Фазовращатели фазированных антенных решеток
Основные особенности фазовращателей фазированных антенных решеток, управляющих фазой электромагнитной волны в излучателях. Характеристика видов фазовращателей: механические, полупроводниковые, ферритовые. Рассмотрение особенностей технологии MMIC.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 26.12.2012 |
| Размер файла | 220,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
фазовращатель фазированный антенный решетка
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. О.П. Орова (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. 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:
выбор числа излучателей и конфигурации их размещения;
разработка фазовращателей, управляющих фазой электромагнитной волны в излучателях.
Классификация фазовращателей
Особенно большую роль играют фазовращатели в фазированных антенных решетках, где применяется большое число антенных элементов, соотношение фаз между которыми должно либо сохраняться неизменным, либо в процессе работы изменяться по определенному закону.
Имеются фазовращатели различных типов: механические, полупроводниковые, ферритовые.
В механических фазовращателях для изменения фазы колебаний между двумя неподвижными сечениями линии передачи последовательно включается секция, например, «тромбонного» типа (подковообразной формы), длина которой механически изменяется с помощью скользящих контактов.
В другом варианте механического фазовращателя для волновода изменение фазы достигается, например, механическим погружением диэлектрической пластины параллельно силовым линиям электрического поля Е в прямоугольный волновод через неизлучающую щель в середине широкой стенки. Это приводит к замедлению электромагнитной волны и увеличению запаздывания на выходе фазовращателя. Недостатком механических фазовращателей является невозможность изменения фазы с большой скоростью.
В фазовращателях на полупроводниковых диодах этот недостаток отсутствует. К их достоинствам относятся малые габаритные размеры и масса, большая скорость и простота управления. Полупроводниковые фазовращатели изготавливают в волноводном, полосковом и микрополосковом исполнении.
В полупроводниковых фазовращателях СВЧ используются главным образом коммутационные p-i-n диоды. Кроме них в управляющих устройствах CBЧ применяются также коммутационные р-п диоды, в том числе и варикапы Однако p-i-n диоды по сравнению с р-п диодами позволяют пропускать значительно большие мощности СВЧ, вплоть до сотен киловатт в импульсе (или среднюю мощность в сотни ватт).
Рисунок 1 - Диод типа p-i-n и его эквивалентные схемы.
Диоды p-i-n (в отличие от диодов р-п) кроме слоев p и n содержат высокоомную область i, расположенную между слоями р и п (рисунок 1). Область i называют базой диода. Торцевые поверхности диода (диаметром около 1 мм) прилегающие к слоям р и п, металлизируют и используют в качестве выводов При отрицательном напряжении на диоде он оказывается запертым и его эквивалентная схема (рисунок 1) имеет вид большого активного сопротивления R_ (несколько килоом), шунтированного малой емкостью С диода (десятые доли пикофарады). При подаче на диод положительного управляющего напряжения (порядка 1 ... 2 В) его сопротивление резко уменьшается (в сотни раз) и может быть эквивалентно представлено малым активным сопротивлением R+ (рисунок 1). Возможная схема изменения фазы высокочастотного колебания на выхода линии передачи показана на рисунок 2. Здесь в основную линию передачи с волновым сопротивлением Zв последовательно включен отрезок линии передачи с электрической длиной l и волновым сопротивлением Zт; по концам линии включены шунтирующие проводимости G1 и G2. Подбором значений G1, G2, l и Zт можно обеспечить требуемое изменение фазы высокочастотного колебания на выходе линии и согласование промежуточного отрезка линии с основной линией передачи.
Рисунок 2 - Схема линии передачи с проходными фазовращателями.
В качестве изменяющихся проводимостей G1 и G2 можно использовать отражательные фазовращатели. Такой фазовращатель (рисунок 3) представляет собой отрезок линии передачи, шунтированный в ряде сечений коммутационными элементами, например, в виде описанных выше p-i-n диодов. При подаче на один из диодов напряжения питания можно уменьшить его сопротивление до малой величины и замкнуть накоротко линию в данном сечении. Остальные коммутационные элементы имеют (при отсутствии питания) высокие сопротивления и не оказывают заметного влияния на линию. При переключении коммутационных элементов изменяется положение плоскости короткого замыкания в линии передачи и соответственно ее входная G1 или G2.
Рисунок 3 - Отражательный фазовращатель в виде отрезка линии передачи, шунтированного в ряде сечений коммутационными элементами.
