волнами, в линзовых и диэлектрических антеннах – изменением скоростей распространения волн. В результате тот и другой способ приводит к положительному или отрицательному набегу фаз волн.

Оказалось возможным изменять фазовые соотношения волн, распространяющихся в различных направлениях от облучателя, установкой в фидерных линиях излучателей фазовращающих элементов (фазовращателей), каждый из которых вносит требуемый сдвиг фазы, в результате чего фронт волны в раскрыве антенны оказывается синфазным. В этом случае антенна формирует узкий луч.

Если же фазовые соотношения волн изменять по определенному закону, можно получить требуемый закон перемещения луча в пространстве.

Рассмотрим принцип формирования диаграммы направленности ФАР (рис. 5.20).

Рис.1. Принцип формирования диаграммы направленности ФАР.

Предположим, что имеется к излучателей, расположенных в одной плоскости, В цепи питания каждого из них включены фазовращатели, позволяющие вносить сдвиг фазы Рi и 2 и т. д. Пусть все излучатели возбуждаются первичным облучателем рупорного типа. Сферическая волна от облучателя возбуждает поле в излучателях. При Р1=Р2=РЗ=. . .=р излучатели создали бы сферическую

волну, в результате антенна имела бы широкую диаграмму направленности. для того чтобы преобразовать волну из сферической в плоскую, необходимо внести запаздывание по фазе волн, излучаемых излучателями 2, 3, ... (к-1). Вели чина запаздывания фаз должна быть пропорциональна вели чинам А1 А1 .. . , А соответственно. Включив в схему прохождения волны излучателя 2 фазовращатель, вносящий запаздывание фазы Р2= (2х/Х)А1 в схему прохождения волны излучателя З фазовращатель, вносящий запаздывание о (2л/? и т. д., получим в раскрыве антенны плоский фронт волны. Максимум луча будет направлен по электрической оси антенны, перпендикулярной плоскости раскрыва.

Если же значения сдвигов фаз волн излучателей изменять по некоторому закону, можно изменять ширину диаграммы направленности или качать луч антенны в пространстве. За дача управления фазовыми соотношениями волн решается ЭВМ на основе заданной программы или установленной логики.

Современные системы ФАР, обеспечивающие электронное сканирование, имеют сложную конструкцию, включающую устройства управления фазой сигналов, СВЧ фазовращатели и быстродействующие ЦВМ.

Рассмотрим принцип управления направлением максимума излучения диаграммы направленности ФАР на примере линейной эквидистантной передающей ФАР, состоящей из трех элементарных излучателей, на вход каждого из которых подключены соответственно фазовращатели ФВ фВ ФВ (рис. 5.21).

Рис.2. Принцип управления направлением максимума излучения ФАР.

Допустим, что фазовращатели запитываются параллельно и синфазно синусоидальным напряжением. Если сдвиг фаз, вносимый каждым фазовращателем, будет равен нулю (Ч то каждый излучатель будет излучать напряжение в фазе (синфазно). В этом случае волновой фронт (поверхность, все точки которой имеют одинаковую фазу) будет проходить через точки А А А а направление излучения ФАР в соответствии с теоремой Умова - Пойтинга бу д перпендикулярно волновому фронту и займет положе цце 1=, совпадающее с нормалью ФАР (е=о).

Введем сдвиги фаз во 2-й и 3-й фазовращатели. для наглядности примем Р2= и з= 1800. Тогда напряжения на

ходе излучателей получат соответственно сдвиг фаз на 90 и 180° по отношению к ФВ В результате изменится положение волнового фронта на выходе ФАР, который займет поло жение,4, А А а максимум излучения будет направлен по линии II и отклонится от первоначального положения на угол е.

Таким образом, изменяя сдвиг фаз в фазовращателях ФАР, можно управлять в соответствии с требуемым алгоритмом направлением максимума излучения как в передающей, так и в приемной ФАР.

Для пояснения принципа формирования сверхнаправленной сканирующей ДН на рис.13.1 изображена расчетная схема линейно-синфазной ФАР.

Рис.13.1. Расчетная схема линейно-синфазной ФАР.

На этом рисунке обозначено:

l – расстояние между излучателями решетки (шаг решетки),

OZ – ось излучателей,

Od – ось антенны,

OZ΄ – ось требуемого фронта,

J c – угол сканирования,

Оd΄ – ось ДН при сканировании,

(-4 – 0 – 4) – номера вторичных излучателей,

0 – облучатель решетки.

На рисунке 13.1 вторичные излучатели расположены на оси OZ решетки с шагом l . Если они имеют примерно одинаковые параметры и облучатель О обеспечивает облучение их по оси Od , то в каждом излучателе возбуждается синфазное вторичное излучение. Поскольку углы падения электромагнитной энергии равны углам ее отражения от решетки, образуется плоская волна вторичного излучения, фронт которой совпадает с осью OZ. Ось Od плоской волны совпадает с нормалью к ее фронту.

