Фазированная антенная решетка своими руками

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 18.09.2024

Обнаружение и распознавание сигналов

2. Анализ регулярных сигналов

2.4 Классификация подсистем КПС по назначению и характеру преобразования сигналов.

Антенная решетка (АР) — это система вибраторов, применяющаяся для увеличения направленности действия по сравнению с одиночной антенной.

Содержание

Введение

Направленность действия простейшей антенны — симметричного вибратора — невысокая. Для увеличения направленности действия уже на первых этапах развития антенной техники стали применять систему вибраторов — антенные решётки. В настоящее время антенные решётки — наиболее распространённый класс антенн, элементами в которых могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щелевые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали и др.), так и узконаправленные излучатели.

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

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

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

Классификация АР

Рис. 1. Антенные решетки:
а - линейная решетка; б - дуговая решетка;
в - кольцевая решетка; г - плоская решетка;
д - цилиндрическая решетка; е - коническая решетка;
ж - сферическая решетка; з - неэквидистантная решетка

Антенные решётки могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

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

Расчет характеристик АР

Методы модельного представления антенных решёток основаны на рассмотрении общих методов расчёта характеристик антенных решеток. Рассматривают обычно систему полуволновых вибраторов. В строгой электродинамической постановке задача об излучении системы тонких полуволновых вибраторов аналогична задаче об излучении одиночного вибратора. Различие стостоит в замене одного вибратора системой вибраторов, каждый из которых возбуждается своим сторонним источником. Поступая так при строгом решении задачи излучения симметричного вибратора, можно установить связи между сторонними источниками и параметрами антенной решётки. Токи в излучателях антенной решётки могут быть найдены из совместного решения системы интегральных уравнений. Такое решение оказывается на порядок сложнее, чем для одиночного излучателя, и весьма затрудняет выявление основных закономерностей антенной решётки. С этой целью в теории антенн используют приближенные методы, в которых общую задачу расчёта антенной решётки условно разделяют на две задачи:

Внутренняя задача

Решение внутренней задачи состоит в определении амплитудно-фазового распределения в антенной решётке при заданных сторонних источниках, что необходимо для возбуждения (питания) антенной решетки.

Внешняя задача

Решение внешней задачи состоит в нахождении характеристик направленности антенны при известном амплитудо-фазовом распределении токов (полей) по элементам антенной решетки. Это распределение считается известным из решения внутренней задачи и достигнуто соответствующим подбором сторонних источников возбуждения. Решение внешней задачи можно провести в общем виде для различных антенных решёток и затем установить характеристики направленности. Следует заметить, что методы решения внутренней задачи оказываются различными для разных типов излучателей антенной решетки. Поле излучения антенной решётки представляет собой результат интерференции полей отдельных излучателей. Поэтому надо найти отдельно поле от каждого излучателя в данной точке пространства, а затем сумму полей всех излучателей при учёте амплитудных и фазовых соотношений, а также поляризации полей.

Расчёт диаграммы направленности АР

Расчёт диаграмм направленности таких систем проводится следующим образом:

Определяют амплитудную и фазовую диаграммы излучения отдельных элементов, составляющих антенную решётку.
Определяют фазовый центр каждого излучателя и заменяют излучатели точечными излучателями, расположив их в фазовых центрах реальных излучателей антенной решётки. Каждому точечному излучателю приписывают равномерную фазовую и амплитудную диаграммы направленности реального излучателя. Тогда точечный излучатель по внешнему действию будет полностью эквивалентен реальному излучателю.
Определяют амплитуды и фазы полей, создаваемые эквивалентными точечными излучателями в произвольной точке пространства (каждым в отдельности). При этом надо рассматривать поле на большом расстоянии от точки наблюдения до всех излучателей. Расчёт фаз следует вести с учётом разницы в расстоянии до каждого излучателя. При определении разницы в расстояниях в целях упрощения необходимо считать направления на точку наблюдения параллельными для всех излучателей. При вычислении фаз надо определять фазы по отношению к фазе поля какого-либо одного излучателя, принимаемого за начальную.
Определяют амплитуду и фазу поля всей антенны путём суммирования полей всех составляющих её излучателей, учитывая амплитудные и фазовые соотношения, а также поляризацию полей.

