Устройства сверхвысоких частот и антенны (стр. 4 )

2.3.2.  Способы электрического качания луча
в фазированных решетках

2.3.2.1. Принцип качания луча

Рассмотрим линейную эквидистантную решетку с равномерным амплитудным и линейным фазовым распределением (рис. 2.11). Как было показано в первой части пособия, множитель такой системы имеет вид:

(2.6)

В приведенных выражениях величина a – сдвиг фаз токов возбуждения любых двух соседних излучателей. В направлениях, определяемых углами qm, на участке D он компенсирует (с точностью до величины, кратной 2p) сдвиг фазы питания и поля всех элементов складываются синфазно.

Как видно из соотношения (2.6), величина qm зависит от сдвига фаз a и длины волны l. При изменении этих величин изменяется и угол отклонения луча, что позволяет осуществить электрическое качание ДН.

В антенных решетках применяются два основных способа электрического качания луча – частотный (путем изменения частоты питания f) и фазовый (путем изменения с помощью фазовращателей величины a при неизменной частоте питания). Как при частотном, так и при фазовом способе сканирования в раскрыве антенны изменяется крутизна линейного фазового распределения, что и приводит к изменению положения луча в пространстве.

Выделяют также амплитудный способ качания, реализуемый путем коммутации входов в многолучевых антенных решетках или линзах Люнеберга, и временной способ (с помощью линий задержки), используемый в широкополосных ФАР.

Рассмотрим подробнее основные способы качания луча.

2.3.2.2. Антенные решетки с частотным сканированием.

Представим соотношение (2.6) в следующем виде:

(2.7)

Из него следует, что при изменении частоты радиосигнала f (длины волны l) направление главного максимума ДН решетки изменяется вследствие зависимости от f набега фазы на разности хода волн между соседними излучателями и сдвига фаз между сигналами a (f) в них. Эффективность частотного способа качания характеризуется углочастотной чувствительностью:

. (2.8)

В антеннах с частотным качанием луча используются две схемы возбуждения излучателей – последовательная (рис. 2.12, а) и параллельная (рис. 2.12, б).

Рис. 2.12

Примером последовательной схемы служит волноводно-щелевая антенна. Для увеличения зависимости длины волны в волноводе от частоты используются различные замедляющие структуры, например гребенка. С помощью подобных структур удается получить величину q»10 град/%. Также можно увеличивать отношение длины отрезка фидера к расстоянию между излучателями (так называемое геометрическое замедление), что реализуется с помощью спиральных или змейковых волноводов. Схемы последовательного питания конструктивно просты. Их основной недостаток – сравнительно большое затухание и ограничения по пропускаемой мощности.

При параллельной схеме частотного качания питание излучателей производится через отдельные фидеры, длина которых различна и линейно увеличивается при переходе от одного излучателя к другому. Чем больше разность длин соседних фидеров, тем выше углочастотная чувствительность. Параллельная схема позволяет пропускать большую мощность и является менее чувствительной к неточностям изготовления. Однако она достаточно сложна и требует применения значительного числа диапазонных делителей мощности.

В настоящее время антенны с частотным качанием реализуются по последовательной схеме.

Линейные волноводно-щелевые антенны с частотным сканированием широко используются как самостоятельные антенны в РЛС, так и в качестве облучателя в параболическом цилиндре. Как правило, они имеют следующие параметры , и .

2.3.2.3. Фазовый способ качания луча

При использовании названного способа фаза излучателей изменяется по заданному закону с помощью электрически управляемых фазовращателей, линий задержки и других фазосдвигающих устройств. Изменение фазового сдвига между излучателями (величины a) приводит к изменению направления главного максимума ДН решетки.

При последовательной схеме на участках питающей линии между соседними излучателями включены одинаковые фазовращатели (рис. 2.8, а), поэтому для управления ими нужен только один сигнал. Система управления решеткой весьма проста, что является основным достоинством последовательной схемы.