Если необходимо отклонить ось ДН на угол J c сканирования, то фронт плоской волны должен совпадать с линией OZ¢. Однако, поскольку в этом случае расстояние от каждого излучателя по нормали к фронту OZ¢ будет различным, то и фазы формируемых излучений также будут различными. Используя рисунок 13.1, можно рассчитать расстояние r i от каждого излучателя по нормали к фронту OZ¢:

r i – расстояние от i-того излучателя до фронта OZ¢,

n i – номер i-того излучателя,

l – шаг решетки,

sign n i – знак номера излучателя.

Для компенсации разности ходов и получения синфазных излучений вдоль фронта OZ¢ формируемые излучателями токи должны иметь следующие фазы:

φ i = k в · r i , (13.2)

φ i – фаза i – того излучателя,

k в = 2π ⁄ λ – волновое число,

λ – длина волны.

Волновое число k в для данного типа решетки величина постоянная, поэтому вычисление искомого фазового угла φ i для каждого излучателя осуществляется из выражения (13.2).

Современные ФАР могут иметь более 10000 излучателей. Чтобы обеспечить высокие скорости сканирования ДН, необходимо производить расчет фазовых углов для каждого излучателя в реальном времени. Это под силу только современным ЦВМ с высокой вычислительной мощностью.

ФАР классифицируются по числу элементов, форме раскрыва, диапазону длин волн, способу формирования вторичного излучения и т. д. По способу формирования вторичного излучения различают активные и пассивные ФАР.

В активных ФАР (АФАР) каждый излучатель возбуждается от собственного фазируемого генератора, который дополняется переключателем прием-передача, каскадами преобразования частоты и устройствами предварительного усиления принятых сигналов. Все эти элементы образуют приемо-передающий модуль АФАР. Модули выполняются по интегральной технологии и имеют небольшие размеры (около 0,6 λ – 0,7 λ). Преимуществами АФАР являются высокая технологичность и экономичность.

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

В современных комплексах РО используются распределители оптического типа и ФАР с закрытым трактом. Существует две схемы оптического питания решеток: проходная и отражательная. Принципиальная электрическая схема проходной ФАР изображена на рис.13.2.

Рис.13.2. Принципиальная электрическая схема проходной ФАР.

На этом рисунке приняты следующие обозначения:

f – фокусное расстояние,

L – ширина раскрыва решетки,

l – расстояние между излучателями,

φ 1 -φ 7 – фазосдвигающие элементы (фазовращатели),

УУ – устройство управления фазосдвигающими элементами,

ШИ – шина управления.

Принципиальная электрическая схема отражательной ФАР изображена на рисунке 13.3.

Рис.13.3. Принципиальная электрическая схема отражательной ФАР.

Каждый ее элемент снабжен отражающим фазовращателем. Для создания начального фазового распределения между излучателями и фазовращателями в ФАР могут включаться дополнительные ЛЗ.

В отражательной ФАР излучатели решетки концентрируют мощность, излучаемую облучателем О, и фазируют сконцентрированную мощность.

По конструктивным признакам отражательная ФАР имеет следующие достоинства:

Свободный доступ к фазовращателям решетки;

Конструкция отражательных фазовращателей проще, чем проходных.

Эти достоинства определяют преимущественное использование в РО отражательных ФАР.

К преимуществам обеих схем оптического питания относятся:

Сравнительная простота конструкции при существенном количестве элементов решетки,

Возможность удобного управления формой амплитудного распределения в раскрыве антенны путем подбора облучателя,

Способность формирования суммарных и разностных ДН для автоматического сопровождения целей по угловым координатам.

Общим недостатком схем оптического питания является существенно больший размер решеток, чем у ФАР с закрытым трактом.

Известно, что требуемые фазы токов, текущих в излучателях ФАР с координатами y i и z i , рассчитываются из уравнения 13.2 следующим образом:

Ф (y i , z i) = – k в (z i sinθ 0 sinφ 0 + y i sinθ 0 cosφ 0), (13.3)

Ф – фаза тока в излучателе с координатами y i и z i ,

θ 0 – угол сканирования ДН в горизонтальной плоскости,

φ 0 – аналогичный угол сканирования ДН в вертикальной плоскости.

В ФАР, имеющую равномерную прямоугольную сетку излучателей,

для быстрого расчета фазовых углов удобно сначала вычислить разности фаз ΔФ Z и ΔФ y токов, текущих в соседних по осям ОY и ОZ элементах соответственно.

