Классификация и схемы построения ФАР

Фазированными называются антенные решетки, в которых направление максимального излучения (приема) изменяется путем регулирования фазы радиосигналов в излучающих элементах.

Из определения фазированных антенных решеток следует, что в волноводные тракты, соединяющие элементы ФАР с генератором (приемником), должны быть включены устройства для обеспечения требуемого амплитудно-фазового распределения на раскрыве (фазирования). В качестве таких устройств обычно используются СВЧ-фазосдвигатели, фазовращатели, линии задержки, аттенюаторы и коммутаторы, часто объединяемые с соответствующими излучающими элементами ФАР в конструктивные узлы – модули ФАР.

В состав модулей включаются также согласующие устройства. При большом числе модулей ФАР управляющие воздействия на систему регулирования амплитудно-фазового распределения формируются ЦЭВМ. Обобщенную структурную схему ФАР, отражающую наличие в ней различных функциональных элементов, можно представить в виде, показанном на рис. 2.7. Число модулей N³2 и может достигать нескольких тысяч. Система питания служит для распределения мощности от одного или нескольких генераторов к излучателям ФАР при работе ее на передачу или для подвода принятых сигналов от модулей к приемному устройству (устройству обработки сигналов).

Амплитудно-фазовое распределение на раскрыве ФАР может обеспечивать формирование одного сканирующего луча заданной формы, как правило, с малым уровнем боковых лепестков или нескольких пересекающихся

Рис. 2.7

лучей. Управляющая ЦЭВМ изменяет состояние элементов регулирования по заранее заданной программе (программное управление) и обеспечивает реализацию априорно выбранного закона сканирования (например, секторного в одной или в двух плоскостях).

Фазированные антенные решетки могут быть классифицированы по различным признакам.

В зависимости от геометрии расположения излучателей в пространстве ФАР можно разделить на одномерные, двумерные (плоские) и трехмерные (выпуклые). К одномерным относятся линейные (прямолинейные), дуговые, кольцевые решетки. Плоские ФАР используются для двухмерного сканирования. Размещение излучающих элементов на выпуклой поверхности (цилиндрической, сферической) позволяет получить конформное сканирование по двум угловым координатам.

По характеру размещения излучателей в самой решетке последние делятся на эквидистантные и неэквидистантные.

По способу качания луча решетки делятся на два основных класса – решетки с частотным сканированием и фазовым сканированием (решетки с фазовращателями). Более подробно способы качания луча будут рассмотрены ниже.

По режиму работы фазированные антенные решетки могут быть совмещенными (приемо- передающими) или раздельными, работающими на прием или передачу. В случае совмещенной решетки конструкция антенны является более компактной. При этом можно существенно упростить устройство управления лучом, так как одни и те же фазовращатели используются на прием и передачу.

По способу питания ФАР можно разделить на решетки с активным, пассивным и смешанным распределением мощности. Пассивная система питания бывает фидерного (волноводного) и оптического типа. Фидерное питание реализуется по последовательной или параллельной схеме.

В последовательной схеме возбуждение элементов осуществляется волной, бегущей вдоль фидера (рис. 2.8, а). Данная схема проста, компактна. Однако ей присущи серьезные недостатки: фазовращатели работают при неодинаковых уровнях мощности; фазовые ошибки фазовращателей и потери мощности накапливаются к концу решетки; электрические длины путей прохождения сигналов от общего входа до каждого излучателя различны, что приводит к расфокусировке решетки на краях частотного диапазона.

В параллельной схеме элементы решетки возбуждаются независимо (рис. 2.8, б). Такая схема питания обеспечивает более равномерное распределение мощности между фазовращателями, а ее общие потери определяются

Рис. 2.8

потерями лишь в одном фазовращателе. Недостатком параллельной схемы является сложность системы управления, так как фазовые сдвиги в каждом фазовращателе в общем случае различны. Возможна также смешанная (последовательно-параллельная) схема фидерного питания.

При оптическом питании излучатели решетки возбуждаются через пространство волной, генерируемой облучателем. Этот способ распределения мощности используется в двух вариантах – отражательном (рис. 2.9, а) и проходном (рис. 2.9, б). В ФАР с отражательной системой питания излучающие элементы решетки выполняют две функции: во-первых, собирают мощ-

Рис. 2.9

ность от общего излучателя, а во-вторых, переизлучают ее после фазирования в нужном направлении. Очевидно, что отражательная ФАР эквивалентна зеркальной антенне. В фазированной антенной решетке с проходной системой питания мощность от общего излучателя поступает на излучающие элементы через проходные фазовращатели. По принципу действия проходная ФАР эквивалентна линзовой антенне. Способ пространственого питания прост, дешев, удобен при реализации моноимпульсных систем.

В общем случае можно выделить три типа схем ФАР: пассивная, активная и полуактивная.

Пассивная ФАР. Эта схема является простейшей. Излучатели в ней возбуждаются от общего источника через систему пассивных фазовращателей. Здесь используется пассивная система питания. Соответствующие варианты построения пассивной ФАР приведены на рис. 2.8 и 2.9 для фидерного и оптического питания соответственно.

К недостаткам пассивных ФАР в случае передающих антенн относятся сложности, связанные с генерированием большой мощности и канализацей ее по одному каналу к облучателю, а также сравнительно высокий уровень мощности, при котором работают фазовращатели, а в случае приемных антенн – ухудшение отношения сигнал/шум из-за дополнительных потерь в фазовращателях.

Активная ФАР. Эта схема значительно более сложная и дорогостоящая, чем предыдущая, так как в канале питания каждого элемента решетки имеется фазируемый генератор или усилитель мощности. Благодаря этому в принципе успешно решается проблема генерирования и канализации большой мощности и получения высокого отношения сигнал/шум. Блок-схема активной ФАР представлена на рис. 2.10, а.

Модули ФАР помимо управляющих элементов содержат сравнительно маломощные СВЧ-генераторы и усилители. Генераторы обычно синхронизируются от общего задающего генератора. В результате на излучающем раскрыве происходит когерентное сложение мощностей отдельных генераторов, что позволяет получить излучение огромной мощности, недостижимое в обычных антеннах из-за ограниченной электрической прочности.

В качестве усилителей в активных ФАР обычно используются приборы бегущей волны и усилители на лампах и полупроводниковых приборах. Использование пленочной технологии изготовления замедляющей структуры и миниатюризация магнитной системы ламп бегущей волны путем использова-

Рис. 2.10

вания специальных материалов позволяют существенно уменьшить габариты ЛБВ и снизить их стоимость. В ФАР данного типа широко применяются миниатюрные и дешевые СВЧ-генераторы и усилители на твердотельных полупроводниковых приборах.

Полуактивная ФАР. Эта схема (рис. 2.10, б) в определенной мере обладает достоинствами и недостатками схем с пассивными и активными элементами. Полуактивная (комбинированная) ФАР представляет собой совокупность решеток с пассивными элементами, называемых подрешетками, каждая из которых снабжена усилителем мощности. Такая решетка проще и дешевле, чем решетка с активными элементами. Вместе с тем данная конструкция позволяет решить проблему генерирования и канализации мощности, характерную для пассивных ФАР. Для обеспечения когерентности генераторов, питающих подрешетки, осуществляется их фазирование (синхронизация) от общего задающего генератора.

2.3.2. Способы электрического качания луча
в фазированных решетках