Параллельная схема может иметь фидерное (см. рис. 2.8, б) или пространственное (см. рис. 2.9) питание. Ее основной недостаток – сложность системы управления, так как каждый фазовращатель должен управляться по своему закону.

Нетрудно показать, что чем уже диаграмма направленности ФАР, тем большее изменение фазы требуется при сканировании. Если, например, сектор сканирования превышает ширину диаграммы в 20 раз, то фаза в крайних излучателях должна изменяться от -1800° до +1800°. Осуществить такие изменения фазы технически весьма сложно. Обычно применяют фазовращатели с изменением фазы до 2p. При этом для управления фазовым распределением в решетке используют схемы со "сбросом" фазы на величину, кратную 2p (рис. 2.13). Управление фазой может осуществляться как непрерывно (см. рис. 2.13, а), так и дискретно (см. рис. 2.13, б). Использование "сброса" фазы дополнительно усложняет схему управления. Кроме того, имеется и принципиальный недостаток – решетка становится узкополосной.

В целях обеспечения двумерного качания луча применяют различные комбинации устройств с одномерным качанием. Для управления решеткой может быть использована схема автонмного (индивидуального) управления

Рис. 2.13

либо схема управления по строкам и столбцам (строчно-столбцевая система фазирования).

2.3.2.4. Временной способ сканирования.
Широкополосные ФАР

В настоящее время в связи с применением в радиолокации широкополосных сигналов и необходимостью перестройки РЛС по частоте в широком диапазоне волн весьма актуальна задача увеличения полосы пропускания ФАР. Помимо создания необходимой полосы пропускания по входному сопротивлению необходимо обеспечить также диапазонность ФАР по направленным свойствам.

Для обеспечения частотно-независимого сканирования применяется временной способ, который можно рассматривать как разновидность фазового способа сканирования. При этом в каждом из каналов решетки устанавливаются управляемые линии задержки (УЛЗ). Если время задержки , то сигналы, принятые отдельными излучателями с направления , в общем фидерном тракте будут полностью совмещены во времени. Это обеспечивает широкополосность ФАР как по положению направления главного максимума, так и по форме сигнала.

Реализация временного способа сканирования на несущей частоте связана с необходимостью выполнения требования малых потерь и высокой точности регулировки УЛЗ. Данную проблему можно решить, перенеся процесс управления фазовым распределением (фазирование) на промежуточную частоту.

Схема приемной ФАР такого типа приведена на рис. 2.14. УЛЗ включены в выходную цепь промежуточной частоты. В этом случае допустимо использование линий задержки со значительно большими потерями и меньшей

межуточной частоте в схему необходимо добавлять управляемые фазовращатели, которые компенсируют набег фазы (одинаковый на каждом модуле) при запаздывании во времени сигналов, принятых соседними излучателями.

2.3.3.  Варианты размещения излучателей в раскрыве ФАР

Возможны различные варианты размещения элементов фазированной антенной решетки в излучающем раскрыве. С геометрической точки зрения, наиболее естественно размещать элементы (точнее, их фазовые центры) в узлах прямоугольной (рис. 2.15, а) или треугольной (гексагональной, рис. 2.15, б) сетки. В обоих случаях фазовые центры излучателей располагаются на одинаковых расстояниях и равномерно покрывают раскрыв, т. е. на каждый элемент (за исключением расположенных вблизи границы раскрыва) приходится одна и та же часть площади раскрыва – прямоугольник с площадью для прямоугольной сетки и шестиугольник с площадью для треугольной сетки. При этом расстояния между элементами не должны быть меньше поперечных габаритных размеров излучателей.

Расстояние между элементами определим из условия обеспечения единственности главного максимума :

, (2.9)

где – положение главного максимума.

Рис. 2.15

Воспользуемся методом эквивалентной линейной решетки. Согласно этому методу ДН двумерной ФАР в произвольной плоскости равна ДН эквивалентной линейной решетки, представляющей собой отрезок прямой в пределах раскрыва с излучателями, местоположение которых определяется путем проекции координат реальных излучателей на эту прямую (см. рис. 2.15, а) с сохранением амплитуд и фаз возбуждения. Очевидно, что для отсутствия побочных лепестков при сканировании в плоскости необходимо, чтобы расстояния между излучателями в эквивалентной линейной решетке удовлетворяли условию единственности главного максимума для максимального угла сканирования .