ΔФ Z = – k в l z sinθ 0 sinφ 0 , (13.4)

ΔФ y = – k в l y sin θ 0 cosφ 0 , (13.5)

где l z и l y – шаг решетки по колоннам и рядам соответственно.

После этого следует произвести последовательное умножение полученных разностей фаз на номера m и n излучателей, вплоть до максимальных номеров колонок М и рядов N решетки.

Искомые фазы Ф mn токов в каждом излучателе рассчитываются следующим образом:

Ф mn = 0,5 , (13.6)

M – номер колонки с учетом знака,

N – номер ряда излучателя.

Данный способ расчета называется управлением по рядам и колонкам. Он позволяет получить простую и надежную систему фазирования.

В реальных ФАР для обеспечения сканирования ДН этим способом к каждому излучателю с номером mn по двум независимым каналам подводятся управляющие напряжения, пропорциональные произведениям m·ΔФ y и n·ΔФ Z . Соответствующая схема изображена на рисунке 13.4.

Рис.13.4. Схема управления ФАР по рядам и колонкам.

Сложение этих напряжений осуществляется сумматорами Σ, которые часто располагаются вместе с фазовращателями излучателей.

Из рисунка 13.4 следует, что при способе управления по рядам и колонкам число управляющих шин равно количеству управляющих напряжений. Поэтому в ФАР, управляемой таким способом и содержащей М·N излучателей, имеется только М+N шин. Это делает систему управления простой, надежной и обеспечивает высокое быстродействие.

Приведенные выше рассуждения основаны на том, что фронт идеальной плоской волны, излучаемой облучателем, распространяется перпендикулярно оси, отражающей ФАР. На самом деле волна, излучаемая точечным облучателем, расположенным в фокусе F А антенны, распространяется как показано на рисунке 13.5 и образуют не плоский, а сферический фронт.

Рис.13.5. Схема распространения волн от точечного облучателя.

На рисунке обозначено:

F A – фокус антенны,

f – фокусное расстояние,

МИО – моноимпульсный облучатель,

ФПВ – фронт падающей волны,

ФОВ – фронт отраженной волны,

Δr zi – отставание фронта падающей волны.

Отставание Δr zi фронта равно разности между фокусным расстоянием f и отрезком, заключенным между МИО и i-м излучателем. Из рисунка 13.5 можно рассчитать отставание Δr zi для каждой колонки ФАР

Δr zi = . (13.7)

Аналогично рассчитывается отставание Δr уi для каждого ряда ФАР

Δr уi = . (13.8)

В уравнениях 13.7 и 13.8 координаты колонок z i и рядов у i

излучателей ФАР рассчитываются известным образом:

z i = m · l , (13.9)

у i = n · l , (13.10)

Полученные квадратные уравнения 13.7 и 13.8 показывают, что сформированный МИО сферический фронт волны после отражения от решетки становится параболическим. Это наглядно показано на рисунке 13.5. Данное обстоятельство не допустимо, так как приводит к существенному уменьшению КНД антенны. Для получения требуемого КНД необходимо, чтобы отраженная от решетки волна имела плоский фронт.

Чтобы сформировать плоский фронт в ФАР, управляемой по рядам и колонкам, требуется рассчитать фазы токов во вторичных излучателях. Для этого, используя 13.6, следует выразить координаты z i и у i излучателей через номера колонок m и рядов n. Из рисунка 13.5 эти координаты получаются следующим образом:

z i = 0,5 sign n · (|2n| – 1) · l z , (13.11)

у i = 0,5 sign m · (|2n| – 1) ·l y. (13.12)

Из этого же рисунка рассчитываются необходимые для формирования плоского фронта начальные углы θ н и φ н отклонения оси волны, в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно.

θ н = arctg , (13.13)

φ н = arctg . (13.14)

Ф нm = – k в ×z i ×sinθ н ×sinφ н, (13.15)

Ф нn = – k в ×y i ×sinθ н ×cosφ н. (13.16)

Теперь можно получить искомую начальную фазу для каждого излучателя с номером mn, обеспечивающую формирование волны с плоским фронтом.

Ф нn +Ф нm . (13.17)

Из анализа 13.13-13.17 можно заключить, что для соответствующих рядов и колонок конкретной антенны начальные фазы Ф нn и Ф нm const. Поэтому они рассчитываются заранее и вводятся в виде пропорциональных начальных напряжений в каждую шину управления рядом и колонкой фазовращателей.

Сложение начальных напряжений производится теми же сумматорами S, которые осуществляют формирование управляющих фазированием напряжений.

