.

Фазированная антенная решетка

Электронное управление лучом превращает антенну в активное средство обработки сигналов. Наиболее распространенная форма такой антенны - фазированная антенная решетка (ФАР). Рассматриваются различные способы управления электромагнитными волнами в ФАР, в частности управление с помощью полупроводниковых диодов.

Представим себе высоконаправленную антенну, обеспечивающую связь с искусственным спутником Земли (ИСЗ). Такая антенна имеет остросфокусированный луч, точно направленный на объект связи. Примером такой антенны может служить наземная антенна станции "Орбита", которая использовалась в первых советских системах передачи телевидения и обеспечения многоканальной телефонной связи через ИСЗ. Такая антенна представляет собой параболический рефлектор диаметром порядка десяти метров. Для того чтобы осуществить слежение за объектом связи или радионаблюдения с помощью такой антенны, необходимо поворачивать всю эту довольно тяжелую механическую систему.

Очевидно, что во многих случаях нужна антенна, у которой направление луча не было бы связано с ориентацией всей антенны как механической конструкции. Нужна антенна с немеханическим движением луча или, другими словами, антенна с электронным сканированием. Под сканированием здесь понимается движение луча антенны, осуществляющее обзор пространства в заданном пространственном угле. Такая антенна нужна не только в системах связи с ИСЗ, но и в системе управления движением в районе большого аэропорта. Особую роль антенны с электронным сканированием играли и продолжают играть в системах противоракетной обороны (ПРО). С начала 90-х годов антенны с электронным сканированием стали объектом внимания автомобильных компаний. В этой связи такие антенны могут стать предметом массового спроса, как цветной телевизор или персональный компьютер. Сложившееся к настоящему времени техническое решение антенны с электронным сканированием представлено в виде решетки, в узлах которой расположены простейшие излучатели электромагнитной волны. Цепи питания этих излучателей организованы так, что излучение, испускаемое каждым излучателем, когерентно с излучением всех излучателей, в то время как фаза излучаемых волн изменяется по заданному закону. Изменение распределения фаз на излучателях позволяет сформировать луч антенны в заданном направлении. Такая решетка излучателей с управляемым распределением фаз волн, излучаемых элементарными излучателями, получила название фазированной антенной решетки (ФАР). Таким образом, термины антенна с немеханическим движением луча, антенна с электронным сканированием или фазированная антенная решетка практически являются синонимами.

Идея, что лучом системы когерентных излучателей можно управлять, изменяя распределение фаз на излучателях, была высказана уже давно. Одна из первых антенн с немеханическим управлением диаграммой направленности была построена для трансатлантической радиотелефонной линии связи в 1937 году. Эта антенна, обладая довольно высокой направленностью, позволяла изменять направление приема лучей в вертикальной плоскости и таким путем выбирать направление прихода лучей, наименее ослабленных при отражении от ионосферы. Так как благодаря направленным свойствам антенны осуществлялся прием только одного отраженного луча, то резко уменьшались замирания сигнала. Эта антенна представляла собой систему ромбических антенн, расположенных вдоль прямой на участке длиной около 1,5 км. Управление диаграммой направленности осуществлялось изменением фазовых соотношений между токами в отдельных ромбах. Высокой скорости управления лучом системы ромбических антенн не требовалось. Развитие радиолокации поставило задачу управления диаграммой направленности антенны в течение интервалов времени, измеряемых вначале миллисекундами, а затем микросекундами и даже долями микросекунды.

Насколько можно судить по известным публикациям, первая антенна с электронным сканированием для применения в радиолокации была осуществлена в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) в 1955 году в группе под руководством проф. Ю.Я. Юрова (1914-1955). В основу принципа действия антенны было положено управление фазами волн в нескольких излучателях антенны с помощью фазовращателей, содержащих ферритовые элементы. Как раз в те годы в электронике различных частот началось широкое применение ферритов - железосодержащих окислов металлов, которые являются диэлектриками, но обладают магнитными свойствами, близкими к свойствам железа. Работы по радиолокационному использованию антенн с электронным сканированием велись и в США. Первая публикация о фазовращателе на основе феррита, предназначенном для применения в антенне с электронным сканированием, появилась в конце 1954 года, а публикации по самой антенне - в 1956-1957 годах.