Для прямоугольной сетки (см. рис. 2.15, а) наибольшие расстояния между элементами эквивалентных линеек излучателей обеспечиваются при и и равны соответственно dx и dy. Все остальные направления имеют более частое расположение излучателей. Отсюда следует, что требование единственности главного лепестка примет вид:

, (2.10)

где – максимальные углы сканирования в плоскостях (XZ) и (YZ) соответственно.

При следует использовать квадратную сетку dx=dy=d, в которой на один элемент решетки приходится площадь

. (2.11)

Для треугольной сетки (рис. 2.15, б) наиболее неблагоприятной является плоскость . Расстояние между элементами в соответствующей эквивалентной решетке наибольшее и равно .

Следовательно, при выборе расстояния а в треугольной решетке необходимо руководствоваться неравенством:

. (2.12)

На один элемент в решетке с треугольной структурой приходится площадь

, (2.13)

примерно на 15% превышающая площадь элемента в квадратной сетке (). Следовательно, размещение элементов ФАР в узлах треугольной сетки более экономно. Соответственно число элементов в треугольной сетке меньше, чем число элементов в решетке с прямоугольной сеткой ( – геометрическая площадь решетки). Увеличение площади, приходящейся на один элемент, в решетке с треугольной сеткой облегчает размещение фазирующих устройств вблизи облучателей, уменьшает взаимное влияние элементов. Однако при размещении излучателей в узлах треугольной сетки затрудняется управление фазой по строкам и столбцам. Поэтому в настоящее время используется преимущественно прямоугольная сетка.

С целью определения числа элементов в решетке можно получить удобные для инженерной практики оценочные формулы. Поскольку , то, например, для прямоугольной решётки получим:

. (2.14)

Учитывая в этом равенстве соотношение , при и после вычислений получаем:

. (2.15)

Например, при и находим, что .

Как уже отмечалось, помимо регулярного возможно и нерегулярное размещение излучателей в решетке. Последнее позволяет добиться практически полного подавления побочных главных максимумов при относительно небольшом числе слабонаправленных излучателей, которое во много раз меньше числа излучателей в ФАР с регулярной структурой. Этот способ аналогичен использованию линейных неэквидистантных антенных решеток. Серьезными недостатками разреженных решеток с нерегулярным расположением излучателей являются низкий коэффициент использования площади, а также необходимость индивидуального управления фазой каждого излучателя.

2.3.4.  Требования к излучателям ФАР

В качестве излучателей ФАР обычно используются малогабаритные слабонаправленные антенны. Тип и характеристики излучателей оказывают существенное влияние на показатели решетки. ФАР, как правило, включают одинаковые и одинаково ориентированные излучатели, поэтому в данном случае применима теорема перемножения диаграмм, согласно которой результирующую ДН ФАР по мощности можно представить в виде:

, (2.16)

где – АДН элемента излучения; – множитель системы, максимум которого ориентирован в направлении , меняющемся при сканировании.

Согласно соотношению (2.17), коэффициент усиления ФАР в направлении , называемый диаграммой сканирования,

, (2.17)

определяется АДН элемента излучения. Желательно, чтобы диаграмма сканирования была симметричной относительно биссектрисы сектора сканирования. Если биссектриса совпадает с нормалью к решетке, то, согласно равенству (2.17), диаграмма направленности элемента излучения также должна быть симметричной относительно нормали к ФАР (рис. 2.16). В этом случае коэффициент усиления ФАР спадает к краям сектора. Падение усиления DG является основным фактором, с одной стороны, определяющим требования к АДН элемента излучения, а с другой – влияющим (при выбранной АДН элемента) на размеры сектора сканирования.