В технике СВЧ широко применяются ферритовые фазовращатели. Феррит представляет собой химическое соединение окиси железа (Fe2O3) с окисью таких металлов, как никель, марганец и др. По своему внешнему виду ферритовые стержни напоминают керамику, а по электрическим свойствам являются полупроводниками, приближающимися к диэлектрикам. Большое удельное сопротивление ферритов (106... 108 Омсм), в отличие от других ферромагнитных материалов, обусловило возможность применения их в диапазоне СВЧ. Диэлектрическая проницаемость ферритов на СВЧ колеблется в пределах 5...15, а магнитная при отсутствии подмагничивания близка к единице.
Особо интересные свойства приобретает феррит под воздействием постоянного магнитного поля и высокочастотных колебаний. В этих условиях магнитная проницаемость феррита начинает зависеть сложным образом от постоянного магнитного поля, причем эта зависимость для высокочастотных полей круговой поляризации разного направления вращения получается различной.
Эти особые свойства ферритов позволяют конструировать в диапазоне СВЧ ряд технических устройств. К ним относятся волноводные циркуляторы, т. е. устройства в виде ряда каналов, характеризующиеся тем, что электромагнитные волны распространяются из одного канала в другой только в определенной последовательности. В частности, циркулятор может быть превращен в вентиль, служащий, например, для развязки генератора от нагрузки. Ограничимся описанием лишь ферритовых фазовращателей.
Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с продольным намагничиванием
По оси волновода расположен ферритовый стержень, круглого или прямоугольного сечения. Управляющее магнитное поле направлено продольно и создается соленоидом, намотанным снаружи непосредственно на волноводе. Изменением управляющего магнитного поля можно менять магнитную проницаемость феррита и соответственно скорость распространения и длину волны высокочастотных колебаний внутри волновода, а следовательно, и фазу поля за ферритовым стержнем. Достоинством такого фазовращателя является его простота и возможность регулировки фазы в широких пределах (0...3600) при небольшом ослаблении мощности колебаний СВЧ (0,5... 1,0 дБ).
Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с поперечным полем подмагничивания
Ферритовая пластина прямоугольного поперечного сечения размещается параллельно узкой стенке между ней и серединой волновода (приблизительно на расстоянии а/4 от узкой стенки, где а *-- размер широкой стороны волновода). Полюса магнита N и S устанавливаются по обе стороны пластины. В таком фазовращателе для увеличения фазового сдвига и уменьшения общей длины обычно используются две ферритовые пластины, располагаемые по обе стороны от средней плоскости волновода и соответственно намагничиваемые.
Возможен коаксиальный вариант фазовращателя, в котором феррит заполняет часть пространства между центральным проводом и экранирующим цилиндром, а поперечное магнитное поле создается магнитом, устанавливаемым снаружи отрезка коаксиальной линии.
Ферритовые фазовращатели СВЧ успешно конкурируют с фазовращателями на p-i-n диодах и позволяют управлять более высокими мощностями, но обладают несколько меньшим быстродействием.
СВЧ фазовращатель с планарными конденсаторами на основе пленок титаната стронция
Нелинейность диэлектрической проницаемости SrTiO3 при повышенных значениях постоянного электрического поля, позволяет использовать их в электрически управляемых устройствах СВЧ, было установлено, что при увеличении постоянного напряжения Ub прикладываемого к исследованным конденсаторам, до величины Ub = 400В емкость конденсаторов уменьшалась в 1,8 раза. Фазовращатель выполненный на основе планарных SrTiO3 конденсаторов продемонстрировал неперывное изменение фазы (0-55 deg) в диапазоне частот 8,6-9,0 ГГц и параметр качества 110 deg/dB
Рисунок 4 - Топология двухэлементного СВЧ фазовращателя . 1 - зазор для размещения планарного конденсатора, 2 - микрополосковая индуктивность, 3 - четверть-волновой радиальный шлейф, 4 - 10нм проволока, 5 - подложка (поликор Al2O3), 6 - контактные площадки для подачи постоянного напряжения.
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.
Фазированные антенные решетки. Перспективные программы НИОКР
Фазированные антенные решетки (ФАР) прошли долгий путь развития. Первые ФАР были созданы более 35 лет назад и с тех пор находят широкое применение в различных радиоэлектронных системах. Интерес к ним не ослабевает и сегодня. Об этом свидетельствуют не прекращающиеся поиски новых, эффективных решений, опирающихся на самые современные технологии и способных существенно расширить сферы применения ФАР.
