Структура ФАР. Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения (рис. 1 ). Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы , часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов , щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны . Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР.
В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов: вдоль линии (прямой или дуги); по поверхности (например, плоской – в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической) или в заданном объёме (объёмные ФАР). Иногда форма излучающей поверхности ФАР – раскрыва (см. Излучение и приём радиоволн ), определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР (например, формой ИСЗ). ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву (как в синфазной антенне ) до направления вдоль раскрыва (как в бегущей волны антенне ). Коэффициент направленного действия (КНД) 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 КНД 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.
Управление фазовыми сдвигами. По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода (рис. 2 , а); частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между соседними излучателями (рис. 2, б) или дисперсии волн в радиоволноводе; с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей , управляемых электрическими сигналами (рис. 2 , в) с плавным (непрерывным) или ступенчатым (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 мксек 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.
Особенности построения ФАР. Возбуждение излучателей ФАР (рис. 3 ) производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в т. н. квазиоптических ФАР), фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями иногда содержат сложные электрические устройства (т. н. 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 ДН 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 (рис. 4 ). 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.
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 ДН, например понижения уровня боковых лепестков в направлениях на источники помех (адаптивные ФАР); 6) разработка методов управления независимым движением отдельных лучей в многолучевых ФАР.
Лит.: Вендик О. Г., Антенны с немеханическим движением луча, М., 1965; Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с англ., т. 1–3, М., 1966–71.
Статья про слово "Фазированная антенная решётка " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 6842 раз
Посвященная антеннам. Продолжая тему, хочу рассказать хабраобществу о принципах работы фазированных антенных решеток (ФАР). ФАР нашли широкое применение в радиолокационных комплексах, противоракетной обороне, космической связи; применение в гражданских объектах (коммерческих) затруднено сложностью изготовления и дороговизной. Возможно кто-то заинтересуется тематикой и придумает эффективное применение ФАР для коммерческого применения.
Что это?
ФАР это группа излучателей (фазовращателей, ФВ), в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно по определенному закону так, что эффективное излечение ФАР усиливается в желаемом направлении и подавляется во всех остальных. ФАР это матрица, где элементом матрицы является ФВ, но конечно же ФВ в пространстве могут иметь и другие конфигурации. На рисунке 1 показана РЛС секторного обзора «Имбирь», входит в состав зенитно-ракетного комплекса С300В. Можно увидеть и ФАР, и облучающий рупор.
Рисунок 1.
Как происходит фазирование?
Есть простая формула из курса физики: V = c/sqrt(mu*eps). В этой формуле V – фазовая скорость электромагнитной волны, с c – скорость света в вакууме, mu – магнитная проницаемость, eps – диэлектрическая проницаемость. Из этой формулы видно, что фазовая скорость зависит от мю и эпсилон, и меняя эти величины мы можем вводить задержку ЭМ волны через ФВ. Поэтому ФВ бывают ферритовые (можем менять их магнитную проницаемость) и сегнетоэлектрические (можем менять их диэлектрическую проницаемость). Питание к фазовращателям осуществляется по воздушному тракту (как на рис. 1) или посредством волноводов (например, в малогабаритных зенитно-ракетных комплексах, рис. 2).
Рисунок 2. ЗРК «Тор».
Схема ФАР на рис. 4 : антенна представляет собой линейку излучателей, между разделителем мощности и излучателями включены ФВ. Ферритовый ФВ представляет собой аналоговый феррит цилиндрической формы, на который намотаны обмотки управления. Изменяя ток в обмотках управления (задается блоком управления ФВ) изменяется магнитная проницаемость и соответственно фазовая скорость ЭМ волны в ФВ. Таким образом, последовательно изменяя уровень сигнала управления в обмотках процесс формирования волнового фронта может представлен как показано на рисунке 3, 4 (одномерный случай). Можно провести аналогию с камешками, которые последовательно кидаем в воду. Еще одной аналогией работы ФАР может служить линза. На рисунке 5 показано изменение формы волнового фронта с помощью линзы .
Рисунок 3. Формирование волнового фронта.
Рисунок 4. Схема ФАР.