Излучение линейной синфазной антенны

При расчёте поля излучения синфазной антенны с равномерным амплитудным распределением приходится иметь дело со сложением некоторого числа одинаково поляризованных гармонических колебаний с равными амплитудам и фазами, отличающимися друг от друга на одинаковый угол. Сумма таких колебаний определяется как сумма (ряд таких колебаний) членов геометрической прогрессии или геометрическим путём. Пусть имеется:

A cos ⁡ ( ω t ) + A cos ⁡ ( ω t + 2 ψ ) + . . . + A cos ⁡ ( ω t + ( N − 1 ) ψ )

Рис. 3. Линейные антенные решётки:
а) решётка вертикальных вибраторов;
б) решётка горизонтальных вибраторов;
в) к расчёту ДН линейных АР

Фаза результирующего колебания по отношению к фазе начального колебания определяется величиной ∠ D ′ A ′ B ′ и равна N − 1 2 ψ . \psi . \,\!> Сумма всех колебаний:

Фаза результирующего колебания опережает фазу исходного на угол N − 1 2 ψ . \psi. \,\!>

Получили распространение антенные решетки, составленные из вертикальных или горизонтальных полуволновых вибраторов (рис. 3). Такие антенны состоят из питаемых синфазно полуволновых вибраторов, одинаково ориентированных и расположенных на одинаковом расстоянии d друг от друга. Направление расположения образует прямую линию.

Для расчёта диаграмм направленности заменим каждый вибратор эквивалентным точечным излучателем, расположив его в фазовом центре, то есть в середине вибратора. Поле такой антенны — результат интерференции полей вибраторов. Будем считать, что все излучатели в решетке имеют одинаковые диаграммы направленности. Так как вибраторы параллельны, то поля одинаково поляризованы, а следовательно, можно пользоваться полученной выше формулой для суммарного поля. Рассматривая поле далеко от антенны, можно считать, что r 1 ∥ r 2 ∥ r 3 ∥ . . . ∥ r n . Пусть мгновенное значение тока в пучности каждого вибратора описывается уравнением i = J sin ⁡ ( ω t ) . > J \sin(\omega t). \,\!> Тогда суммарное поле в точке наблюдения от всей антенны определяется:

Суммарное поле антенны

Примем фазу поля от наиболее удаленного излучателя (в рассматриваемом случае 1-го) за начальную. Тогда для определения фазы поля n-го излучателя необходимо предварительно выразить расстояние от этого излучателя до точки наблюдения через расстояние r 1 :

Амплитудная диаграмма направленности

Проведем анализ полученного выражения. Амплитудная диаграмма направленности согласно формуле ( 3 ) (3)\,\!> определяется как

представляет собой произведение диаграммы составляющего излучателя A f 1 ( Θ , φ ) на множитель антенны

Фазовая диаграмма направленности

Фазовой диаграммой будем называть в дальнейшем ту часть выражения, определяющего фазу поля, которая не зависит от времени (см. формулу ( 3 ) (3)\,\!> ):

Фазовый центр антенны

Таким образом, рассматриваемая антенна имеет фазовый центр, который совпадает с её геометрическим центром. Этот вывод справедлив в общем случае для любой синфазной антенны. При отсчёте расстояния от фазового центра с учётом того, что амплитуда поля практически не меняется при перемене начала отсчёта в пределах антенны, поле

Множитель решетки

Боковые лепестки ДН

Главный лепесток ДН антенны

Ширина главного лепестка ДН

Ширину ДН по уровню 0,7 поля можно определить по приближенной формуле:

Это выражение тем точнее, чем больше число вибраторов в решетке при заданной величине отношения. Практически им можно пользоваться, если N d > 3 λ 3\lambda \,\!> .

Если излучатели, образующие линейную синфазную антенну, обладают направленными свойствами в плоскости, проходящей через линию их расположения, то расстояние между излучателями можно взять больше длины волны генератора ( d > λ ) \lambda )\,\!> . В этом случае в интервале изменения обобщённой координаты ψ , соответствующей реальной ДН решетки.