Достижения последних десятилетий
Несомненные успехи в разработке фазированных антенных решеток (ФАР), достигнутые за последние десятилетия, обеспечили их широкое использование в различных радиоэлектронных системах. Примерами таких систем могут служить зенитно-ракетный комплекс Patriot, бортовая система дальнего обнаружения целей AEGIS, радиолокационная станция (РЛС) обнаружения артиллерийского и минометного огня TPQ-37, РЛС GPN-22 (США) и РЛС Flap Lid (Россия). Первой РЛС с фазированной антенной решеткой была станция AN/TPS-25 (США), работающая в Х-диапазоне волн (5,2-10,9 ГГц). Она и в наши дни эксплуатируется на военных и гражданских аэродромах для управления заходом летательных аппаратов на посадку. Антенна этой РЛС состоит из отражателя большого диаметра, обеспечивающего необходимый коэффициент усиления, и облучателя в виде ФАР, в состав которой входят 824 ферритовых фазовращателя. Сейчас выпускается модернизированный вариант этой станции, получивший обозначение GPN-22. В разных странах мира около 60 станций такого типа используются для управления движением военных и гражданских самолетов. Первой РЛС, в антенной решетке которой установлены твердотельные приемопередающие элементы, была станция PAVE PAWS, работающая в УВЧ-диапазоне.
ФАР этой РЛС имеет два раскрыва по 1792 приемопередающих модуля с выходной мощностью 330 Вт. Каждый модуль питает дипольный излучающий элемент. Вместе с резервными неизлучающими диполями общее число элементов в одном раскрыве ФАР составляет около 5300, а ее внешний диаметр достигает почти 31 метра. При необходимости дополнительные элементы могут повысить чувствительность РЛС на 10 дБ. Основные параметры наиболее известных систем с ФАР.
В последнее десятилетие ФАР получили широкое распространение во многих странах мира. Например, в Швеции разработана и принята на вооружение РЛС обнаружения огневых позиций противника ARTHUR, оборудованная ФАР. Станция с передатчиком на ЛБВ работает в С-диапазоне волн (3,9-6,2 ГГц). На вооружении ВВС Швеции состоит самолетная радиолокационная система дальнего обнаружения Erieye S-диапазона волн (1,55-5,2 ГГц), оснащенная твердотельной ФАР, которая размещена по обе стороны надфюзеляжного киля и включает в себя около 200 приемопередающих модулей. Самолетная радиолокационная система дальнего обнаружения, установленная на истребителе Phalcon израильского производства, содержит четыре твердотельных ФАР. Две из них размещены на крыльях самолета и две - под фюзеляжем в носовой и хвостовой частях. Каждая ФАР включает в себя около 700 приемопередающих модулей.
РЛС работает в L-диапазоне (0,39-1,55 ГГц). Твердотельной активной ФАР оборудован разработанный в Израиле радиолокатор системы обнаружения ракетных установок, действующий в L-диапазоне. Его дальность составляет несколько сотен километров. Среди последних разработок в этой области, ведущихся в странах ЕС, - многофункциональная РЛС с ФАР, предназначенная для установки на корабле. РЛС на передатчике с ЛБВ работает в С-диапазоне волн. Дальность обнаружения целей достигает 180 км. Антенная решетка вращается по азимуту со скоростью 60 об/мин. В угломестной плоскости производится фазовое управление лучом. В создании этой РЛС принимают участие фирмы Alenia (Италия) и Marconi (Великобритания). Специалистами фирмы Thomson-CSF разработана корабельная РЛС обнаружения воздушных целей Arabel. Станция работает в Х-диапазоне и имеет дальность действия около 70 км. ФАР станции вращается по азимуту со скоростью 60 об/мин.
Технология MMIC - новые перспективы
ФАР в радиолокационных станциях. Широкие перспективы для создания активных фазированных решеток открыла технология MMIC (монолитные интегральные схемы СВЧ-диапазона), которая позволяет значительно снизить стоимость производства твердотельных приемопередающих модулей. Арсенидгаллиевая основа этой технологии разработана в рамках программы DARPA. Для оснащения трех выпущенных станций THAAD было изготовлено свыше 60 тыс. модулей MMIC. При отлаженном производстве стоимость одного модуля составила менее 1000 долл. В дальнейшем планируется наладить серийное производство таких РЛС. На сегодня выпущены и приняты на вооружение три станции типа COBRA.
Большие возможности открывает технология MMIC при изготовлении ФАР для самолетных РЛС. МО США планирует оснастить активными фазированными антенными решетками бортовые РЛС 424 истребителей F-22. ФАР будет включать в себя примерно 2 тыс. элементов и приемопередающих модулей, выполненных по технологии MMIC. Этой программой предусмотрен выпуск около 1 млн. модулей. Правительство Японии намерено установить активные ФАР на истребителе FSX. Европейский консорциум немецких, французских и английских фирм ведет разработку активной ФАР с элементами, выполненными по технологии MMIC, для многофункциональной бортовой РЛС AMSAR. Шведские специалисты также разрабатывают активную ФАР с применением MMIC-технологии. Все упомянутые станции работают в Х-диапазоне волн. ФАР в спутниковых системах связи. Активные ФАР, собранные на модулях MMIC, находят применение и в спутниковых системах персональной телефонной связи. (Основные данные о модулях MMIC в спутниковых системах связи, находящихся на сегодня в процессе создания, приведены в табл.3.) Так, на каждом из 66 спутников системы Iridium установлены три антенны, направленные на Землю для панорамного обзора.