Оценим требования к КНД элемента ФАР. Так если принять , где – КИП излучателя ФАР, то с учетом соот-

Рис. 2.16

ношения (2.11) находим: . Отсюда при qmax=30…45º и xэл=0,6…0,8 можно получить , что соответствует излучателям с шириной главного лепестка . Указанные характеристики могут

обеспечить вибраторные, щелевые, волноводные, рупорные излучатели, а также различные типы АБВ. При выборе конкретного типа элемента излучения ФАР следует также учитывать возможность согласования с волноводным трактом и фазовращателем в рабочем диапазоне частот, допустимую мощность и поляризационные параметры.

2.3.5.  Влияние взаимной связи излучателей на диаграмму
направленности ФАР

Диаграмма сканирования, определяемая выражением (2.17), получена при условии, что элементы ФАР не влияют друг на друга, т. е. развязаны. Однако при малых расстояниях между элементами () и широких секторах сканирования взаимная связь между элементами может оказаться значительной. Это приводит к рассогласованию волноводных трактов и излучателей, существенно искажает диаграмму сканирования.

Рис. 2.17

Сущность взаимной связи состоит в том, что каждый элемент ФАР возбуждает все остальные (или, по крайней мере, соседние). В результате появляются волны, бегущие от излучателей, изменяется излучение элементов в окружающее пространство (рис. 2.17). Волны, бегущие

от излучателей, можно интерпретировать как отраженные. Это позволяет учесть их влияние на характеристики элементов и ФАР в целом с помощью коэффициентов отражения. Поскольку во многих практических случаях связь между излучателями быстро убывает с расстоянием, то в ФАР больших волновых размеров можно пренебречь краевыми эффектами, полагая, что все элементы решетки независимо от их местоположения в раскрыве работают в одинаковых условиях. Тогда диаграмма сканирования (2.17) с учетом взаимосвязи элементов примет вид:

(2.18)

где коэффициент отражения , одинаковый для всех элементов ФАР, зависит от текущей ориентации АДН решетки.

Для некоторых направлений коэффициент отражения может принимать значения, близкие к единице. В этих направлениях в диаграмме сканирования появляются провалы (рис. 2.18) – происходит так называемое "ослепление" ФАР, направления которого характеризуются практически полным отсутствием излучения (приема) сигналов.

Рис. 2.18

Для устранения "ослепления" ФАР, обусловленного взаимным влиянием элементов, необходимо осуществить развязку излучателей. С этой целью обычно вводятся дополнительные связи между элементами, подбираемые так, чтобы образовались поля, противофазные по отношению к тем, которые вызваны естественной связью элементов.

Конструктивно данная идея реализуется либо путем изменения внешних связей между излучателями с помощью металлических перегородок, штырей (рис. 2.19, а) и т. п., либо за счет введения внутренних компенсирующих связей между фидерными трактами соседних излучателей (рис. 2.19, б), например, в виде отверстий в стенках смежных волноводов. Применение компенсации взаимной связи элементов позволяет не только существенно ослабить эффект ослепления ФАР, но и расширить сектор сканирования до при падении усиления на краю сектора не более 3 дБ.

Рис. 2.19

2.3.6.  Многолучевые ФАР с матричным фазированием

Одним из способов обзора пространства по угловым координатам является параллельный, при котором антенна имеет многолучевую АДН. Такие антенны получили название многолучевых. Их фазирование осуществляется с помощью специальных многополюсников, называемых диаграммообразующими схемами (матрицами). Различают последовательные и параллельные диаграммообразующие схемы.

Последовательная схема (диаграммообразующая матрица Бласса) для линейной ФАР приведена на рис. 2.20. Питание решетки из N излучателей

Рис. 2.20

осуществляется с помощью M´N направленных ответвителей (М – число входов ФАР, совпадающее с числом парциальных пересекающихся лучей). По каждому из входов на раскрыве ФАР создается "свое" линейное фазовое распределение, крутизна которого определяет угол наклона соответствующего луча АДН. Различные степени крутизны фазового распределения обеспечиваются за счет неодинаковой электрической длины волноводов, что достигается путем смещения питающих линий передачи. Достоинствами последовательной диаграммообразующей схемы являются компактность, возможность применения при любом числе излучателей, широкополосность. Недостаток – низкий КПД, что связано с большими потерями в направленных ответвителях.