Здравствуйте!
Классические УКВ направленные антенны выглядят как-то старомодно, хочется, если делать направленную антенну для УКВ, так работающую по принципу фазированной решетки несколько элементов. Современная элементарная база вроде позволяет слушать и питать антенны с заданным смещением фазы сигнала несущей частоты, можно будет видеть и задавать направление излучения, интересно, какое теоретическая обоснование таких антенн? Какие усиления можно достигнуть в зависимости от количества элементов антенны?
Есть ли радиолюбительские примеры таких антенн?

Теоретически коэффициент усиления фазированной решетки в N раз больше коэффициента усиления одиночного излучателя, из которых она сотоит, гле N - число излучателей, образующих решетку. Практически - 50. 70 % этого значения.

Классические УКВ направленные антенны выглядят как-то старомодно/
Есть ли радиолюбительские примеры таких антенн?

Антенна, конструкция предложена Gajarski, HA4YD. Она имеет усиление 18 дб в диапазоне 144-144,5 МГц, 17,75 дб на частоте 145 МГц и 17,4 дб на 146 МГц.

Так Swan-антенну придется направлять? Это свойство антенн "поворачиваемост ь" омрачает и отбивает желание конструировать.
Я конечно неправ, но у меня лучше получается настроить в станциях лучшую чувствительность, чем конструировать антенны. Если внутри станции удается повысить штатную чувствительность на пару порядков, как минимум на 15 ДВ, так что станция принимает на гвоздь, когда положено ставить внешнюю антенну, так какой смысл в направленных антеннах когда их требуется поворачивать? Внутри станции это решается контурными катушками, согласованием, варикапами и транзисторами, а внешне потребуется придумывать мачту и редуктор с обратной связью.
Мне интересны штыревые антенны, а так же подумываю о комплексе фазированных антенн на нужные направления, которые не потребуется поворачивать.

Так Swan-антенну придется направлять? Это свойство антенн "поворачиваемост ь" омрачает и отбивает желание конструировать.
. Мне интересны штыревые антенны, а так же подумываю о комплексе фазированных антенн на нужные направления, которые не потребуется поворачивать.

Данный материал предваряет цикл статей, посвященных рассмотрению вопроса построения и разработки таких сложных систем, как радиолокаторы с использованием активных фазированных решеток. Предложены варианты комплектующих для основного элемента такого оборудования — приемопередающих модулей от ведущих мировых производителей: Hittite Microwave, TRAK Microwave, NXP и API Technologies.

Введение

В целом структура современного радиолокатора мало отличается от систем, разработанных на заре становления радиолокации, — антенная система, приемник, передатчик, система обработки информации. Развитие техники в этой области двигалось в направлении усовершенствования каждой составной части параллельно. Однако именно развитию антенных систем и постепенному интегрированию антенны как таковой с трактами приемника и передатчика уделялось особое внимание. В совокупности с совершенствованием элементной базы и переходом к использованию в радиолокационных целях все более высоких частот, в широкое применение вошли антенные системы типа фазированная решетка.

Фазированная антенная решетка — антенна, состоящая из группы излучателей, фазой сигнала в которых можно управлять независимо, формируя эффективное излучение антенны в целом на одном, желаемом направлении, отличном от направления эффективного излучения отдельного элемента. Таким образом, появилась возможность эффективно управлять лучом антенны электронным способом.

На рис. 1 схематично показан принцип формирования фазового фронта и направление суммарного луча антенной решетки перпендикулярно этой плоскости равных фаз.

Рис. 1. Обеспечение наклона луча фазированной антенной решетки

Следует разделять два основных вида систем на фазированных антенных решетках — пассивные антенные решетки и активные. Основное различие таково: в пассивных антенных решетках имеется один мощный приемопередатчик, чей сигнал делится на все каналы, условно содержание только элемент поворота фазы. В активных фазированных решетках (АФАР) канал каждого элемента решетки имеет свой собственный приемопередатчик. Каждая из концепций имеет свои плюсы и минусы: пассивные решетки значительно дешевле, но требуют применения очень мощных источников сигнала, которым, в свою очередь, необходима сложная схема питания, охлаждения. Активные решетки имеют огромный запас по надежности — выход из строя одного приемопередатчика не приводит к поломке всей системы, но количество используемых компонентов и сложность управления, синхронизации, в конце концов, стоимость устройства превышает стоимость пассивной решетки на порядки.