Антенна представляет собой активную ФАР L-диапазона, которая содержит примерно 100 приемопередающих модулей и коммутируемых излучающих элементов, выполненных по технологии MMIC. Общее число модулей MMIC в составе Iridium достигает почти 20 тыс. Кстати, проект Iridium -- наглядный пример конверсии военных технологий. Так, технология создания космических антенн L-диапазона заимствована из программы создания РЛС космического базирования SBR, над которой работали специалисты ВВС и ВМС США. Первоначально РЛС SBR предназначалась для контроля воздушного пространства над континентальной и морской территориями США, а также предупреждения о возможном ракетном нападении вероятного противника.
Специально для этой станции был разработан MMIC-приемопередающий модуль L-диапазона массой всего 28 г, который стал основой модуля системы Iridium. РЛС не была введена в действие из-за высокой стоимости, а также в связи с прекращением политики холодной войны. Расходы на замену SBR системой Iridium составят 3,5 млрд.долл., включая стоимость запуска спутников, наземных станций и программного обеспечения.
Антенные решетки на модулях MMIC находят применение и в высокопроизводительных (со скоростью передачи данных 1 Мбит/с) цифровых коммуникационных системах, предназначенных для связи между компьютерами и для проведения видеоконференций. Пример такой системы - низкоорбитальная спутниковая система Teledesic, в состав которой предположительно войдет 840 спутников. Одна из возможных конфигураций системы Teledesic предполагает установку на одном спутнике 60 передающих ФАР с частотой 20 ГГц и 60 приемных решеток с частотой 30 ГГц. Каждая решетка будет включать в себя примерно 400 приемопередающих модулей и излучающих элементов, изготовленных по технологии MMIC. Разработчики -- фирмы Microsoft и McCaw Cellular Communications -- планируют использовать в системе около 40 млн. таких модулей и излучающих элементов.
Специалисты Jet Propulsion Lab разрабатывают систему речевой связи, в соответствии с концепцией которой антенную решетку планируется разместить на голове пользователя. Каждая ФАР системы будет содержать около 100 модулей MMIC и излучающих элементов. Если системой, как предполагается, будет пользоваться примерно 1 млрд. абонентов, то для ее реализации потребуется не менее 100 млрд. модулей.
НИОКР в области фазированных антенных решеток
ФАР для управления лазерными и оптическими лучами. Разработка антенной решетки, производящей электронное сканирование оптических и лазерных лучей, велась с середины 60-х годов. Несмотря на многие трудности и даже сомнения в принципиальной возможности ее реализации, такая решетка была создана. Ее конструкция представляет собой N столбцов и N строк жидкокриталлических фазовращателей, которые соответственно разнесены с интервалом в половину световой волны. Фазовращатели выполнены на двух жидкокристаллических пластинах, на одной стороне которых нанесен прозрачный проводящий слой заземления, а на другой методом фотолитографии сформированы соответственно N вертикальных и N горизонтальных полосок из прозрачного проводящего материала. Приложив напряжение между какой-либо проводящей полоской и заземляющим слоем, можно изменять значение диэлектрической постоянной жидкокристаллического фазовращателя, что, в свою очередь, изменяет скорость распространения проходящего через него лазерного или оптического сигнала. Пластина со столбцами фазовращателей производит сканирование луча в азимутальной плоскости, а пластина со строками - в угломестной. Фазовый градиент формируется путем ступенчатого изменения напряжения, подаваемого на жидкокристаллические столбцы и строки. Благодаря матричному управлению вместо традиционного поэлементного число фазовращателей и элементов управления снижено с N2 до 2N.