Следует отметить, что размеры реальных моноимпульсных облучателей существенно отличаются от точки. На практике облучение решетки производится площадью раскрыва облучателя. Более того, каждый МИО имеет свои особенности и присущую только ему ДН. Поэтому показанной выше компенсации отставания фронта волны бывает недостаточно. В таких случаях начальные условия и математический аппарат для расчета Δr zi , Δr yi определяются исходя из конструктивных особенностей антенны.

Фазированная антенная решётка (ФАР), фазированная решётка, антенная решётка с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет: формировать (при разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН – луч); изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование – качание луча (см., например, Сканирование в радиолокации); 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). Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также применять для управления ФАР современные средства автоматики и ЭВМ обусловили их перспективность и широкое в радиосвязи , радиолокации , радионавигации , радиоастрономии и т. д. ФАР, содержащие управляемых элементов (иногда 104 и более), входят в 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.

Структура ФАР. Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения (рис. 1 ). 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 допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на 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 ( или дуги); по поверхности (например, плоской – в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической) или в заданном объёме (объёмные ФАР). Иногда излучающей поверхности ФАР – раскрыва (см. Излучение и приём радиоволн ), определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР (например, формой ИСЗ). 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 раскрыва (как в бегущей волны антенне ). Коэффициент направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах – до 4(стер ) без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фазирования.

Управление фазовыми сдвигами. По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода (рис. 2 , а); частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между соседними излучателями (рис. 2, б) или дисперсии волн в радиоволноводе; с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей , управляемых электрическими сигналами (рис. 2 , в) с плавным (непрерывным) или ступенчатым (дискретным) изменением фазовых сдвигов.

Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. Они обеспечивают разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка мксек 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 (рис. 3 ) 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 всех излучателей от нескольких входов, что позволяет в пространстве соответствующие этим входам одновременно сканирующие (в многолучевых ФАР). Квазиоптические ФАР в основном бывают 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 облучателей, каждому из которых соответствует свой луч в пространстве. Иногда в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы). Рассмотренные 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 (рис. 4 ). 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 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 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 ( 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.

Перспективы развития ФАР. К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР относятся: 1) широкое внедрение в радиотехнические устройства ФАР с большим числом элементов, разработка элементов новых типов, в частности для активных ФАР; 2) развитие методов построения ФАР с большими размерами раскрывов, в том числе неэквидистантных ФАР с остронаправленными антеннами, расположенными в пределах целого полушария Земли (глобальный радиотелескоп ), 3) дальнейшая разработка методов и технических средств ослабления вредных влияний взаимной связи между элементами ФАР; 4) развитие теории синтеза и методов машинного проектирования ФАР; 5) разработка теории и 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); 6) методов управления независимым движением отдельных лучей в многолучевых ФАР.

Лит.: Вендик О. Г., Антенны с немеханическим движением луча, М., 1965; Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с англ., т. 1–3, М., 1966–71.

М. Б. Заксон.

Рис. 3. Типовые схемы возбуждения фазированных антенных решёток (ФАР) с последовательных возбуждением (а), параллельным возбуждением (б), многолучевой ФАР (в), квазиоптических ФАР - проходного (г) и отражательного (д) типов: В - возбуждающий фидер; И - излучатели; ПН - поглощающая ; Л - диаграмма направленности (луч); B1 - B4 входы ФАР; ДС - диаграммообразующая схема; ОИ - основные излучатели; ВИ - вспомогательные излучатели; СИ - совмещенные излучатели; О - облучатель; От - ; j - фазовращатель; пунктиром изображена электромагнитная с плоским фазовым фронтом, излучаемая ФАР, штрих-пунктиром - со сферическим фазовым фронтом, излучаемая облучателем.

Рис. 2. Примеры фазированных антенных решёток с электромеханическим (а), частотным (б) и электрическим (в) сканированием: Щ, - щелевые излучатели; В - возбуждающий волновод; Н - продольная пластина (нож) с управляемой глубиной погружения в волновод (служит для изменения фазовой скорости в волноводе); Д - дроссельные канавки; Р - рупоры; СВ - спиральный волновод; ДА - диэлектрические стержневые антенны; Ф - ферритовый стержень фазовращателя; ВВ - возбуждающие волноводы; О - управляющая обмотка фазовращателя; Ш - диэлектрическая .

Рис. 4. Структурные схемы некоторых активных фазированных антенных решёток - передающей (а), приёмной с фазированием в цепях гетеродина (б) и приёмной с фазированием в трактах промежуточной частоты (в): И - излучатель; УМ - мощности; В - возбудитель; С - ; Г - гетеродин; УПЧ - усилитель промежуточной частоты; СУ - суммирующее устройство; j - фазовращатель.

