www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Фазированная антенная решетка

Рисунок 1. Слева: два элемента антенны, запитываемые с одинаковой фазой; справа: два элемента антенны, запитываемые с некоторым фазовым сдвигом

Рисунок 1. Слева: два элемента антенны, запитываемые с одинаковой фазой; справа: два элемента антенны, запитываемые с некоторым фазовым сдвигом

Фазированная антенная решетка

Фазированная антенная решетка состоит из некоторого количества излучающих элементов, каждый из которых имеет свой фазовращатель. Луч формируется путем сдвига фазы сигнала, излучаемого каждым излучающим элементом, так, чтобы возникала их интерференция в фазе/противофазе для поворота луча в желаемом направлении.
На Рисунке 1 (слева) показаны два излучающих элемента, которые запитываются волнами с одинаковой фазой. Сигнал в основном направлении усиливается за счет интерференции волн в фазе. Острота луча улучшается за счет интерференции в противофазе.

Figure 2: electronic beam-deflection,
left:Boresight, right: Deflected

(нажмите для увеличения: 591·723 пиксель = 468 килобайт)

Рисунок 2. Анимация электронного отклонения луча

На Рисунке 1 (справа) сигнал, излучаемый верхним излучающим элементом, отстает по фазе на 22 градуса от сигнала, излучаемого нижним элементом. Из-за этого основное направление излучения суммарного сигнала немного поднимается вверх.

(Обратите внимание: в примере, показанном на этом рисунке, излучающие элементы используются без рефлектора. Поэтому задний лепесток диаграммы направленности этой антенны такой же большой, как и основной лепесток.)

Основной луч всегда направлен в сторону увеличения фазового сдвига. Таким образом, если излучаемый сигнал проходит через электронный фазовращатель, обеспечивающий непрерывный сдвиг его фазы, то угловое положение луча будет регулироваться электронным способом. Однако, такое регулирование имеет пределы. Наибольшее значение, которое может быть достигнуто для поля зрения (англ. Field of View, FOV) плоской фазированной антенной решетки, составляет 120º (60º в одну сторону и 60º в другую). Необходимое смещение фазы может быть рассчитано с помощью теоремы синусов.

На Рисунке 2 графически изображена решетка излучающих элементов. В качестве таковых могут использоваться антенны любых конструкций. Для фазированной антенной решетки основное значение имеет то, что отдельные излучающие элементы управляются регулярным фазовым сдвигом, что приводит к изменению направления луча антенны. Например, антенна радиолокатора RRP-117 состоит из 1584 излучающих элементов и имеет аналоговую архитектуру диаграммообразования. В более сложных радиолокаторах используется цифровое диаграммообразование.

Преимущества:
  • высокий коэффициент усиления антенны и при этом низкий уровень боковых лепестков;
  • возможность перевода луча с одной цели на другую в течение нескольких микросекунд;
  • озможность быстрого формирования и изменения луча под управлением компьютера;
  • произвольное чередование режимов обзора и сопровождения;
  • произвольно изменяемое время облучения цели;
  • многофункциональная работа за счет формирования нескольких лучей одновременно;
  • выход из строя одиночных элементов ухудшает характеристики антенны, но в целом система остается работоспособной.
Недостатки:
  • область сканирования ограничена 120º-ным сектором по азимуту и углу места;
  • изменение формы луча при отклонении от осевого направления;
  • зависимость параметров диаграммы направленности от частоты;
  • очень сложная структура (процессор, фазовращатели);
  • все еще высокая стоимость.

Возможные конфигурации

Линейные решетки

Рисунок 3. Линейная фазированная антенная решетка

Рисунок 3. Линейная фазированная антенная решетка

Такие антенны состоят из линий, элементы которых запитываются общим фазовращателем. Несколько размещенных одна над другой антенн образуют плоскую решетку.

Фазированные антенные решетки такого типа, в основном, используются в случаях, когда требуется отклонение луча только в одной плоскости, поскольку в другой плоскости выполняется вращение всей антенны (RRP-117).