Сегнетоэлектрическая антенная решетка. Специалисты научно-исследовательской лаборатории ВМС США разработали недорогую фазированную антенную решетку СВЧ-диапазона с аналогичным матричным методом управления лучом, но вместо жидкокристаллических фазовращателей использовали сегнетоэлектрические. Диэлектрические постоянные столбцов и строк фазовращателей зависят от приложенного напряжения. При ступенчатом изменении напряжения формируется фазовый градиент, необходимый для управления лучом по азимуту и углу места. Конструктивно сегнетоэлектрическая антенная решетка состоит из двух линз. Первая линза, состоящая из столбцов сегнетоэлектрических фазовращателей, производит сканирование луча по азимуту. Вторая, повернутая относительно первой на 90о и состоящая из строк фазовращателей, сканирует луч по углу места. (Базовая конфигурация таких линз показана на рис. 3.) Для правильной работы сегнетоэлектрических линз необходимо, чтобы электрическое поле было линейно поляризовано и его вектор перпендикулярен проводящим пластинам. Таким образом, для линзы, сканирующей луч в азимутальном направлении, требуется сигнал с линейной горизонтальной поляризацией, а для линзы, сканирующей луч в угломестном направлении, - с линейной вертикальной. Поворот плоскости поляризации на 90о осуществляет среда, размещенная между двумя сегнетоэлектрическими линзами.
Плазменная антенна с электронным сканированием. Специалисты научно-исследовательской лаборатории ВМС США работают также над созданием принципиально новой антенной системы, в которой электронное управление лучами осуществляется с помощью плазменного отражателя. Исследования показывают, что плазма при достаточной плотности обладает способностью отражать электромагнитную энергию. Причем чем выше частота облучения, тем большую плотность должна иметь плазма. Концепция построения плазменной антенны показана на рис.4. Плазменный слой создается в вакуумной камере при газовом разряде между анодной пластиной и линейным катодом, который представляет собой линейку элементов определенного адреса на двухкоординатной сетке катода. Изменяя положение линейного катода, можно вращать плазменный слой и тем самым сканировать отраженный луч по азимуту. Сканирование луча по углу места производят изменением наклона плазменного отражателя путем регулирования магнитного поля катушек Гельмгольца. Последние размещены вокруг отражателя так, чтобы не блокировать СВЧ-сигнал. Положением линейного катода и значением магнитной индукции управляет компьютер. Согласно расчетам, точность установки луча в заданном направлении составляет 1-2о, чего, по мнению разработчиков, вполне достаточно. Время переориентации луча - около 10 мкс, однако предварительные испытания показывают, что оно может быть еще меньше. Для образования плазменного слоя в камере достаточно поддерживать вакуум примерно 13 Па. Магнитная индукция должна составлять около 0,02 Тл, ток - порядка 2 А и напряжение - 20 кВ. В 1996 году был сформирован плазменный отражатель размерами 60х60х1 см. Уровень боковых лепестков при этом составил примерно -20 дБ. В 1997 году планировалось создать отражатель диаметром около двух метров. В числе достоинств плазменных антенн - возможность быстрой и точной установки луча, что позволяет одновременно выполнять операции поиска и сопровождения групповых целей, а также формировать разные диаграммы направленности. Кроме того, такие антенны обладают широкой полосой частот, в результате чего один и тот же плазменный отражатель можно использовать с разными облучателями
Созданная плазменная антенна имеет диапазон от 5 до 20 ГГц, который в дальнейшем предполагается расширить до 50 ГГц. В отличие от обычных отражательных антенн, которые существенно повышают эффективную площадь рассеяния локатора при облучении его средствами радиоразведки вероятного противника, этот параметр в плазменной антенне невелик. Разработчики утверждают, что тепловое излучение антенны также невелико, поскольку тепловая энергия сосредоточена внутри плазмы и не излучается наружу. Предполагается, что плазменная антенна может найти применение в бортовых и корабельных локаторах и системах радиопротиводействия.
Отражательная решетка на 100-мм полупроводниковых пластинах. Успехи технологии MMIC позволяют создавать антенные решетки, интегрированные на полупроводниковых пластинах диаметром 100 мм. Так, специалисты французской фирмы Thomson-CSF ведут разработку антенны для противоракетного комплекса, которая состоит из двух таких пластин. На одной пластине сформированы дипольные элементы и одноразрядные фазовращатели на pin-диодах, на второй - управляющие схемы. Пластины соединены между собой с помощью бугорковых контактов. Антенна, включающая около 3 тыс. элементов, формирует луч шириной 2о, который может осуществлять сканирование в секторе углов 45о. Рабочая частота антенны - 94 ГГц.
Антенна RADANT. Фирма Thomson-CSF при создании антенны RADANT, предназначенной для установки на многоцелевом боевом летательном аппарате, использовала метод сканирования лучей, аналогичный разработанному для сегнетоэлектрической решетки. В антенне RADANT сегнетоэлектрики заменены диодами, которые размещены между проводящими полосками один за другим в направлении распространения волны.