Параллельная схема – диаграммообразующая матрица Батлера – показана на рис. 2.21. Она реализуется с помощью 2N-полюсника, где (n – целое число) – количество излучателей и входных каналов (лучей). 2N-полюсник включает трехдецибельные направленные ответвители (щелевые мосты, двойные тройники и т. п.) и неуправляемые фазосдвигатели. По любому входу на раскрыве ФАР создается линейное фазовое распределение, определяющее соответствующее направление главного лепестка АДН. Общее число элементов (направленных ответвителей и фазосдвигателей) в па-

Рис. 2.21

раллельной схеме значительно меньше, чем в последовательной. Несмотря на это, габариты и потери в параллельной схеме больше, чем в последовательной, что связано с наличием разветвленной волноводной системы питания.

2.3.7.  Гибридные ФАР

Гибридными ФАР называют антенны с электрическим управлением положения луча, включающие фокусирующую систему (зеркальную или линзовую) и облучатель в виде малоэлементной ФАР.

Зеркальные гибридные ФАР строятся по однозеркальной (рис. 2.22, а) или двухзеркальной схеме (рис. 2.22, б). В однозеркальном варианте ФАР располагается в фокальной плоскости. Изменение крутизны линейного фазового распределения поля на раскрыве зеркала и связанное с ним перемещение главного максимума АДН могут быть обеспечены двумя способами. При первом способе осуществляется поочередное включение излучающих элементов ФАР (коммутационное сканирование), что равносильно выносу облучателя зеркала из фокуса. При втором способе производится управление фазовым распределением на раскрыве облучающей зеркало ФАР за счет фази-

Рис. 2.22

рования всех излучателей. Недостатком гибридной ФАР с расположением решетки в фокальной плоскости является существенное затенение зеркала. В целях устранения указанного недостатка применяются внеосевые вырезки из зеркала. Гибридные ФАР зеркального типа обеспечивают сканирование в сравнительно узких секторах [].

Линзовые гибридные ФАР позволяют осуществить сканирование в более широком секторе, чем зеркальные. Дуговая (или сферическая) вогнутая ФАР с линзой Люнеберга обеспечивает конформное сканирование в плоском () или пространственном (до 0,6p стерадиан) секторах. Излучатели ФАР включаются поочередно, так чтобы главный максимум АДН скачком перемещался на угол .

2.3.8.  Конформные ФАР

В конформных ФАР излучатели располагаются на выпуклых поверхностях с осевой или центральной симметрией. Это обеспечивает сканирование в широких (вплоть до полусферы) секторах без существенного изменения формы АДН. Обычно сканирование осуществляется путем переключения питания излучающих элементов, так что в каждый момент времени запитывается определенная группа излучателей. Конформные ФАР различают по виду линии (поверхности), на которой располагаются излучатели.

Кольцевые (рис. 2.23, а) и дуговые конформные ФАР служат для сканирования в плоскости решетки. Радиально направленный главный лепесток веерной АДН формируются включением излучателей, расположенных в пределах излучающей области – дуги с центральным углом . Ширина главного лепестка АДН в плоскости кольца обратно пропорциональна волновому размеру хорды, стягивающей дугу :

, (2.19)

где R – радиус кольцевой ФАР.

Рис. 2.23

Фазирование кольцевой решетки состоит в обеспечении синфазности поля вдоль хорды, стягивающей дугу. Для этого фазовые сдвиги облучателей должны компенсировать симметричное отставание фазы в облучателях, располагающихся по излучающей дуге окружности, по сравнению с центральным облучателем этой дуги.