Рисунок 5.
Рисунок 6. Типичная диаграмма направленности.
Электрическое сканирование обеспечивает создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. 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 .
Спешу развеять возможный скепсис по поводу разведения «соплей» о тяжестях новаторов в России. Речь пойдет именно о замечательной и передовой технологии.
Высокочувствительные антенны на основе массива управляемых пассивных рассеивателей
Данная технология может применяться к различным типам антенн на очень широком частотном диапазоне от сотен мегагерц до 10 ГГц. Технология совершенно новая и не имеет аналогов.
Как известно, антенны с фазированной антенной решеткой (ФАР) до настоящего времени не нашли широкого применения в беспроводных системах связи, доступных на массовом рынке телекоммуникационного оборудования (в сетях WiMax, LTE, 3G, WiFi и т.п.). Были единичные попытки создания таких коммерческих антенных систем, но результаты были не пригодными для массового применения.
И виной тому является значительная стоимость подобных устройств, связанная с высокой ценой СВЧ элементов (фазовращателей, волноводов и т.д.), на которых построено большинство современных антенных систем с управляемыми диаграммами направленности и, что еще более важно, программное обеспечение, являющееся весьма нетривиальной задачей в рамках данной технологии.
Между тем использование таких антенн привело бы к качественному скачку в возможностях беспроводных коммуникаций.
Забегая вперед скажу, что решение уже есть, но обо всем по порядку.
Приведу основные преимущества, схематичное описание технологии, варианты возможного применения технологии и подведу краткий итог.
Преимущества
Антенны изготовленные по данной технологии, обладают следующими преимуществами:
- Низкая себестоимость - до $500 для базовых станций и до $100 для клиентских станций;
- Автоматическое формирование распределенных беспроводных сетей со множеством узлов;
- Минимизация влияния источников помех на качество связи;
- Минимизация отрицательного влияния на качество связи отражений сигнала от окружающих объектов;
- Определение направления на движущийся источник сигнала;
- Низкое энергопотребление;
- Высокая скорость переключения конечных состояний;
- Быстрый интерфейс коммуникации с вычислительным устройством;
- Высокая точность выходного сигнала (напряжения);
- Возможность переконфигурации.
Описание технологии
Наши антенны могут быть исполнены в двух вариантах: с секторным сканированием и с круговым сканированием.
Антенны с круговым сканированием.
Концептуальная схема высокочувствительной антенны на 2,4 ГГц, обладающей высоким коэффициентом усиления и возможностью секторного сканирования:
Антенна состоит из зеркала (a), образованного трехмерным массивом управляемых рассеивателей, и приемопередающего элемента (облучателя) (b).
В качестве управляемых рассеивателей предполагается использование электрических вибраторов, нагруженных в центре емкостным импедансом, значение которого может изменяться. Вариация импеданса нагрузки позволяет настраивать фазу рассеянной вибратором волны. Одновременно с этим изменяется и амплитуда рассеянного поля. Предлагаемая конструкция (при которой рассеиватели размещаются в пространстве, а не на плоскости) позволяет произвольным образом изменять взаимное расположение рассеивателей, что расширяет возможности по оптимизации ее структуры для получения тех или иных характеристик.
Принцип работы:
Принцип работы изделия следующий - для эффективного приема излучения, значения нагрузок рассеивателей должны выбираться таким образом, чтобы фазы волн, создаваемых рассеивателями, обеспечивали оптимальное сложение этих волн в точке расположения приемопередающего элемента (облучателя).
Для воплощения описанной концепции была рассчитана конструкция рассеивателя - электрического диполя, а также архитектура всего зеркала, сформированного из рассеивателей. Кроме того, определена конструкция облучателя зеркала и его расположение относительно рассеивателей.
Конструкция рассеивателя:
Рассеиватель представляет собой одностороннюю печатную плату и образован плечами диполя (a), трансформатором импеданса - длинной линией (b), варикапом (с), подключенным к длинной линии, шунтирующими дросселями (d), отделяющими ВЧ часть рассеивателя от управляющих линий (e), по которым к варикапу прикладывается напряжение смещения. Длинная линия (трансформатор импеданса) введена в конструкцию для расширения диапазона изменения импеданса нагрузки на входе диполя.