Регулируя число включенных в этом направлении диодов, можно формировать фазовый градиент и изменять угловое положение луча. Антенна содержит две диодные линзы. Линза с вертикально ориентированными полосками управляет лучом по углу места, а с горизонтально ориентированными - по азимуту. В отличие от сегнетоэлектрических линз между ними нет необходимости помещать пластину, изменяющую поляризацию волны. Хотя в антенне используется большое число диодов, ее стоимость благодаря их низкой цене невелика.
Широкополосные антенные решетки с разделением апертуры. Перспективы развития ФАР связывают с увеличением их рабочей полосы. Как полагают специалисты, одна широкополосная ФАР сможет одновременно выполнять несколько функций и работать с несколькими радиоэлектронными средствами. Специалисты Центра вооружения авиации ВМС США совместно с фирмой Texas Instruments в рамках программы создания усовершенствованной ФАР с разделением апертуры ASAP ведут разработку бортовой ФАР для истребителя-бомбардировщика. Диапазон ее частот будет постоянно охватывать полосу от С- до Ku-диапазона (3,9-17,25 ГГц). В этой полосе будут совместно работать бортовой локатор, пассивные средства радиоэлектронной поддержки, постановщик активных помех и средства связи. Для получения такой широкой полосы в антенной решетке применены щелевые трапецеидальные излучатели, которые к тому же обеспечивают горизонтальную, вертикальную и круговую поляризацию радиоволн. По технологии MMIC создан приемопередающий модуль, который может работать в полосе частот от С до Ku. Его выходная мощность 2-4 Вт, коэффициент шума 6,5-9 дБ, КПД по мощности 5,5-10%. Изготовлен опытный образец антенной решетки с 10х10 элементами, включающий восемь активных приемопередающих модулей. Предполагается, что габариты полной антенной решетки составят примерно 3,5х7,5 м. Антенные решетки такого типа позволят одновременно использовать отдельные их части для различных бортовых систем - локатора, средств радиоэлектронной поддержки, постановщика активных помех и средств связи. Размер и расположение участков решетки, используемых для каждой функции, могут изменяться в процессе работы и при необходимости накладываться друг на друга.
Антенные решетки с цифровым формированием диаграммы направленности. Метод цифрового формирования диаграммы направленности (ДН) антенной решетки давно привлекает внимание специалистов, поскольку обеспечивает адаптивное управление формой ДН, в частности формирование провалов («нулей») ДН в направлении источников радиопомех. До недавнего времени метод применялся только в станциях с невысокой частотой обновления данных, в частности в сонарных системах и загоризонтных РЛС НЧ-диапазона. Например, он используется для формирования приемной ДН в стационарной загоризонтной РЛС фирмы General Electric и в передислоцируемой загоризонтной РЛС фирмы Raytheon. Несмотря на сложные проблемы, связанные с применением метода в РЛС СВЧ-диапазона, где частота обновления данных значительно выше, определенные успехи достигнуты и в этом направлении.
Так, датская фирма Signaal применила цифровое формирование ДН в антенных системах своих трехкоординатных корабельных РЛС SMART-L и SMART-S, правда, только в режиме приема. Антенна РЛС SMART-L состоит из 24 строк излучателей.
Сигналы, принимаемые каждой строкой, преобразуются с понижением частоты. Затем они проходят импульсное сжатие с помощью схемы на ПАВ и далее поступают на 12-разрядный АЦП с тактовой частотой 20 МГц. Полученные цифровые сигналы модулируют оптическую несущую, и результирующий сигнал через вращающееся соединение световодов поступает на цифровой диаграммоформирователь, который формирует 14 приемных лучей.
Значительных успехов в разработке методов цифрового формирования ДН добились специалисты Ромской исследовательской лаборатории, выполняющие заказ DARPA. Для проведения исследований была создана антенная решетка С-диапазона, состоящая из 32 столбцов излучателей. Лучи формируются с помощью быстродействующего цифрового формирователя ДН. В его состав входят четыре процессора, которые обрабатывают сигналы по 64 каналам и формируют 4, 8, 16 или 32 независимых луча. Процессоры имеют систолическую архитектуру и обеспечивают выполнение операций умножения и сложения с высокой скоростью. Производительность одного процессора - 5.109 комплексных операций в секунду.