Однако развитие современной базы электронных компонентов, миниатюризация и вывод в массовое производство еще совсем недавно штучных технологий позволяют системам на АФАР вытеснять пассивные решетки не только с уже давно занятых позиций в авиационной и военной технике, но и в сугубо гражданских применениях — подповерхностном зондировании, радиолокаторах систем организации воздушного движения, космических программах и т. д.

Поэтому в дальнейшем заострим внимание именно на системах АФАР. Их основным элементом является приемопередающий модуль (ППМ), в современных системах зачастую антенна отдельного элемента решетки является частью конструктива ППМ. Пример внешнего вида современного ППМ показан на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид ППМ АФАР от компании Cassidian

По идеологии и схемотехнике приемопередающие модули могут реализовываться различными способами, но есть возможность обобщенного представления, составные части такой схемы, так или иначе, присутствуют во всех из них. Поэтому остановимся только на этих элементах и постараемся очертить круг компонентов, которые позволят решить задачу конструирования АФАР в самых популярных диапазонах частот:

L — 1–2 ГГц;
S — 2–4 ГГц;
X — 8–12 ГГц.

Структурная схема ППМ, которую предлагается принять за исходную, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема ППМ

Аттенюаторы

Аттенюатор — элемент, общий для трактов приемника и передатчика. Предназначен для задания дополнительной вариативности сигналов не только по фазе, но и по амплитуде — позволяет уменьшить влияние боковых лепестков диаграммы, устранить неидентичность коэффициента передачи отдельных приемопередатчиков. Как правило, используется цифровой аттенюатор, так как управляемый аналогово будет сильно зависеть в своих характеристиках от качества управляющего сигнала.

Рассмотрим современные решения в области таких компонентов на примере продукции американской компании HittiteMicrowave, зарекомендовавшей себя как один из лидеров, выпускающих микросхемы СВЧ-диапазона. Портфолио этой компании включает практически все компоненты, необходимые для построения большинства СВЧ-устройств, поэтому разработчику не придется дополнительно искать комплектующие у других производителей.

Рис. 4. Структура аттенюатора HMC424LP3

Сегодня наблюдается тенденция к созданию широкополосных цифровых аттенюаторов, перекрывающих несколько частотных диапазонов, позволяя инженерам унифицировать свои разработки под разные применения. Следующий критерий выбора аттенюатора — диапазон ослабления и минимальный шаг. Современные решения предоставляют возможность получить более 30 и 0,5 дБ соответственно (табл. 1). Структурно, на примере HMC424LP3, цифровой аттенюатор представляет собой линейку фиксированных аттенюаторов с возможностью управления каждой секцией последовательным или параллельным кодом (рис. 4).

Фазированная антенная решетка: от пассивной к активной

РЛС с ФАР на истребителе-перехватчике МиГ-31 во время дебютного показа на авиасалоне в Ле-Бурже в 1991 году

Для излучения и принятия сигналов радару, конечно, нужна антенна. Для того чтобы расположить ее на борту самолета, придумали эргономичную плоскую антенну, за которой разместили приемник и передатчик.

Эти сложности позволила решить современная электроника, идея разделения антенны на части и управления фазами сигналов.

Итак, плоская антенна разделяется на ячейки, образующие как бы решетку. В каждой ячейке – фазовращатель, который изменяет фазу электромагнитной волны на заданный угол. Затем сигналы из ячеек поступают на приемник. Это и есть основной принцип устройства и работы фазированной антенной решетки (ФАР).

Таким образом, антенная решетка с множеством фазовращателей, но с одним приемником и одним передатчиком называется пассивной ФАР.

Активная фазированная антенная решетка (АФАР) является следующим этапом в развитии бортовых радиолокационных систем.

В чем же главное отличие от пассивной ФАР? Каждая ячейка АФАР содержит свой собственный приемопередатчик. Их количество может превысить одну тысячу. То есть в АФАР каждый модуль решетки содержит фазовращатель, передатчик и приемник, обходясь без одного большого передатчика, как в радарах с пассивной ФАР.

Итак, тысячи модулей АФАР повышают надежность и эффективность антенны, а также появляется возможность работать на нескольких частотах сразу. Радиолокационные системы с АФАР способны одновременно решать несколько задач: поиск и обнаружение целей, параллельно с обзором пространства отстраиваться от помех, ставить помехи противнику и осуществлять картографию.

Читайте также: