Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про плоские фазированные антенные решетки, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое плоские фазированные антенные решетки, фар, фазированная антенная решетка , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.
плоские фазированные антенные решетки ( фар ). Особенности построения. Анализ диаграммы направленности.
Фазированные антенные решетки характеризуются включением в антенный тракт системы фазовращателей или коммутаторов,
осуществляющей управление фазовым или амплитудно-фазовым распределением для электрического сканирования. Нашли применение различные схемы построения ФАР в зависимости от требований к системе.
Пространственный способ возбуждения (называемый еще распределителем оптического типа) допускает два варианта антенн: отражательную ФАР (рис. 17.1, а) и проходную ФАР (рис. 17.1, б).
Рис. 17.1 — Схема построения отражательной ФАР (а) и проходной
Рисунок 4. Схема ФАР.
Фидерный способ возбуждения (распределитель закрытого типа) допускает последовательное, параллельное, двоично-этажное (елочки) питание излучателей и фазовращателей и их комбинации (рис. 17.2).
Рис. 17.2 — Последовательная схема (а) и двоично-этажная схема (б) возбуждения первичных излучателей ФАР
Находят применение гибридные антенны — совместное использование ФАР и антенн оптического типа. На рис. 17.3 приведена схема гибридной зеркальной антенны (малоэлементная ФАР и фокусирующее зеркало), допускающая электрическое
сканирование в ограниченном секторе углов при высокой направленности действия.
Рис. 17.3 — Схема гибридной зеркальной антенны
Цилиндрическая решетка излучателей, подключаемая коммутаторами (с фазовращателями или без них) к возбуждающей системе полосковых линий,
волноводов, радиальных волноводов и других элементов, позволяет сканировать в широком секторе углов (рис. 17.4).
Рис. 17.4 — Схема цилиндрической ФАР с системой коммутаторов и фазовращателей
Возможно применение многолучевых антенн, формирующих с одного излучающего раскрыва несколько ДН, каждой из которых соответствует входной тракт антенны.
Многоканальный коммутатор, подключенный к входам многолучевой антенны, позволяет дискретно перемещать луч в пространстве
в соответствии с характеристиками многолучевой антенны.
Необходимость использования многолучевого режима в радиотехнических системах приводит к созданию ФАР с несколькими независимыми сканирующими лучами. Возможный путь решения таких задач состоит в совмещении многолучевых антенн с системой управляемых фазовращателей и возбуждаемых через направленные ответвители магистральных волноводов (рис. 17.5).
Рис. 17.5 — ФАР с одним излучающим раскрывом и тремя независимыми лучами
Каждая из приведенных схем построения ФАР имеет свои преимущества и недостатки, и выбор той или иной схемы определяется поставленными требованиями к радиотехнической системе, последующей обработкой СВЧ-сигнала, а также элементной базой.
В состав МA с излучающей частью в виде решетки входит так называемая диаграммообразующая схема (ДОС), соединяющая все излучатели решетки со всеми входами антенны. Внастоящее время известны различные типы ДОС: параллельные, последовательные, реактивные, с тепловыми потерями, матричные и т.д. Разработаны ДОС для различных типов решеток(линейная, плоская, кольцевая и т.д.), разных диапазонов рабочих частот и с разными требованиями к характеристикам направленности лучей. Наиболее распространенными являются две схемы:
а) матрица Батлера; б) матрица Бласса; в) модифицированная ДОС Бласса
Рис. 17.6 — Даграммообразующие схемы многолучевой антенны
Матрица Батлера собирается на основе трехдецибельных направленных ответвителей (мостов) и статических (фиксированных) фазовращателей и используется для решеток с бинарным числом излучателей: 
. Решетка формирует семейство N лучей, симметричных относительно нормали. Развязка между входами обеспечивается свойствами мостовых соединений при согласовании излучателей и остальных частей тракта. В матрице Батлера имеется 
мостов и 
фазовращателей.
В матрице Бласса используется большее число направленных ответвителей, согласованные нагрузки, вносящие дополнительные потери, и питающие линии различной длины.
Различные фазовые распределения для парциальных лучей в ДОС Бласса (последовательного типа) реализуются за счет разных углов наклона горизонтальных линий передач (рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 17.6, б). Матрица Бласса позволяет использовать различное число излучателей и спадающие к краям амплитудные распределения, а также уменьшать по сравнению с матрицей Батлера число входов. Существуют различные модификации ДОС последовательного и параллельного типов. Так, модифицированная ДОС Бласса устраняет согласованные нагрузки, уменьшает длину линий передач путем включения фазовращателей (рис. 17.6, в). Общим недостатком МАР на основе матричных ДОС является наличие большого числа мостовых устройств, статических фазовращателей и сложной разветвленной фидерной схемы.