В лаборатории изучается применение методов цифрового диаграммоформирования для коррекции ДН элементов антенной решетки, а также формы ДН всей решетки в случае выхода из строя ее отдельных элементов. Специалисты лаборатории создали также устройство цифрового формирования на базе нейронной вычислительной сети. Экспериментальная проверка нейросетевого цифрового формирователя ДН проводилась на специально созданной 8-элементной решетке Х-диапазона. Исследования показали, что применение нейросетевых вычислителей обеспечивает адаптацию алгоритма вычисления к параметрам решетки, снимает необходимость встроенного контроля и калибровки параметров антенны. На фирме Roke Manor Research сконструирована экспериментальная 13-элементная антенная решетка, в которой цифровое формирование происходит как в режиме приема, так и в режиме передачи. Формирование в режиме передачи позволяет ориентировать «нули» ДН в направлении возможной угрозы противорадиолокационных ракет либо высокого уровня помех. Шведские специалисты предложили новый метод цифрового формирования ДН с стробированием сигнала промежуточной частоты. Метод испытан на экспериментальной решетке, работающей в диапазоне 2,8-3,3 ГГц.
Для выполнения операции цифрового формирования сигнал промежуточной частоты 19,35 МГц стробировался с частотой 25,8 МГц. Исследования показали, что такое формирование ДН компенсирует амплитудные и фазовые вариации между элементами, возникающие при работе в широком угловом секторе и в широкой полосе частот. Так, изменение коэффициента усиления в угловом секторе, происходящее из-за взаимного влияния элементов решетки, было снижено с +1 до +0,1 дБ, а изменение того же параметра в полосе частот 5 МГц - с 0,5 до 0,05 дБ.
Применение антенных решеток с цифровым формированием ДН не ограничивается стационарными станциями. Недавно были проведены летные испытания бортовой РЛС L-диапазона с цифровым диаграммо-формирователем, в состав которого входит адаптивный процессор пространственно-временной обработки сигналов STAP. ФАР, состоящая из 11 столбцов излучателей, размешалась вдоль фюзеляжа самолета. Станция обеспечивает подавление помех от 52 до 69 дБ.
Основные научно-технические результаты работ в области антенных систем с электронным управлением лучом могут быть с успехом применены не только в системах управления вооружением, но и в радиолокации широкого назначения: метеорадарах, авиационных и наземных системах наблюдения и информационного обеспечения, управления воздушным движением, связи и др. Эффективность применения наших технологий для решения этих новых задач определяется не только высокими радиотехническими и массо-габаритными характеристиками и новыми функциональными возможностями, но и низкой себестоимостью изготовления АС, обусловленной комплексом высокопроизводительных технологий и производственных процессов.
В последнее время в технической литературе распространилось мнение, что в XXI век путь будет открыт только для радаров с активными фазированными антенными решетками. Однако боевое преимущество дает электронное сканирование, а не вид решетки: пассивная или активная. И дилемма ФАР-АФАР несколько надумана. Более актуальными проблемами, на наш взгляд, являются: повышение эффективности использования в РЛС возможностей электронного управления лучом; точное формирование задач разработчикам нового поколения антенн и радаров по функциональным, эксплуатационным и стоимостным показателям на базе современной военной стратегии.
Знаний же, накопленного опыта и имеющихся в нашем распоряжении технических средств достаточно для того, чтобы выбрать наиболее рациональный и эффективный способ решения.
Научная и инженерная школа по созданию антенных систем с электронным управлением диаграммами направленности, которой располагает НИИП, уникальна как по созданным ею ранее ФАР, так и по СУВ на их основе, а также по научно-техническому потенциалу и перспективам дальнейшего развития этого направления работ. Наличие у нас творчески настроенной команды антенщиков в сочетании с их громадным опытом и высокой квалификацией разработчиков позволяют с оптимизмом оценивать возможности института в целом.
Комплексные исследования, выполняемые в институте в области антенных систем и радаров с электронным сканированием, и многолетний (более 25 лет) опыт их эксплуатации в истребительной авиации сформировали очень конкретную и рациональную линию развития, в полной мере отвечающую требованиям, предъявляемым к технике на современном театре военных действий и превосходящую альтернативные варианты российских и зарубежных фирм и по ТТХ, и по экономическим показателям.
ОКР «Разработка типового ряда перестраиваемых фильтров и высокодобротных резонаторов на основе магнитостатических волн, а также магнитоэлектрических приборов микроволнового диапазона, в т. ч. фазовращателей и циркуляторов».
Целью проекта, выполняемого в ходе проведения ОКР «Очаково», являлась разработка современных базовых технологий изготовления изделий и магнитных материалов для удовлетворения нужд отечественной радиопромышленности и расширение экспортного потенциала Российской магнитной электроники по трем направлениям:
- разработка магнитоэлектрических приборов в мм диапазоне
- фильтров и резонаторов на МСВ для антенно-фидерных трактов радиолокационных комплексов двойного применения;
- малогабаритного Т-циркулятора со средней СВЧ мощностью не менее 500 Вт;
- нового сверхмягкого ферритового материала для обеспечения высоких характеристик фазовращателей и экспериментального образца фазовращателя с мощностью управления не более 30 мВт.
