Фазовані антенні решітки, їх типи

Фазованими антенними решітками (ФАР) називаються антенні решітки (АР), напрям максимального випромінювання (прийому) і (або) форма відповідної їй діаграми спрямованості змінюється за допомогою зміни фази радіосигналів у випромінюючих елементах.

Як випромінювачі звичайно використовуються слабонаправлені антени: вібратори, щілини, рупори, діелектричні стрижні, спіралі і т.п.

Зміна фазового розподілу (а іноді і амплітудного розподілу) здійснюється електричним способом за допомогою ЕОМ, що забезпечує високу швидкість сканування і управління формою ДНА, швидкий огляд простору і, відповідно, високий темп видачі інформації про велике число цілей.

Застосування ЕОМ дозволяє здійснити гнучке управління положенням і формою ДНА відповідно до алгоритмів, найбільш відповідних для повітряної обстановки, що складається.

Розрізняють АР з фідерним і просторовим збудженням.

Антенні решітки з фідерним збудженням підрозділяють на АР з послідовним, паралельним і змішаним збудженням.

Антенні решітки з просторовим збудженням підрозділяються на відбивні (рис.3.47,а) і прохідні (рис.3.47,б).

У активних ФАР (АФАР) разом з фазообертачами в тракт кожного випромінювача включається активний елемент, що працює як підсилювач потужності і перетворювача частоти.

Активні фазовані антенні решітки з послідовним фідерним збудженням (Рис. 3.45)

Розрізняють АР з фідерним і просторовим збудженням.

Антенні решітки з фідерним збудженням підрозділяють на АР з послідовним, паралельним і змішаним збудженням.

Послідовна схема є найпростішою і компактнішою. Необхідний амплітудний розподіл забезпечується вибором величини зв'язку направлених відгалужувачів із загальним фідером. Всі фазообертачі при включенні їх в загальний фідерний тракт (рис.3.45,а) управляються по однаковому закону, проте при цьому до них пред'являються підвищені вимоги по електричній міцності, втратам і стабільності фази.

Гідність такої схеми полягає у тому, що для зміни фазового зрушення (управління променем) потрібен лише один управляючий сигнал, що подається одночасно на все ФО. Проте втрати ФО тут підсумовуються, що може зажадати включення спеціальних компенсуючих підсилювачів.

Ці вимоги ослабляються при включенні фазообертачів в тракти випромінювачів (рис.3.45,б), але при цьому ускладнюється управління фазовим розподілом. На рис.3.45,в показана схема послідовного збудження з живленням в центрі решіток і роздільними каналами формування сумарної і різницевої ДН.

Активні фазовані антенні решітки з паралельним фідерним збудженням (Рис. 3.46)

Для збільшення широкосмугової схем розподілу потужності електричні довжини трактів від входу антени до випромінювачів повинні бути однаковими, інакше виникають фазові спотворення в розкритті антени.

Відмічену вимогу простіше виконати при паралельній схемі розподілу потужності (рис.3.46,а). У ній відсутній ефект накопичення фазових нестабільностей і можливе використовування малопотужних фазообертачів. Достоїнства паралельної схеми: вищий ККД і вищий рівень допустимого випромінювання, оскільки при N фазообертачах через кожний з них проходить тільки N-я частина загальної потужності випромінювання; велика точність сканування за рахунок того, що помилки будь-якого ФО позначаються на роботі одного елементу решіток, тоді як в послідовній схемі - і на роботі всіх подальших.

Недоліки схеми пов'язані з складністю узгодження при розподілі потужності на велике число каналів і складніше управління фазовим розподілом.

На рис.3.46,б приведена паралельна схема розподілу потужності для формування двох незалежно керованого проміння ФАР. Змішане збудження антенних решіток здійснюється поєднанням паралельного і послідовного збуджень.

 

17. Активні фазовані антенні решітки відбивні з просторовим збудженням (Рис. 3.47 а)

Антенні решітки з просторовим збудженням підрозділяються на відбивні (рис.3.47,а) і прохідні (рис.3.47,б). Обидві схеми дозволяють так само, як в дзеркальних і лінзових антенах, одержати необхідний амплітудний розподіл відповідним вибором ДН опромінювача, допускають застосування моноімпульсних опромінювачів. Проте в прохідному варіанті відсутній ефект затінювання розкриття. Відбивний варіант конструктивно більш зручний.