Измерения тестового образца показали, что антенна обладает следующими характеристиками:
- Рабочий диапазон частот 2.4 ГГц;
- Ширина рабочей полосы частот до 200 МГц;
- Коэффициент усиления антенной решетки более 21dBi при размерах антенной решетки 60см х 100см;
- Перестройка главного лепестка диаграммы направленности от -60о до +60о в азимутальной плоскости и от -15о до +15о по углу места;
- Обеспечение стабильности приема/передачи при изменении окружающей обстановки, а также поддержка многопользовательских режимов работы при удовлетворении требованиям высокой скорости переключения конечных состояний и быстроте интерфейса.
- Средняя скорость передачи данных для устройств WiFi (IEEE 802.11b) - 6,85 Мбит/с на расстоянии 6,5км
- Количество одновременных соединений - 135
Однако основным звеном в технологии, является программное обеспечение отвечающее за формирование требуемой диаграммы направленности. Была выбрана система управления использующая механизмы самоорганизации (самонастройки) массива рассеивателей.
Исполнение с круговым сканированием
Антенны с круговым сканированием, построенные с использованием УПР технологии, образованы многоярусной коллинеарной антенной, окруженной слоем пассивных рассеивателей специальной конструкции (рассчитанной с учетом влияния на их характеристики близко расположенного активного элемента и линий управления).
Для второго типа антенн достигнуты следующие характеристики:
- рабочий диапазон частот - 2.4 ГГц
- ширина полосы - 100/200 МГц
- коэффициент усиления - до 8 dBi
- диапазон углов сканирования - 360 градусов в горизонтальной плоскости
Возможные варианты коммерциализации технологии
- Создание 3G / LTE модема, оборудованного управляемой антенной;
- Создание WiFi точки доступа, оборудованной управляемой антенной;
- Создание самонастраиваемых антенн для быстроразворачиваемых на неподготовленных территориях систем связи (в том числе с большим числом узлов);
- Создание RFID систем большой дальности;
- Создание клиентских терминалов для систем спутниковой связи;
- Создание охранных радиолокационных систем;
- Создание систем пеленгации подвижных объектов, передвигающихся по ограниченной территории;
- Создание распределенных антенных систем (технология DAS).
Послесловие
Стоит отметить, что технология досконально проработана, была опробована в реальных условиях и показала превосходные результаты.Также, несомненным является и тот факт, что перспективы у данной технологии крайне высоки, если не сказать, что за ней будущее.
Для более детального описания можно ознакомиться с презентацией .
Спасибо за внимание. Буду рад любым вопросам, замечаниям. И предложениям инвестирования.
Активные фазированные антенные решетки (АФАР) уже в течении ряда лет применяются в различных РЛС наземного базирования. Целесообразность использования АФАР для бортовых РЛС требует убедительных обоснований, так как замена существующих бортовых фазированных антенных решеток на активные приводит к существенному увеличению стоимости антенных систем, что должно быть оправдано расширением функциональных возможностей, улучшением характеристик и параметров АФАР по сравнению с ФАР. Созданные в последнее время приемопередающие модули (ППМ) АФАР, включают фазовращатели, аттенюаторы, усилители, а также возможность управления поляризацией, и позволяют рассматривать построение бортовой АФАР с новых позиций и аргументировать целесообразность перехода к АФАР.
Остановимся на целесообразности использования АФАР для РЛС. На борту летательных аппаратов (ЛА) имеется значительное число антенн различных радиосистем. Поэтому возникла задача о создании ФАР, обеспечивающей совместную работу различных бортовых радиосистем (радиоэлектронной борьбы (РЭБ), опознавания, РЛС, связи, навигации и др.). Такая совмещенная антенна носит в литературе название антенны интегрированного радиокомплекса, многофункциональной антенны или АФАР. Создание подобных бортовых совмещенных систем ФАР пока удалось осуществить только для РЛС и опознавания. Это привело к значительным потерям характеристик, особенно по УБЛ.