Количество мостовых устройств 
в зависимости от числа формируемых лучей N определяется следующими выражениями: для полной и модифицированной матрицы Бласса соответственно 
;
для матрицы Батлера 
Количество статических фазовращателей 
для матрицы Батлера определяется
соотношением 
На рис. 17.7 эти зависимости проиллюстрированы графически.
Из графиков следует, что ДОС параллельного типа при одинаковом числе входных каналов имеет наименьшее количество элементов по сравнению с ДОС последовательного типа.
В этом преимущество матрицы Батлера по сравнению с матрицей Бласса.
Рис. 17.7 — Зависимость количества делителей мощности от N
Основой перспективных радиолокационных и радиоинформационных комплексов являются адаптивные антенные системы на базе ФАР, позволяющие создавать многолучевые приемные структуры, гибкие в управлении своими режимами работы и хорошо адаптирующиеся в условиях различного рода помех и изменяющейся электромагнитной обстановки. Кроме того, в таких антенных системах одновременно может производиться обработка сложных широкополосных сигналов. В зарубежной литературе такие антенные системы получили название«интеллектуальные антенны» («intelligent antennas»).
По аналогии с термином «интеллектуальные антенны» будем называть такие цифровые адаптивные ФАР — цифровыми интеллектуальными ФАР или ЦИФАР, являющимися новым научно-техническим направлением в радиоинформационной системотехнике, результаты развития которого создают основу для резкого, скачкообразного увеличения эффективности наземных и космических систем радиолокации, радиосвязи, радионавигации, радиоразведки и средств радиоэлектронной борьбы.
На рис. 17.8 представлена обобщенная базовая структура ЦИФАР, у которой вся решетка излучателей разбита на N2 модулей, содержащих по N1 элементов, так что общее их число составляет 
Такое модульное разбиение упрощает конструктивное и алгоритмическое построение ЦИФАР, особенно при большом числе излучателей в решетке (порядка 1000 иболее), однако модульная структура ЦИФАР является достаточно общей, так как при большом числе излучателей цифровая обработка сигналов осуществляется всей совокупностью цифровых модулей, а при малом числе излучателей она сводится к одному модулю, цифровая обработка в котором производится в спецвычислителе ЦИФАР.
На рис. 17.9 представлена структурная схема передающей части ЦИФАР и приемопередающего СВЧ-элемента антенно-цифрового модуля с АЦП и ЦАП. Зона радиообслуживания ЦИФАР определяется ДН одиночного излучателя либо формируется ДН модуля. Передающие и приемные усилители для типовых радиодиапазонов (1…10) ГГц перспективных радиоинформационных систем, выполненные на базе передовой СВЧ — микроэлектронной твердотельной технологии, в целом имеют достаточно компактные размеры, обладая высокими характеристиками излучаемой СВЧ-мощности и чувствительности приемных схем. Передающие и приемные режимы работы ЦИФАР могут быть либо совмещены в общем приемопередающем элементе (рис. 17.9), и их работа может разделяться только по времени, либо будет осуществляться разделение приемной и передающей решеток, и режимы их работы будут происходить на разных частотах приема и передачи сигналов.
Рассмотрим структурную схему (рис. 17.8) крупноапертурной крупномодульной широкополосной РЛС диапазона (10…20) см. Особенности построения цифровой пространственно-временной обработки сигналов в данной РЛС обусловлены следующими факторами:
- необходимостью обеспечения высокого энергетического потенциала РЛС и высокой точности измерения угловых координат, приводящая к использованию приемной антенны в виде крупноапертурной АР с чрезвычайно большим числом элементов (несколько тысяч и даже десятки тысяч), что требует построения крупномодульной структуры АР и, как минимум, двухэтапной процедуры пространственно-временной обработки сигналов в данной РЛС — внутри-модульной имежмодульной (рис. 17.8);
- высокой разрешающей способностью и точностью измерения дальности, т. е. необходимостью использования широкополосных сигналов, что, в сочетании с большими размерами антенны, требует компенсации группового запаздывания сигналов и помех на раскрыве ФАР в процессе проведения пространственно-временной обработки сигналов.