18. Активні фазовані антенні решітки прохідні з просторовим збудженням (Рис. 3.47 б)

Антенні решітки з просторовим збудженням підрозділяються на відбивні (рис.3.47,а) і прохідні (рис.3.47,б). Обидві схеми дозволяють так само, як в дзеркальних і лінзових антенах, одержати необхідний амплітудний розподіл відповідним вибором ДН опромінювача, допускають застосування моноімпульсних опромінювачів. Проте в прохідному варіанті відсутній ефект затінювання розкриття. Відбивний варіант конструктивно більш зручний.

 

Призначення, режими роботи, класифікація систем обертання антен (СОА)

Системи обертання антен (СОА) призначені для здійснення огляду простору в горизонтальній площині із заданими параметрами зони огляду і програмою. Ці системи забезпечують як кругове обертання антени з вузьким в горизонтальній площині променем в межах 0-360, так і програмне управління антеною в секторі, а також установку антени на заданий азимут.

Основні режими роботи СОА:

− кругове обертання з постійною заданою швидкістю;

− установка антени на заданий азимут;

− сканування в заданому азимутному секторі.

Кругове обертання з постійною швидкістю використовується в далекомірах. Вибір швидкості обертання обумовлений дискретністю інформації, умовами отримання необхідної кількості луна-сигналів в пачці і технічними умовами реалізації СОА. Можливість зміни швидкості обертання в цьому режимі дозволяє повніше використовувати можливості РЛС і РЛК по виявленню повітряних об'єктів.

Режими установки на заданий азимут і сканування в заданому азимутному секторі частіше використовується у висотомірах.

Системи обертання антен РЛС РТВ можна класифікувати по двох ознаках:

− по схемі побудови контура управління обертанням (приводу обертання);

− по типу виконавчого двигуна.

Контур приводу обертання антенних систем може бути розімкненого, замкнутого, комбінованого, стежачого і нестежачого типів.

У СОА застосовують двигуни: постійного струму; змінного струму; гідродвигуни (гідромотори).

Застосування двигунів постійного струму дозволяє забезпечити необхідний пусковий момент при меншому струмі якоря, а також технічно просту реалізацію режимів плавної і багатоступінчатої зміни швидкості обертання.

Двигуни змінного струму не вимагають перетворювачів струму, забезпечують достатню стабільність швидкості обертання в умовах змінного вітрового навантаження. У той же час використовування такого типу двигуна пред'являє жорсткі вимоги по навантаженню на електростанцію, для них достатньо складно здійснити плавну зміну швидкості обертання.

Гідродвигуни в порівнянні з електродвигунами характеризуються меншими габаритами і масою, високою надійністю, слабкою чутливістю до перевантажень, вони самі не перенавантажують мережу і дозволяють легко змінювати швидкість і параметри обертання (обертання вліво, вправо, в секторі кутів і т.д.).

 

Вимоги до систем обертання антен (СОА)

Основними вимогами, що пред'являються до систем обертання антен СОА, є:

− швидкість огляду простору в азимутній площині;

− точність визначення кутових координат;

− стійкість до зовнішніх дій;

− простота технічної реалізації;

− експлуатаційна надійність;

− габарити і маса;

− число коливань антени біля заданого положення при відробітку кута розузгодження (не повинне перевищувати двох);

− час відробітку заданого кута розузгодження (швидкодія СОА).

21. Відслідковуюча розімкнута система керування обертанням антен (рис. 6.38, 6.39)

Найпростіша схема СОА не стежачого розімкненого типу містить послідовно включені: електродвигун, редуктор і реле комутації.

СОА розімкненого типу з виконавчим двигуном постійного струму застосовується для сканування порівняно легких антен.

Двигун постійного струму через редуктор обертає антену РЛС. Регулювання швидкості обертання здійснюється шляхом зміни струму якоря двигуна, а реверс антени - зміною полярності живлення. Для підвищення точності установки швидкості обертання і висновку антени на заданий азимут підсистема управління обертанням повинна бути стежачою системою по швидкості.