Построение совмещенных антенных систем возможно на базе АФАР, так как:
в АФАР, в отличии от ФАР, возможно осуществление широкоугольного сканирования с обзором более полусферы; большая надежность системы;
независимая оптимизация характеристик в режиме передачи и приема, а также в помеховой обстановке, благодаря наличию в каждом элементе решетки ППМ с фазовращателем и аттенюатором;
осуществление формирования нескольких независимых управляемых лучей с потерей усиления и без потери усиления при использовании одной излучающей поверхности или различных ее частей в режиме приема и передачи;
наличие в ППМ возможности управления поляризацией излучателей в ФАР и устройств коммутации позволяет реализовать конформные антенные решетки с широкоугольным сканированием;
построение выпуклой АФАР позволяет сделать антенну более широкополосной;
реализация АФАР в виде конформной антенной решетки позволяет использовать поверхность
Одновременно отметим трудности и недостатки, связанные с применением АФАР:
резко возрастает стоимость антенны;
низкий КПД -25%, в отличии от электровакуумных электронных приборов - КПД -50%;
конструктивные трудности, связанные с теплоотводом и размещением модулей, их соединительной системы возбуждения и линий управления, насчитывающих тысячи проводников;
необходимость значительных разработок по метрологическому обеспечению для определения входных и выходных характеристик ППМ, частотных зависимостей электрических длин ППМ;
значительно больший разброс параметров в модулях, состоящих из излучателей, ППМ и устройств возбуждения;
дополнительные внеполосные и побочные излучения в силу разброса характеристик различных усилителей , которыми будут обладать характеристики излучаемых сигналов;
частичная корреляция шумов в отдельных усилителях в режиме приема, что может ухудшить шумовые свойства системы .
Отмеченные недостатки требуют специальной проработки. Для этого необходимо знать параметры отдельных модулей с допусками.
Рис. 5.1. Вариант построения МБАФАР под обтекателем с плоской ФАР радиусом и двумя дополнительными плоскими решетками (450 мм)
Целью настоящей работы является поиск путей построения многофункциональной бортовой активной фазированной антенной решетки (МБАФАР) для перспективного самолета пятого поколения, обеспечение максимального усиления и выявление возможности совмещения систем опознавания,
связи, навигации и РЛС. Ранее рассмотрен возможный вариант построения антенны, состоящей из одной большой ФАР и двух дополнительных ФАР (рис. 5.1). Такое размещение связано с дальностью действия и сектором обзора (рис. 5.2).
Многофункциональная бортовая АФАР должна иметь следующие характеристики:
желаемый сектор сканирования ±135° в угломестной плоскости и 360° в азимутальной плоскости;
рабочий диапазон - 8-10,5 ГГц (диапазон работы ППМ);
диаметр решетки в носовой части - 760 мм;
диаметр боковых решеток - 450 мм (в варианте рис. 5.1);
требуемая дальность и сектор обзора показаны на рис. 5.2.
Рис. 5. 2. Требования к МБАФАР по дальности действия и сектору обзора в плоскости поверхности Земли
Фазированная антенная решётка (ФАР), фазированная решётка, антенная решётка с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет: формировать (при разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН – луч); изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование – качание луча (см., например, Сканирование в радиолокации); в определённых пределах формой ДН – изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т. п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей). Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также применять для управления ФАР современные средства автоматики и ЭВМ обусловили их перспективность и широкое в радиосвязи , радиолокации , радионавигации , радиоастрономии и т. д. ФАР, содержащие управляемых элементов (иногда 104 и более), входят в различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.
Структура ФАР. Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения (рис. 1 ). сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы , часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов , щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны . Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР.
В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов: вдоль линии ( или дуги); по поверхности (например, плоской – в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической) или в заданном объёме (объёмные ФАР). Иногда излучающей поверхности ФАР – раскрыва (см. Излучение и приём радиоволн ), определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР (например, формой ИСЗ). ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву (как в синфазной антенне ) до направления раскрыва (как в бегущей волны антенне ). Коэффициент направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах – до 4(стер ) без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фазирования.