Основным назначением перестраиваемых фильтров и резонаторов на МСВ является фильтрация паразитных спектральных составляющих. В настоящее время наблюдается все возрастающий интерес к использованию в устройствах СВЧ-диапазона ферритовых пленок, вместо объемных образцов. Это обусловлено следующими преимуществом устройств на МСВ: - существенное уменьшение размеров приборов, - снижение их стоимости в 4-10 раз, - повышение степени совместимости с устройствами СВЧ, имеющими планарную структуру, например, с монолитными интегральными схемами СВЧ-диапазона. В сочетании с указанными выше преимуществами приборы на МСВ имеют широкую область применения. Совершенно естественно применение перестраиваемых фильтров и резонаторов на МСВ в приемниках РЛС, особенно бортового базирования, где крайне важны массо-габаритные характеристики. Температурная стабильность параметров у фильтров на МСВ значительно хуже, чем у устройств на объемных резонаторах, что ограничивает их широкое использование в РЛС высокого разрешения и радиоизмерительной аппаратуре.
Список использованных источников
1.Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Уч. Пособие для вузов\ Д.И. Воскресенский, В.И Степаненко. М: Радиотехника, 2003. - 632с.: ил
2.http://www attachment:/1/cat.htm
3.http://www.chipfind.ru/datasheet/rf/
4.http://kunegin.narod.ru/ref3/far/images/ris2.htm
5.http://www.kit-e.ru/author.php?author_id=1013
6.http://rzia.ru/category-120-72-426.html
7.http://catalogue.roselgroup.ru/microwave%26vac/phase-shift/1/default.htm
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Структурная схема модуля приемной активных фазированных антенных решеток. Расчёт относительного уменьшения возбуждения на краю антенны. Энергетический потенциал приемной фазированных антенных решеток. Точность выставки луча. Выбор и расчет излучателя.
курсовая работа [830,4 K], добавлен 08.11.2014Параметры излучателей фазированных антенных решеток. Излучатели электромагнитных волн. Система излучателей с электрически управляемым фазовым распределением. Конструктивная схема вибраторного излучателя. Проходной бинарный и дискретный фазовращатели.
контрольная работа [625,9 K], добавлен 20.10.2012Особенности конструкции, преимущества и недостатки фазированных антенных решеток как наиболее эффективных и перспективных антенных систем. Расчет формы и линейных размеров излучающего полотна. Разработка данной антенной решетки, алгоритм расчета задания.
контрольная работа [2,6 M], добавлен 06.05.2011Типы устройств СВЧ в схемах распределительных трактов антенных решеток. Проектирование устройств СВЧ на основе метода декомпозиции. Работа с программой "Модель-С" для автоматизированного и параметрического видов синтеза многоэлементных устройств СВЧ.
контрольная работа [337,5 K], добавлен 15.10.2011Изучение различных типов устройств СВЧ, используемых в схемах распределительных трактов антенных решеток. Практические расчеты элементов автоматизированного проектирования устройств СВЧ на основе метода декомпозиции. Конструирование баз и устройств СВЧ.
контрольная работа [120,9 K], добавлен 17.10.2011Расчет вибраторных фазированных антенных решеток с расширенным углом сканирования. Общая характеристика излучателя антенной решетки. Основной способ питания излучателя. Расчеты диаграммы направленности излучателя. Расчеты амплитудного распределения.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 28.11.2010Взаимосвязь точности измерения координат цели и эффективности применения радиоэлектронной системы. Методы измерения угловых координат. Точность, разрешающая способность радиолокационных систем. Численное моделирование энергетических характеристик антенны.
дипломная работа [6,6 M], добавлен 11.06.2012Методы создания эффективных антенн. Линейная антенная решётка. Оптимальная антенна бегущей волны. Коэффициент направленного действия. Плоские антенные решетки. Входное сопротивление излучающего элемента. Особенность и применение неэквидистантных решеток.
курсовая работа [327,4 K], добавлен 14.08.2015Устройство и параметры фидерных трактов антенных систем. Понятие о режимах работы ФЛ. Назначение и требования, предъявляемые к фидерным трактам антенных систем. Режимы работы и характеристики фидерных линий. Применение направляющих систем различных типов.
презентация [277,5 K], добавлен 08.03.2011Общая характеристика и сфера применения антенных решеток. Определение параметров и конструкции симметричных вибраторных антенн, описание способов их возбуждения. Расчет коллинеарной антенной решетки с параллельным возбуждением, построение диаграмм.
курсовая работа [4,5 M], добавлен 21.03.2011