Стежача розімкнена система управління обертанням. Дана схема показана на рис.6.38. Оператор, обертаючи ручку тахогенератора, виробляє напругу пропорційну швидкості обертання штурвалу. Ця напруга посилюється і поступає на виконавчий двигун, який обертає антену.

Замість тахогенератора (ТГ) можна використовувати потенціометр, за допомогою якого задається напруга пропорційна необхідної швидкості обертання антени.

Практичний приклад такої системи управління обертанням приведена на рис.6.39.

Перевагою цієї схеми є те, що не вимагається постійної дії оператора. Недоліки пов'язані з низькою точністю висновку антени на необхідний азимут, крім того, система не відстежує заданого азимута.

 

22. Відслідковуюча система керування обертанням антен замкнутого типу (рис. 6.40)

Стежача система управління обертанням замкнутого типу. Варіант побудови такої схеми представлений на рис.6.40.

Основна відмінність цієї схеми від попередніх полягає у тому, що на валу антени є ТГ, який виробляє напругу, пропорційну швидкості обертання антени. Ця напруга поступає на обмотку збудження електромашинного підсилювача (ЕМУ), де віднімається з вхідної напруги управління.

У таких системах зменшені помилки по відстежуванню заданої швидкості, збільшена реакція на зміну задаючої дії. Разом з тим, як і раніше ця система має максимально велику статичну помилку стеження (тобто взагалі не відстежує заданого азимута).

ПРИЙМАЧ + РАДІОЛОКАЦІЙНЕ ПІЗНАВАННЯ

1. Призначення та структурна схема радіоприймача РЛС. Призначення елементів (рис. 3.50)

Приймач призначений для частотно-вибіркового підсилення прийнятих ехо-сигналів і їх селекції на фоні активних шумових та імпульсних завад.

ПРЕСЕЛЕКТОР – забезпечує чутливість приймача та частотно-вибіркове підсилення прийнятих ехо-сигналів

ЗМІШУВАЧ – забезпечує перенесення сигналу на проміжну частоту

ГЕТЕРОДИН – виробляє частоти, які подаються на змішувач

ОПОРНИЙ ГЕНЕРАТОР - виробляє високостабільну частоту

АВТОМАТИЧНА ПІДСТРОЙКА ЧАСТОТИ – забезпечує стабілізацію частоти гетеродина

ОСНОВНИЙ ТРАКТ ПРИЙОМУ – забезпечує селекцію прийнятих ехо-сигналів на фоні активних шумових та імпульсних завад

ДЕТЕКТОР – забезпечує перетворення сигналу проміжної частоти до виду, який використовується кінцевим пристоєм

КІНЦЕВИЙ ПРИСТРІЙ – відображає параметри прийнятого сигналу

2. Призначення та структурна схема преселектора радіоприймача РЛС. Призначення елементів (рис. 3.51)

Преселектор призначений для забезпечення чутливості приймача та частотно-вибіркового підсилення прийнятих ехо-сигналів.

ВХІДНИЙ ЛАНЦЮГ – смуговий фільтр, який забезпечує виділення сигналів на робочій частоті та подавлення побічних каналів прийому

ПІДСИЛЮВАЧ ВИСОКОЇ ЧАСТОТИ + СМУГОВИЙ ФІЛЬТР – забезпечує первинне підсилення виділеного сигналу та подавлення побічних сигналів

ЗМІШУВАЧ – забезпечує перенесення сигналу на проміжну частоту

ГЕТЕРОДИН – виробляє частоти, які подаються на змішувач

3. Призначення та структурна схема основного тракту радіоприймача РЛС. Призначення елементів (рис. 3.52)

Основний тракт прийому призначений для забезпечення основної селекції прийнятих ехо-сигналів на фоні активних шумових та імпульсних завад, їх основного підсилення

ЗМІШУВАЧ – забезпечує перенесення сигналу на проміжну частоту

ГЕТЕРОДИН – виробляє частоти, які подаються на змішувач

СМУГОВІ ФІЛЬТРИ – забезпечують основну селекцію сигналу

ПІДСИЛЮВАЧ ПРОМІЖНОЇ ЧАСТОТИ – забезпечує основне підсилення сигналів

АВТОМАТИЧНЕ РЕГУЛЮВАННЯ ПІДСИЛЕННЯ – забезпечує швидку зміну коефіцієнта підсилення ППЧ і відповідно постійність рівня вихідного сигналу

4. Одноканальна система АПЧ, її призначення (рис. 3.60)

Система АПЧ забезпечує підтримку номінального значення проміжної частоти приймача із заданою точністю шляхом автоматичної зміни частоти генератора передавача і (або) місцевого гетеродина. Іншими словами, система АПЧ призначена для стабілізації частоти коливань простих сигналів і заданих законів зміни частоти складних сигналів.

