Фазированная антенная решётка (ФАР)

Содержание.

[0.1] Задание.

[0.2] Введение.

[0.3] 1 Структура ФАР.

[0.4] 2 Управление фазовыми сдвигами.

[0.5] 3 Особенности построения ФАР.

[0.6] 4 Перспективы развития ФАР.

[0.7] 5 Применение ФАР.

[0.8] 6 Расчет характеристик прямоугольной ФАР с прямоугольной сеткой прямоугольных волноводов, возбуждение которых синфазное равномерное.

[0.9] Заключение.

[0.10] Список использованной литературы.

Задание.

Построить диаграмму направленности прямоугольной фазированной антенной решетки с прямоугольной сеткой прямоугольных волноводов, возбуждение которых синфазное равномерное. Длина волны . Число строк m=12, число столбцов n=36. Расстояние между центрами соседних волноводов равно ; расстояние между соседними рядами волноводов равно .

Введение.

Фазированная антенная решётка (ФАР) – это антенная решётка, с управляемыми фазами или разностями фаз волн, излучаемых её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет:

формировать при весьма разнообразных расположениях излучателей необходимую диаграмму направленности ФАР (например, остронаправленную диаграмму направленности – луч);
изменять направление луча неподвижной ФАР и таким образом, осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование – качание луча;
управлять в определённых пределах формой диаграммы направленности – изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. Для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей.

1 Структура ФАР.

Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения.

В зависимости от требуемой формы диаграммы направленности и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов:

вдоль линии (прямой или дуги);
по поверхности (например, плоской – в так называемых, плоских ФАР; цилиндрической; сферической) или в заданном объёме (объёмные ФАР).

Иногда форма излучающей поверхности ФАР – раскрыва определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР. ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву до направления вдоль раскрыва. Коэффициент направленного действия 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 коэффициента направленного действия 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 диаграмму направленности с одним главным лепестком, без побочных дифракционных максимумов – так называемых, 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 диаграмму направленности 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 коэффициент направленного действия, 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 диаграмму направленности с более низким уровнем боковых лепестков, чем в эквидистантных ФАР с таким же раскрывом и таким же числом элементов.

2 Управление фазовыми сдвигами.

По способу изменения фазовых сдвигов различают следующие ФАР:

с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода;
с частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между соседними излучателями или дисперсии волн в радиоволноводе;
с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей, управляемых электрическими сигналами с непрерывным или 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 мкс 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.

3 Особенности построения ФАР.

Возбуждение излучателей ФАР производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в так называемых квазиоптических ФАР). Фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями иногда содержат сложные электрические устройства (так называемые 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 диаграммы направленности 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. 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.

4 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 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 диаграммы направленности, например понижения уровня боковых лепестков в направлениях на источники помех (адаптивные ФАР);

6) разработка методов управления независимым движением отдельных лучей в многолучевых ФАР.

5 Применение ФАР.

Фазированная антенная решетка используется в системах наведения, т.к. она может отслеживать одновременно несколько целей.

Фазированная антенная решетка представляет собой множество излучателей (антенн) с идентичными параметрами, каждый из которых запитан через собственный фазовращатель. Благодаря этому, выставляя каждому излучателю собственный фазовый сдвиг, можно практически мгновенно изменять диаграмму направленности всей системы. Это выражается в том, что нет необходимости вращать антенну для наведения на цель. Она сама, оставаясь неподвижной, найдет цель и будет сопровождать ее. Т.к. диаграмма направленности ФАР изменяется практически мгновенно, то становится возможным сопровождать одновременно несколько целей.

Впервые фазированные антенные решетки были применены на истребителях МИГ-16. Благодаря этому самолет мог одновременно вести до 16 целей, благодаря чему стал лучшим истребителем своего времени.

Фазированные антенные решетки чрезвычайно сложны в изготовлении. Качество системы напрямую зависит от качества исполнения излучателей. Необходимо получить максимально идентичные параметры у всех излучателей, а это очень трудно технологически. Вследствие этого ФАР до сих пор остаются самыми дорогими, но самыми эффективными в системах наведения, антеннами. В перспективе, при удешевлении производства ФАР, они найдут применение и в не военных областях деятельности человека. Например, в наших домах. ФАР - эта следующая ступень развития приемных антенн спутникового телевидения. Такую антенну не надо направлять на спутник, ее можно размещать и под значительным углом к источнику сигнала. Антенна самостоятельно обнаружит все интересующие спутники, запомнит направления на них и сможет между ними переключаться. Пользователь даже не заметит момент переключения между спутниками. Так же будет устранена проблема вибраций приемной антенны. В настоящее время, сильный ветер может отклонить параболическую антенну в сторону. Из-за этого произойдет ухудшение качества телевизионного изображения, или полная потеря сигнала. Фазированная антенная решетка самостоятельно обнаружит смещение источника сигнала и подкорректирует свою диаграмму направленности. В результате чего ухудшения качества принимаемого сигнала не произойдет.

Корабль проекта 11356 “Talvar”.

Многофункциональная РЛС "Дон-2Н" – моноимпульсная многофункциональная радиолокационная станция сантиметрового диапазона с крупномодульными фазированными антенными решетками.

ФАР «Эполет» может быть использована для различных применений в качестве миниатюрной антенной системы с электронным управлением лучом (основные параметры: зона сканирования – ±45, масса – 5 кг, энергопотребление – 15 Вт, время установки луча – 2 мкс).

6 Расчет характеристик прямоугольной ФАР с прямоугольной сеткой прямоугольных волноводов, возбуждение которых синфазное равномерное.

Пусть имеется m=12 рядов симметричных волноводов. Каждый ряд состоит из n=36 симметричных волноводов. Расстояние между центрами соседних волноводов равно ; расстояние между соседними рядами волноводов равно . Длина волны

Диаграмма направленности каждого волновода определяется по формуле:

Диаграмма направленности всей системы определяется по следующей форме:

Нормированная диаграмма направленности имеет вид:

Рассмотрим сечение диаграммы направленности в плоскости , тогда

В логарифмическом масштабе эта диаграмма направленности имеет вид:

Рассмотрим сечение диаграммы направленности в плоскости , тогда

В логарифмическом масштабе эта диаграмма направленности имеет вид:

Рассмотрим сечение диаграммы направленности в плоскости , тогда

В логарифмическом масштабе эта диаграмма направленности имеет вид:

Рассмотрим сечение диаграммы направленности в плоскости , тогда

В логарифмическом масштабе эта диаграмма направленности имеет вид:

Рассчитаем ширину главного луча диаграммы направленности для

Вычислим число боковых лепестков при

Рассмотрим сканирующую фазированную антенную решетку с в плоскости .

Заключение.

В данной работе нами были рассчитаны характеристики прямоугольной ФАР с прямоугольной сеткой прямоугольных волноводов, возбуждение которых синфазное равномерное, а также построены диаграммы направленности этой ФАР.

Список использованной литературы.

Кочержевский Г.Н. «Антенно-фидерное устройство», М., Изд. «Связь», 2010 г.
Кинбер Б.Е., Классен В.И. «Теория и техника антенн», М., МФТИ, 1985 г.
Сазонов Д.М. «Антенные устройства СВЧ», Учебник для радиотехнич. спец. ВУЗов. - М.: Высш. шк., 2008 г.
Классен В.И. «Теория и техника антенно-фидерных устройств», Конспект курса лекций. 2012г.г.

Фазированная антенная решётка (ФАР)