Рис. 1. Структурные схемы некоторых фазированных антенных решеток (ФАР) - линейной эквидистантной с симметричными вибраторами и общим зеркалом (а); линейной неэквидистантной с полноповоротными зеркальными параболическими антеннами (б); плоской с прямоугольным расположением рупорных излучателей (в); плоской с гексагональным расположением диэлектрических стержневых излучателей (г); конформной с щелевыми излучателями (д); сферической со спиральными излучателями (е); системы плоских фазированных антенных решеток (ж); В - вибраторы; Ф - линии возбуждения (фидеры); З - токопроводящее (); А - зеркальные антенны; Р - рупоры; ВР - возбуждающие радиоволны; Э - металлический экран; Щ - щелевые излучатели; К - коническая ФАР; Ц - цилиндрическая ФАР; С - спиральные излучатели; СЭ - сферический ; П - плоские фазированные антенные решетки (точками обозначены излучатели); L0 - между В; l1, l 2, l3 - расстояния между А.

Лекция 6

Фазированные антенные решетки

Введение

В процессе развития радиотехники и электроники антенны претерпели существенное изменение: из простых устройств (один вибратор или несколько) преобразовались в сложные управляемые многоэлементные системы с активными приборами. Если на первых этапах развития антенна должна была обеспечить эффективное излучение и прием, то потом от антенны потребовалось значительное усиление, получаемое за счет направленности действия. С появлением радиосистем локации, навигации и управления приемные антенны стали осуществлять пеленгацию, т.е. определять угловые координаты излученных или отраженных волн с возможно большей точностью. Резкий рост оснащенности радиоэлектронными средствами, произошедший в последний период, создал проблему электромагнитной совместимости (ЭМС). Для осуществления ЭМС в приемных антеннах возникла необходимость формирования глубоких провалов в ДН для направления прихода помех. Помеховая обстановка непрерывно меняется, поэтому потребовались самоприспосабливающиеся антенны - адаптивные. Появление новых видов боевых действий - радиоэлектронной борьбы - привело к необходимости решения в антенной технике проблем, аналогичных перечисленным проблемам, но при более сложных условиях. В настоящее время радиосистемы должны работать при действии нескольких мощных широкополосных помех в условиях независимого перемещения источников помех. В этих случаях антенна ведет пространственную обработку сигнала, т. е. становится динамическим пространственным фильтром. Антенны с электрическим сканированием также являются антеннами с пространственной обработкой сигнала.

В современных передающих и приемных антенных системах возникла необходимость временной обработки сигнала (в частотной области). В антенный тракт решетки может включаться система параллельно работающих активных элементов (приборов): генераторов, усилителей, смесителей, преобразователей частот, аналого-цифровых преобразователей и т. д. Замена одного активного элемента (в передатчике или приемнике) на систему параллельно работающих в антенном тракте элементов позволяет решить ряд задач антенной техники. Остановимся только на некоторых моментах. Включение активного элемента в антенный тракт делает антенну, как правило, невзаимным и нелинейным устройством, что существенно изменяет облик антенны в режиме передачи и приема. Независимая пространственная обработка сигналов в антенне, а затем временная обработка в приемнике затрудняет, а иногда исключает, получение полной информации о пространственно-частотном распределении источников в окружающем пространстве (радиосцене). Параллельная пространственно-временная обработка ряда выборок из падающих волн в приемной антенне позволяет увеличить объем одновременно поступающей информации.

Дальнейшее совершенствование различных радиосистем стимулирует решение новых задач антенной техники. Одним из направлений развития антенной техники является создание антенн с пространственно-временной обработкой. Применяя в таких системах новые конструкторско-технологические решения (сверхширокополосные, печатные, микрополосковые, совмещенные и другие антенны), достижения в микроэлектронике, когерентной радиооптике, голографии и т. д., можно достичь желаемых результатов.

При механическом сканировании, выполняемом поворотом всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн - фазированных антенных решеток (ФАР) .

Применение ФАР для построения сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению объема информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем пространстве.

Многообразие используемых и создаваемых антенн принято классифицировать по рабочим диапазонам волн, их электрическим характеристикам, конструкторско-технологическому исполнению, областям применения и т. д. Такие классификации не учитывают функциональные возможности современных антенн. Превращение антенны из устройства в систему изменяет подход к классификации антенн. Целесообразно подойти к развитию антенн как к совершенствованию некоторой радиосистемы и рассматривать различные существующие, разрабатываемые и вновь предлагаемые антенны, и процессы, происходящие в них, с единых позиций. Критерием классификации и развития антенн можно принять обработку информации (сигнала), происходящую в антенне и ее СВЧ-тракте. Такая обработка может осуществляться на частотах принимаемого (или излучаемого) сигнала, на более высоких или более низких (промежуточных) частотах, быть линейной или не линейной, аналоговой или цифровой, адаптивной и т. д. Так как поле, падающее на отдельный элемент решетки, характеризуется поляризацией, амплитудой и фазой, то в антенной решетке обработка сигналов по амплитуде и фазе может быть дополнена поляризационной обработкой.

На начальном этапе развития радиотехники применялись вибраторные антенные решетки, в фидерном тракте которых арифметически суммировались напряжения, наводимые отдельными вибраторами при падении волны по нормали к полотну АР. Появился простейший, используемый и сейчас, вид АР - синфазные остронаправленные антенны. Вторым видом простейших АР являются антенны бегущей волны (АБВ), в которых суммирование напряженности от отдельных вибраторов для заданного направления прихода волны происходит с учетом фазовых сдвигов в питающей линии. Третьим видом АР можно считать ненаправленные бортовые антенны, в которых для излучения во все окружающее пространство и устранения явлений дифракции и затенения носителем применяется система разнесенных слабонаправленных излучателей.

Четвертый вид - совмещенные антенны - возник в последний период с целью использовать одну апертуру для работы нескольких антенн на различных частотах. Это достигается встраиванием одной антенны (решетки, облучателя) в другую. Система излучателей, настроенных на ряд частот и возбуждаемых одной линией передачи, образует, как известно, один из видов широкополосных антенн. Все эти виды можно объединить в один класс многоэлементных антенн.

В РЛС нашли широкое применение моноимпульсные антенны, в которых с одного раскрыва одновременно формируются три луча, т. е. три диаграммы направленности, называемые суммарно-разностными. В таких антеннах три канала обработки сигнала (суммарный и разностные - угломестный и азимутальный) позволяют увеличить по сравнению с одноканальной системой точность определения угловых координат при, прочих равных условиях. Антенная решетка или эквивалентная ей апертурная антенна позволяет сформировать несколько ортогональных ДН, осуществить одновременный обзор пространства и произвести обработку сигнала в нескольких независимых каналах. В соответствии с предлагаемой классификацией такие антенны образуют класс многолучевых антенн, в излучающей части которых одновременно создается набор амплитудно-фазовых распределений (АФР), каждому из которых соответствует определенный вход.

Переизлучающие антенны представляют собой класс приемопередающих устройств, в которых фокусируется приходящая волна обратно в направлении источника падающей волны. Простейшая переизлучающая антенна - это уголковый отражатель. Его дискретным аналогом является решетка Ван-Этта. В зависимости от назначения переизлучающих антенн они могут быть активными и пассивными элементами радиосистемы. В активных переизлучающих антеннах осуществляется усиление принятых сигналов, изменение (смещение) частоты принимаемого сигнала, модуляция колебаний (с целью передачи информации в требуемом направлении). Все эти функции могут выполняться и одновременно. Переизлучающие решетки на основе диаграммообразующих многолучевых антенн имеют лучшие параметры.

Рост скоростей летательных аппаратов потребовал от антенн РЛС быстрого безынерционного сканирования луча в пространстве при сохранении направленных свойств, достигнутых в зеркальных антеннах с механическим сканированием. Это привело к интенсивному развитию фазированных антенных решеток с электрическим сканированием: частотным, фазовым и коммутационным.

Появление активных антенн вызвано стремлением увеличить излучаемую мощность, уменьшить тепловые потери, увеличить надежность ФАР, а в слабонаправленных антеннах уменьшить габариты и расширить рабочую полосу. До тех пор пока в антенне (ФАР) используются линейные взаимные устройства для создания управляемых АФР, не делается различия между характеристиками антенны при приеме и передаче и рассматривается обработка сигнала в режиме, наиболее удобном для анализа. Переход к активным антеннам приводит к появлению независимых приемных и передающих антенн, хотя и не исключает наличия приемопередающих.

Динамическими антеннами (или антеннами с временной модуляцией параметров) называются такие, которые имеют характеристики, изменяющиеся во времени. Изменяемыми параметрами могут быть: амплитудное и фазовое распределения поля (токов) в раскрыве, линейные размеры антенны, время включения отдельного элемента решетки и т. д. Периодическое изменение параметров, в принципе, позволяет осуществить быстрое сканирование луча в пространстве, сформировать заданные характеристики направленности. Так, с помощью переключения элементов решетки в динамических антеннах могут быть получены ДН с малым уровнем боковых лепестков. Однако следует иметь в виду, что при таком формировании ДН с малым уровнем боковых лепестков падает КНД антенны, растут потери и шумы от включения в антенну коммутаторов.