В цилиндрических (рис. 2.23, б) и конических конформных ФАР формируются игольчатые или веерные АДН, управляемые в одной или двух плоскостях. Сканирование обычно реализуется изменением положения сектора , в пределах которого располагаются излучающие модули, и изменением фазового распределения в этой группе модулей вдоль образующей цилиндра (конуса).

В системах РЭТ применяются также сферические и многогранные конформные ФАР, способные обеспечить сканирование в полусфере и формирующие АДН игольчатой формы. Основным недостатком таких ФАР является большое число модулей ().

2.4.  Антенны с обработкой сигнала

В обычной антенне сигналы, принятые ее отдельными элементами (излучателями решетки или отдельными участками раскрыва антенны оптического или акустического типа), в дальнейшем просто суммируются в общем канале, а затем суммарный сигнал поступает в приемное устройство. При этом используется далеко не вся информация, содержащаяся в падающей на антенну (например, приемную) электромагнитной волне.

Существует, однако, большой класс антенн, в которых сигналы, принятые элементами антенны, вначале подвергаются специальной обработке, а уже затем результирующий сигнал подводится к приемному устройству. Антенны данного типа позволяют: повысить точность определения угловых координат объекта без увеличения размеров антенны; обеспечить одновременный обзор некоторого сектора пространства при помощи веера лучей, расположенных в секторе дискретно или непрерывно; создать диаграмму направленности с пониженным уровнем бокового излучения; сформировать диаграмму направленности с ориентацией главного максимума в направлении прихода полезного сигнала и "нулевым" уровнем ДН в направлении помех и т. д.

2.4.1.  Устройство и классификация антенн с обработкой сигнала

В антеннах с обработкой сигнала нельзя провести четкое различие между собственно антенной и системой обработки, так как их характеристики определяются системой как единым целым.

Методы обработки сигналов, используемые в данных устройствах довольно разнообразны. К ним, в частности, относятся: временная модуляция антенных параметров с последующей фильтрацией сигналов на выходе; нелинейная обработка сигнала, т. е. перемножение сигналов от отдельных элементов антенны или возведение их в степень; самофазирование, т. е. формирование определенных амплитудно-фазовых соотношений в элементах антенны с помощью обратной связи; последовательное суммирование сигналов, принятых отдельными элементами с соответствующей задержкой (в антеннах с синтезированной апертурой); адаптация (самоприспособление), т. е. саморегулирование ряда параметров всей радиолокационной системы в зависимости от радиообстановки по заданным критериям (например, по максимальному отношению сигнал/шум и оптимальной характеристике обнаружения); аналоговое моделирование ВЧ-поля, возбуждаемого на активной решетке одновременно всеми цепями, находящимися в секторе обзора.

Один из возможных вариантов классификации антенн с обработкой сигнала представлен на рис. 2.24.

Рис. 2.24

К антеннам с обработкой сигнала относятся, в принципе, и фазированные антенные решетки. Однако из-за широкого практического применения их, как правило, рассматривают отдельно.

2.4.2.  Антенны моноимпульсных РЛС

Одной из основных задач радиолокации является определение угловых координат, т. е. пеленгация объектов. В настоящее время широкое распространение получил моноимпульсный метод пеленгации, при котором один отраженный от цели импульс дает полную информацию об угловом положении цели. Этот метод обладает высокиой точностью пеленгации и скоростью получения информации о цели, а также повышенной помехозащищенностью.

В качестве источника угловой информации используются амплитудные, фазовые и амплитудно-фазовые соотношения сигналов, принимаемых независимыми каналами. В зависимости от характера извлечения угловой информации о цели от принимаемых сигналов различают два основных метода моноимпульсной пеленгации – амплитудный и фазовый. В системах с амплитудной пеленгацией (рис. 2.25, а) для определения угловой координаты в одной плоскости формируются две перекрещивающиеся диаграммы направленности антенны, разнесенные на угол от равносигнального направления (РСН). В моноимпульсных системах с фазовой пеленгацией (рис. 2.25, б) используются две антенны с разнесенными на расстояние d (базу) фазовыми центрами. Информация об угловой координате содержится в разности фаз принятого сигнала .

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6