С целью упрощения этой обработки используется двухэтапная процедура адаптивной пространственной и пространственно-временной обработки сигнала, при которой компенсация группового запаздывания сигналов производится только на втором этапе обработки (рис. 17.8). Как видно из рисунка обработка сигналов осуществляетсяв ва этапа: на первом этапе, согласно структуре обобщенного алгоритма (п. 4.1), осуществляется аналоговая пространственная обработка сигналов внутри каждого модуля (секции), представляющего собой подрешетку с N1 приемными излучающими элементами и сумматором, при этом число таких модулей составляет N2, а общее число излучающих элементов
Рис. 17.8 — Структурная схема обработки сигналов в крупноапертурной крупномодульной широкополосной РЛС
Рис.17.9 — Схема передающей части ЦИФАР
- на втором этапе в N2 модулях цифровой ФАР осуществляется цифровая межмодульная пространственно-временная обработка сигналов, при этом в каждом модуле обрабатываются N2пространственных канала. На первом этапе путем соответствующего фазирования сигналов гетеродина (рис. 17.10) осуществляется внутри-модульная пространственная обработка сигналов.
Рис. 17.10 — Формирование и разводка сигналов гетеродина
В принципе возможны два варианта построения внутри-модульной (секционной) обработки:
- адаптивное подавление помех путем формирования «нулей» в ДН-секции в направлении источников помех, расположенных в боковых лепестках ДН-секции, с использованием информации о координатах источниках помех;
- использование обычной неадаптивной процедуры управления ДН секции.
Синтезирование апертуры представляет собой технический прием, позволяющий существенно повысить разрешающую способность радиолокатора в поперечном относительно направления полета направлении и получить детальное изображение радиолокационной карты местности, над которой совершает полет летательный аппарат.
Детальность радиолокационного изображения зависит от линейной разрешающей способности радиолокатора. В радиальном по отношению к радиолокатору направлении линейная разрешающая способность, т. е. разрешающая способность по дальности δR, определяется зондирующим сигналом, а в поперечном направлении (тангенциальная разрешающая способность) δl— шириной ДНА радиолокатора и расстоянием до цели (рис. 17.11). Детальность радиолокационного изображения местности тем выше, чем меньше δR и δl.
Рис. 17.11 — Параметры, характеризующие детальность радиолокационного изображения
Пусть линейная ФАР размером (апертурой) L (рис. 3, а) состоит из N+1 излучателей. Суммируя принятые облучателями сигналы, можно в каждый момент времени получать диаграмму ФАР с шириной 
. Если для обеспечения заданной φа требуется L много
L большая длины фюзеляжа летательного аппарата, то можно синтезировать ФАР, последовательно перемещая один излучатель вдоль этой апертуры с некоторой скоростью V, принимая отраженные от цели сигналы, запоминая их, а затем совместно обрабатывая (рис. 17.12).
Рис. 17.12 — Схема синтезирования апертуры при перемещении облучателя
При этом синтезируется апертура линейной антенны с эффективным размером L и ДНА шириной φс=λ/L, однако увеличиваются затраты времени на синтезирование tc = L/V и усложняется аппаратура радиолокатора.
Основу РСА составляют когерентноимпульсные радиолокаторы, построенные по схеме с внутренней когерентностью (рис. 17.13).
Рис. 17.13 — Структурная схема радиолокатора с синтезированием апертуры
Когерентный генератор КГ на частоте fпч служит для формирования в однополосном модуляторе зондирующего сигнала с частотой f0+fпч. Источником колебаний с частотой f0 является ГРЧ. Зондирующий сигнал модулируется импульсной последовательностью с модулятора М. Усилитель мощности УМ представляет собой оконечный каскад передатчика. Обработка сигналов(запоминание, компенсация фаз, суммирование) обычно выполняется на низкой частоте. Поэтому в схеме предусматривают квадратурные каналы, каждый из которых начинается с соответствующего фазового детектора. Источником опорного напряжения для фазовых детекторов служит когерентный гетеродин КГ. Сигналы квадратурных каналов (сохраняющих информацию о фазе) подаются либо на устройство аналоговой записи УЗ, либо на устройство обработки в реальном масштабе времени УОС.
На рис. 17.14 показана функциональная схема устройства с оптимальной обработкой сигналов при синтезировании апертуры.
Рис. 17.14 — Функциональная схема устройства оптимальной обработки сигнала в РСА
Это устройство состоит из фильтра СФ, согласованного с одиночным импульсом, устройства запоминания сигналов на N периодов повторения, весовых усилителей с коэффициентами усиления Wi фазовращателей φ, и сумматора сигналов.
примеры
Антенны с фазированной решеткой производства компании ThinKom, фото ThinKom проекта Starlink
Статью про плоские фазированные антенные решетки я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое плоские фазированные антенные решетки, фар, фазированная антенная решетка и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства СВЧ и антенны
Термины: Устройства СВЧ и антенны