Адаптивными или самонастраивающимися называют антенны, характеристики которых приспосабливаются (оптимизируются) в процессе работы к меняющимся внешним условиям. Процесс адаптации происходит автоматически в соответствии с алгоритмом, заложенным в антенной системе. В антенную систему может входить не только система обработки сигнала, но и система управления лучом. В процессе адаптации изменяется характеристика направленности на основе обработки принятых ею сигналов. Например, в зависимости от помеховой обстановки в ДН адаптивной антенны может формироваться один или несколько глубоких провалов в направлении прихода мешающих сигналов. В зависимости от критерия адаптации в этом классе антенн можно выделить несколько видов.

Антеннами с нелинейной обработкой сигнала называют антенные решетки, сигнал на выходе которых является произведением или корреляционной функцией (перемножение и усреднение во времени) сигналов от отдельных элементов. Используя различные методы нелинейной обработки сигнала (умножение, возведение в степень, деление, усреднение и т. д.), можно построить антенны, свойства которых будут существенно отличаться от свойств антенн обычного типа. Так, например, перемножая сигналы от элементов решетки (мультипликативная антенна), можно существенно сузить ее ДН. В антеннах с логическим синтезом - другой разновидности антенн с нелинейной обработкой сигнала - удается получить очень низкий уровень боковых лепестков ДН. Это достигается применением логических устройств типа "да-нет", "или", "и", "больше-меньше" при "срезании" боковых лепестков для всех сигналов, превышающих определенный уровень. Следует особо отметить, что в таких антеннах формирование ДН существенно изменится при воздействии не одного, а сразу двух или больше сигналов.

Наибольшее распространение в системах апертурного синтеза находит принцип нелинейной обработки сигнала, под которым понимается создание сплошной апертуры при помощи небольшого числа подвижных антенн. Метод основан на априорной информации о траектории движения носителя подвижной антенны. Его сущность заключается в приеме сигналов при движении, их запоминании и соответствующем сложении, как это делается в большой ФАР. Антенны с синтезированной апертурой являются перспективными для бортовых РЛС с повышенной разрешающей способностью (наблюдением земной поверхности) и радиотелескопов. Бортовые РЛС с синтезированной апертурой позволяют получить высокую линейную разрешающую способность по угловым координатам, соответствующую обычной антенне с раскрывом в сотни и тысячи длин волн.

В антеннах с нелинейной обработкой сигнала, включая антенны с синтезированной апертурой, сужение ДН не приводит к увеличению усиления антенны. Более того, происходит снижение за счет дополнительных потерь при обработке.

Новый класс приемных антенн с цифровой обработкой сигнала - цифровые антенные решетки - включает в себя системы усилителей, смесителей, фазовых детекторов и аналогово-цифровых преобразователей, а также ЭВМ, с помощью которых осуществляется цифровое формирование ДН.

Радиооптические антенные решетки представляют собой приемные антенны с оптической обработкой сигнала. Принятое каждым излучателем АР колебание СВЧ переносится на промежуточную частоту и после усиления с помощью многоканального модулятора света (динамического транспаранта) преобразуется в колебания оптического диапазона. Дальнейшая обработка осуществляется в оптическом диапазоне с помощью системы, содержащей лазер, коллиматор, линзы, диафрагмы, оптические фильтры, транспаранты и т. д. В этой системе происходит аналоговая обработка пространственно-временной информации. В результате на выходе системы в реальном масштабе времени формируется оптическое изображение радиолокационной обстановки в пространстве перед приемной АР. С помощью оптико-электронных устройств это изображение может быть преобразовано в сигналы для последующей обработки в ЭВМ.

Освоение все более коротких волн вплоть до оптического диапазона, отсутствие необходимой элементной базы для работы на этих диапазонах, трудность построения электрически сканирующих антенн этого диапазона на принципах построения антенн предшествующих диапазонов привели к идеям использования голографических методов для формирования и управления ДН антенн, получивших название голографических. Голографические антенны - это новый класс планарных антенн в виде амплитудных (полосковых) либо фазовых структур, обладающих фокусирующими свойствами зонных пластин и секционированных линз. Они могут быть сфокусированы как в дальнюю, так и ближнюю зоны.

Приведенная выше классификация допускает одновременное применение двух или более способов обработки сигналов в одной антенне. Так, существуют моноимпульсные ФАР с фазовым сканированием и адаптацией или приемные цифровые многолучевые антенны. Подобное разделение антенн оказывается удобным и в теоретическом плане.

Общую конструкторскую задачу построения антенн по заданным требованиям, т. е. синтез антенн, в теоретическом плане принято разделять на внешнюю и внутреннюю задачи. Решение внешней задачи для антенн с обработкой сигнала практически сводится к построению антенной решетки, обеспечивающей заданную направленность в секторе обзора (сканирования). Решение внутренней задачи должно обеспечивать необходимое возбуждение антенны, найденное из решения внешней задачи, и требуемую обработку сигнала. В зависимости от способа обработки центр тяжести решения внутренней задачи перемещается с одних устройств на другие.