Перетворення і виділення різницевої (проміжної) частоти виробляється змішувачем АПЧ, аналогічним змішувачу сигналів в тракті прийому. Різниця полягає лише у тому, що на змішувач сигналу в тракт прийому подається відображений сигнал і сигнал місцевого гетеродина, а на змішувач АПЧ - сигнал місцевого гетеродина і передавача у момент його роботи. Сигнал передавача подається через аттенюатор з тим, щоб зменшити його потужність до величини порівнянної з потужністю гетеродина.

Різницевий сигнал на виході змішувача посилюється допоміжним УПЧ. Смуга пропускання УПЧ повинна бути дещо більше за смугу захоплення. Безпосереднє вимірювання відходу частоти і вироблення відповідної напруги помилки, що управляється, здійснює частотний дискримінатор, який перетворить радіоімпульси різницевої частоти в управляючу напругу. Величина цієї управляючої напруги залежить від величини розладу, а полярність від знаку розладу.

 

5. Двоканальна система АПЧ, її призначення (рис. 3.61)

Двохканальна система АПЧ (автономна система АПЧ) з перемиканням об'єкту підстроювання застосовується, в РЛС, що мають внутрішньокогерентну апаратуру СРЦ, систему перебудови із значною залишковою помилкою і порівняно вузькосмуговий приймач (рис.3.61).

Режим грубої АПЧ включається при великих розладах. При цьому схема перемикання каналу не спрацьовує і напруга грубого дискримінатора поступає на виконавчий пристрій, що підстроює гетеродин.

У міру підстроювання збільшується напруга на виході резонансного підсилювача і коли ця напруга досягне певного рівня спрацьовує схема перемикання каналів, яка включить режим перехідної АПЧ на час 0,5 с.

У цьому режимі використовується сигнал точного дискримінатора, але підстроюється як і раніше гетеродин. Через 0,5 секунд автоматично включається режим точної АПЧ, при якому використовується сигнал точного дискримінатора, то підстроюється генератор СВЧ.

Втрати в тракті прийому РЛС

Сумарний коефіцієнт втрат: L = L_твч·L_лпр·L_дет·L_обр

де Lтвч - коефіцієнт втрат в тракті високої частоти;

Lлпр - коефіцієнт втрат в лінійній частині приймача (до детектора);

Lдет - коефіцієнт втрат, що вноситься детектором; Lобр - коефіцієнт втрат післядетекторної обробки сигналу.

Втрати в тракті високої частоти: L_твч = L_ант·L_ап·L_ак·L_вс·L_с·L_лп,

де Lтвч - коефіцієнт сумарних втрат в ТВЧ;

Lап - коефіцієнт втрат в антенному перемикачі;

Lак - коефіцієнт втрат у антенному комутаторі;

Lвс - коефіцієнт втрат в зчленовуванні, що обертається;

Lс - коефіцієнт втрат в з'єднувачах тракту;

Lлп - коефіцієнт втрат в лінії передачі.

Втрати за рахунок неоптимальності частотної характеристики лінійної частини приймача: L_пр = L_пр1·L_пр2·L_пр3·L_пр4

де приватні коефіцієнти втрат обумовлені наступними причинами:

Lпр1 - наявністю побічних каналів прийому;

Lпр2 - відмінністю форми АЧХ лінійної частини приймача від оптимальної;

Lпр3 - неоптимальністю ФЧХ приймача;

Lпр4 - розладом по частоті приймача і відображеного від мети сигналу.

Втрати, обумовлені наявністю побічних каналів прийому: L_пр1 = 1 + K²_увч-cм(f_з)/(k²_увч-см(f₀)·K_пзк)

Втрати, обумовлені неоптимальністю форми АЧХ: L_пр2 = (p·П_ф·t_и) / 4·Si²(p·П_ф·t_и/2)