Проблема разработки антенны с электронным сканированием слагается из двух составных частей:

  • 1) выбор числа излучателей и конфигурации их размещения;
  • 2) разработка фазовращателей, управляющих фазой электромагнитной волны в излучателях.

 макет антенны, разработанной в 1954-1955 годах и испытанной в июне 1955 года. Антенна представляла собой решетку из четырех диэлектрических излучателей, сверхвысокочастотная (СВЧ) волна к которым подается через фазовращатели, представляющие собой отрезки прямоугольных волноводов, частично заполненных ферритом. Ферритовые вкладыши находятся в переменном поле электромагнитов. Внешнее магнитное поле изменяет магнитную проницаемость феррита. Изменение магнитной проницаемости среды, в которой распространяется волна, изменяет фазовую скорость волны, в результате возникает требуемый фазовый сдвиг.

Как устроена антенна с электронным сканированием  Следует различать антенны с

  • одномерным 
  • двумерным сканированием

или, другими словами, антенны с движением луча в одной плоскости и антенны с движением луча в двух плоскостях. Антенны с одномерным сканированием нужны при работе с объектами, лежащими в одной плоскости. Примером может служить антенна радиолокатора, обеспечивающего управление движением в акватории морского порта, где все объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, находятся на водной поверхности. Иначе обстоит дело при обеспечении связи с искусственным спутником Земли или при управлении движением в районе большого аэропорта. В этих случаях направления на объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, могут находиться под разными углами как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, поэтому луч антенны должен перемещаться в двух плоскостях.

С одномерным сканированием. Антенна представляет собой линейку излучателей, которые на рисунке схематически представлены в виде рупорных излучателей. Вход антенны представлен одним волноводом или коаксиальным кабелем, который соединяется с приемником, передатчиком или другой радиотехнической системой. Между входом антенны и излучателями расположен делитель мощности, и в цепи питания каждого излучателя включен фазовращатель. Фазовращатели управляются от единого устройства управления (компьютера) и формируют требуемое распределение фаз на излучателях.  плоский фазовый фронт, расположенный под углом qk по отношению к плоскости расположения излучателей. Очевидно, что главный луч антенны формируется вдоль нормали по отношению к фазовому фронту волны, заданной излучателями, и, таким образом, главный луч антенны отклонен от оси симметрии антенны также на угол qk . Напомним, что из законов дифракции электромагнитных волн следует, что ширина луча антенны определяется отношением длины волны излучаемых электромагнитных колебаний к размеру антенны: где Dq - ширина луча, l - длина волны, L - размер антенны.  Достаточно хорошо направленная антенна должна иметь ширину луча порядка одного углового градуса: Dq = 1. Пусть Dqk = 90, тогда N = 90, то есть конструкция линейки излучателей оказывается достаточно сложной. Рассмотрим антенну в виде решетки излучателей, обеспечивающей электронное сканирование луча в двух плоскостях. Решетка состоит из системы параллельных линеек излучателей, расположенных в одной плоскости. Число излучателей в составе одной линейки назовем числом излучателей в горизонтальной плоскости Nг , а само число линеек - числом излучателей в вертикальной плоскости Nв . Таким образом, общее число излучателей в рассматриваемой решетке

УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ Как было показано выше, в цепи питания каждого излучателя ФАР должно находиться устройство, обеспечивающее требуемый фазовый сдвиг, - фазовращатель. Фазовращатели для ФАР можно разделить на две большие группы:

  • 1) аналоговые фазовращатели, фазовый сдвиг в которых представляет собой непрерывную функцию управляющего воздействия (напряжения или тока);
  • 2) цифровые (дискретные) фазовращатели, фазовый сдвиг в которых задается двоичным кодом:

В основе аналоговых фазовращателей лежит материал, магнитная или диэлектрическая проницаемость которого изменяется под внешним воздействием. Таким материалом может служить феррит, о котором кратко говорилось выше, или сегнетоэлектрик, диэлектрическая проницаемость которого зависит от напряженности электрического поля Дискретность задания фаз хорошо вписывается в структуру команд управляющей ЭВМ, хотя и порождает некоторые ошибки в задании координат луча антенны, а также приводит к незначительному увеличению уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны. Однако при большом числе элементов ФАР возникшие таким путем погрешности усредняются и выходят на уровень, которым можно пренебречь.