Рисунок 4. Плоская фазированная антенная решетка

Рисунок 4. Плоская фазированная антенная решетка

Плоские решетки

Такие антенны полностью состоят из отдельных излучающих элементов, каждый из которых имеет свой фазовращатель. Элементы располагаются в виде матрицы. Расположение всех элементов на плоскости формирует полную фазированную антенную решетку.

Рисунок 5. Решетка с частотным сканированием

Рисунок 5. Решетка с частотным сканированием

Решетки с частотным сканированием

Решетка с частотным сканированием представляет собой особый вид фазированной антенной решетки, в которой управление основным лучом выполняется путем перестройки частоты возбудителя. Направление луча является функцией частоты излучаемого сигнала. Антенны такого типа называют антенными решетками с частотным сканированием. Обычная конструкция предполагает питание разных излучающих элементов от одного сложенного волновода. Антенная решетка с частотным сканированием представляет собой специальный случай фазированной антенной решетки с последовательным питанием и основана на свойствах распространения конкретной волны в волноводе. Разность фаз между двумя излучающими элементами составляет n·360º на нормальной частоте. При изменении частоты угол Θs между осью луча и нормалью к антенной решетке изменяется. При помощи такой антенны возможно выполнить сканирование в вертикальной плоскости для определения высоты цели. Для этого применяется следующая методика.

Если частота излучения радиолокатора увеличивается, то луч двигается вверх. Если частота излучения уменьшается, то луч двигается вниз. Таким образом, при изменении частоты луч антенны совершает сканирование по углу места. Радиолокатор сконструирован таким образом, что он запоминает функцию изменения частоты и после приема преобразовывает эхо-сигналы в данные трехмерного изображения.

As frequency is varied, the beam axis will change, and scanning can be accomplished in elevation. The radar set is designed so that it keeps track of the frequencies as they are transmitted and then detects and converts the returned frequencies into 3D display data.

Следует отметить, что частотное сканирование снижает значимость использования изменения частоты как способа достижения других полезных эффектов (например, преимуществ сжатия импульсов).

recommendation Системы питания

Расчет фазового сдвига

Смещение фазы Δφ между двумя соседними элементами является постоянным и называется фазовым сдвигом. Какой величины должен быть фазовый сдвиг для того, чтобы добиться перемещения луча на определенный угол?

Далее рассматривается линейное расположение изотропных излучающих элементов.

основное направление
фазовращатели

Рисунок 6. К получению расчетной формулы

основное направление
фазовращатели

Рисунок 6. К получению расчетной формулы

x = d · sin ΘS

(1)

(2)

  • Δφ – сдвиг фазы между двумя соседними элементами
  • d – расстояние между излучающими элементами
  • Θs – угол поворота луча

Formel (3): Aus dem Sinussatz und dem Dreisatz wird die Formel zur Berechnung der Phasenverschiebung hergeleitet.

(3)

Исходные данные для расчета (Рисунок 6):

  • радиолокатор работает на длине волны λ=10 см.
  • расстояние между излучающими элементами 15 см.
  • мы можем пренебречь значениями разницы времен распространения в фидере;
  • угол поворота луча должен быть Θs= 40°.
Задача:
  • какой значение фазового сдвига должен иметь фазовращатель № 8 (с левой стороны) для получения такого угла поворота?

Начинаем расчет фазового сдвига.
По причине использования тригонометрической функции без калькулятора не обойтись: Δφ =(360°·15 cm/10 cm)·sin(40°) = 347.1°.

Это означает, что излучающий элемент № 8 должен иметь значение фазового сдвига φ = 7 · 347.1 = 2429.7°.
 
Поскольку синусоидальная функция является периодической, то фазовый сдвиг n·360º – это то же самое что 0º. Поэтому мы можем вычесть укладывающееся в полученном значении фазового сдвига количество полных циклов 360º. Таким образом, для фазовращателя № 8 фазовый сдвиг примет значение φ= 269,7º. Часть этого фазового сдвига реализуется за счет задержки еще при распространении в фидере.