Управление фазовыми сдвигами. По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода (рис. 2 , а); частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между соседними излучателями (рис. 2, б) или дисперсии волн в радиоволноводе; с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей , управляемых электрическими сигналами (рис. 2 , в) с плавным (непрерывным) или ступенчатым (дискретным) изменением фазовых сдвигов.
Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. Они обеспечивают разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка мксек 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.
Особенности построения ФАР. Возбуждение излучателей ФАР (рис. 3 ) производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в т. н. квазиоптических ФАР), фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями иногда содержат сложные электрические устройства (т. н. диаграммообразующие схемы), обеспечивающие всех излучателей от нескольких входов, что позволяет в пространстве соответствующие этим входам одновременно сканирующие (в многолучевых ФАР). Квазиоптические ФАР в основном бывают 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 облучателей, каждому из которых соответствует свой луч в пространстве. Иногда в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы). Рассмотренные 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 (рис. 4 ). 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 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 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 ( 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.
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 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 ДН, например понижения уровня боковых лепестков в направлениях на источники помех (адаптивные ФАР); 6) методов управления независимым движением отдельных лучей в многолучевых ФАР.
Лит.: Вендик О. Г., Антенны с немеханическим движением луча, М., 1965; Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с англ., т. 1–3, М., 1966–71.
М. Б. Заксон.
Рис. 3. Типовые схемы возбуждения фазированных антенных решёток (ФАР) с последовательных возбуждением (а), параллельным возбуждением (б), многолучевой ФАР (в), квазиоптических ФАР - проходного (г) и отражательного (д) типов: В - возбуждающий фидер; И - излучатели; ПН - поглощающая ; Л - диаграмма направленности (луч); B1 - B4 входы ФАР; ДС - диаграммообразующая схема; ОИ - основные излучатели; ВИ - вспомогательные излучатели; СИ - совмещенные излучатели; О - облучатель; От - ; j - фазовращатель; пунктиром изображена электромагнитная с плоским фазовым фронтом, излучаемая ФАР, штрих-пунктиром - со сферическим фазовым фронтом, излучаемая облучателем.
Рис. 2. Примеры фазированных антенных решёток с электромеханическим (а), частотным (б) и электрическим (в) сканированием: Щ, - щелевые излучатели; В - возбуждающий волновод; Н - продольная пластина (нож) с управляемой глубиной погружения в волновод (служит для изменения фазовой скорости в волноводе); Д - дроссельные канавки; Р - рупоры; СВ - спиральный волновод; ДА - диэлектрические стержневые антенны; Ф - ферритовый стержень фазовращателя; ВВ - возбуждающие волноводы; О - управляющая обмотка фазовращателя; Ш - диэлектрическая .
Рис. 4. Структурные схемы некоторых активных фазированных антенных решёток - передающей (а), приёмной с фазированием в цепях гетеродина (б) и приёмной с фазированием в трактах промежуточной частоты (в): И - излучатель; УМ - мощности; В - возбудитель; С - ; Г - гетеродин; УПЧ - усилитель промежуточной частоты; СУ - суммирующее устройство; j - фазовращатель.
Рис. 1. Структурные схемы некоторых фазированных антенных решеток (ФАР) - линейной эквидистантной с симметричными вибраторами и общим зеркалом (а); линейной неэквидистантной с полноповоротными зеркальными параболическими антеннами (б); плоской с прямоугольным расположением рупорных излучателей (в); плоской с гексагональным расположением диэлектрических стержневых излучателей (г); конформной с щелевыми излучателями (д); сферической со спиральными излучателями (е); системы плоских фазированных антенных решеток (ж); В - вибраторы; Ф - линии возбуждения (фидеры); З - токопроводящее (); А - зеркальные антенны; Р - рупоры; ВР - возбуждающие радиоволны; Э - металлический экран; Щ - щелевые излучатели; К - коническая ФАР; Ц - цилиндрическая ФАР; С - спиральные излучатели; СЭ - сферический ; П - плоские фазированные антенные решетки (точками обозначены излучатели); L0 - между В; l1, l 2, l3 - расстояния между А.