Решение внешней задачи - построение антенной решетки - может быть выполнено без учета последующей обработки сигнала и оказывается общим для различного класса антенн.

Сравнение с пассивной решёткой

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 надежны, поскольку отказ одного приёмо-передающего элемента решётки искажает диаграмму направленности антенны, что несколько ухудшает характеристики локатора, но 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 решеток, 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

Технология АФАР имеет две ключевые проблемы:

Рассеивание мощности

Первая проблема - рассеивание мощности. Из-за недостатков микроволновых транзисторных усилителей (MMIC), эффективность передатчика модуля - типично меньше чем 45 %. В результате, AФAР выделяет большое количество теплоты, которая должна быть рассеяна, чтобы предохранить чипы передатчика от расплавления и превращения в жидкий арсенид галлия - надежность 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 жидкая 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 увести высокую температуру от топливного бака.

По сравнению с обычным радаром истребителя с воздушным охлаждением, AФAР является более надёжным, однако будет потреблять бо́льшое количество электроэнергии и требовать более интенсивного охлаждения. Но AФAР может обеспечить намного большую передающую 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.

С управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет: формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН √ луч); изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование √ качание луча (см., например, Сканирование в радиолокации); 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). Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и ЭВМ обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т.д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов (иногда 104 и более), 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. Структура ФАР. Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения (рис. 1 ). 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) или в заданном объёме (объёмные ФАР). Иногда форма излучающей поверхности ФАР √ раскрыва (см. Излучение и приём радиоволн), определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР (например, формой ИСЗ). 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 бегущей волны антенне). 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(стер) 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 характеру распределения излучателей в раскрыве различают эквидистантные и неэквидистантные ФАР. В эквидистантных ФАР расстояния между соседними элементами одинаковы по всему раскрыву. В плоских эквидистантных ФАР излучатели чаще всего располагают в узлах прямоугольной решётки (прямоугольное расположение) или в узлах треугольной сетки (гексагональное расположение). Расстояния между излучателями в эквидистантных ФАР обычно выбирают достаточно малыми (часто меньше рабочей длины волны), что позволяет формировать в секторе сканирования ДН с одним главным лепестком (без побочных дифракционных максимумов √ т. н. паразитных лучей) и низким уровнем боковых лепестков; однако для формирования узкого луча (т. е. в ФАР с большим раскрывом) необходимо использовать большое число элементов. В неэквидистантных ФАР элементы располагают на неодинаковых расстояниях друг от друга (расстояние может быть, например, случайной величиной). В таких ФАР даже при больших расстояниях между соседними излучателями можно избежать образования паразитных лучей и получать ДН с одним главным лепестком. Это позволяет в случае больших раскрывов сформировать очень узкий луч при сравнительно небольшом числе элементов; однако такие неэквидистантные ФАР с большим раскрывом при малом числе излучателей имеют более высокий уровень боковых лепестков и, соответственно, более низкий КНД, чем ФАР с большим числом элементов. В неэквидистантных ФАР с малыми расстояниями между излучателями при равных мощностях волн, излучаемых отдельными элементами, можно получать (в результате неравномерного распределения плотности излучения в раскрыве антенны) ДН с более низким уровнем боковых лепестков, чем в эквидистантных ФАР с таким же раскрывом и таким же числом элементов. Управление фазовыми сдвигами. По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода (рис. 2 , а); частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между соседними излучателями (рис. 2, б) или дисперсии волн в радиоволноводе; с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей, управляемых электрическими сигналами (рис. 2 , в) 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 мксек 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 (рис. 3 ) 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 (рис. 4 ). 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. 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.

Лит.: Вендик О. Г., Антенны с немеханическим движением луча, М., 1965; Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с англ., т. 1√3, М., 1966√71.

М. Б. Заксон.

Википедия

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

Излучающий элемент - составная часть антенной решетки, антенна или группа антенн с заданным относительным возбуждением. В антенной решетке требуемая диаграмма направленности формируется благодаря специальным образом организованной интерференции электромагнитных волн, излучаемых в пространство ее излучающими элементами. Для этого обеспечивают необходимое амплитудно-фазовое распределение - необходимые относительные амплитуды и начальные фазы переменных токов или полей возбуждения каждого излучающего элемента антенной решетки. Отличие фазированной антенной решетки заключается в том, что амплитудно-фазовое распределение не является фиксированным, оно может регулироваться антенной решетки в определенном секторе пространства (антенная решетка 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, корабельных, авиационных и космических радиотехнических систем. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.