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

Системы питания (возбуждения) для фазированных решеток

Air-borne active radar antenna

Рисунок 1. Носовой радиолокатор самолета «Торнадо»

Активная антенна

Активные фазированные антенные решетки – это антенны, в которых излучаемая мощность генерируется многими приемо-передающими модулями небольшой мощности, расположенными непосредственно в антенне. Примеры: носовой радиолокатор истребителя «Торнадо», радиолокатор противовоздушной обороны AN/FPS-117 и морской радиолокатор APAR.

Активные антенны обычно представляют собой фазированные антенные решетки, в которых, вместо одного мощного генератора или усилителя мощности, каждый излучающий элемент имеет свой небольшой усилитель непосредственно в антенне. Такая схема имеет преимущество, состоящее в том, что фазовращатели в этом случае работают с сигналами небольшой мощности.

Например, антенна, показанная на Рисунке 1, состоит из 428 активных излучающих элементов. Более глубокое описание активных антенн вы найдете в разделе «Передающие модули активных антенн».

Пассивная антенна

Пассивные фазированные антенные решетки подразделяются на:

пассивные фазированные решетки
с пространственным
возбуждением
с волноводным
возбуждением
transmission type
отражательного типа
с последовательным
возбуждением
с параллельным
возбуждением
Organigram
пассивные фазированные решетки
с пространственным
возбуждением
с волноводным
возбуждением

Волноводное возбуждение – наиболее применяемый способ питания антенн с пассивными фазированными решетками. Для волноводного возбуждения необходимы волноводные тракты, волноводные линии (коаксиальные волноводы) или полосковые линии для канализации мощности (например, радиолокатор PAR-80).

Метод пространственного (оптического, «эфирного») возбуждения применяется намного реже. В этом случае элементы антенной решетки возбуждаются падающей на них волной от первичного рупорного облучателя. Мощность передатчика принимается элементами антенной решетки, преобразуется по фазе в каждом из них и вновь излучается (например, радиолокатор зенитной ракетной системы «Patriot», радиолокатор обзора 64Н6 зенитной ракетной системы С-300П).

Рисунок 2. Фазированная решетка с последовательным возбуждением и краевым питанием

Рисунок 2. Фазированная решетка с последовательным возбуждением и краевым питанием (интерактивный рисунок)

Последовательное возбуждение

При последовательном возбуждении фазированной антенной решетки ее излучающие элементы соединяются последовательно и размещаются на все большем удалении от точки питания. Решетка с последовательным возбуждением и краевым (концевым) питанием изображена на Рисунке 2. Решетка с центральным питанием может рассматриваться как две решетки с краевым питанием. Решетки с последовательным возбуждением являются чувствительными к частоте излучения, что приводит к ограничению их полосы частот. При изменении частоты излучения фаза сигналов на входе излучающих элементов изменяется пропорционально длине питающей линии так, что фазовый фронт на апертуре поворачивается и, таким образом, луч антенны сканирует. Этот эффект является полезным для решеток с частотным сканированием, однако в остальных случаях он нежелателен. Увеличившаяся электрическая длина тракта до каждого излучающего элемента должна рассчитываться как функция от частоты и учитываться при управлении фазовращателями.

При изменении частоты фазовый сдвиг каждого фазовращателя должен пересчитываться заново (или, как это чаще делается на практике, необходимо перейти на другую таблицу фазовых сдвигов).

Рисунок 3. Параллельное возбуждение фазированной решетки

Parallel feed of phased array

Рисунок 3. Параллельное возбуждение фазированной решетки (интерактивный рисунок)

Параллельное возбуждение пассивной антенны

При параллельном возбуждении питающие линии всех излучающих элементов одинаковы, поэтому излучаемая мощность подается на них с одинаковой фазой. Частным случаем антенной решетки с параллельным возбуждением является схема типа «елочка», представленная на Рисунке 3. В данном случае излучаемая мощность покаскадно делится пополам.

Изменение частоты не влияет на величину разности фаз сигнала между излучающими элементами. Это дает преимущество, которое заключается в том, что при вычислениях величин фазовых сдвигов можно не учитывать длину питающих линий. Такое преимущество важно при скачкообразном изменении частоты, а также обеспечивает реализацию многочастотного зондирования и сжатия сигналов.

Фазированная антенная решетка с пространственным возбуждением излучающего типа
разница во времени
распространения

Рисунок 4. Пространственное возбуждение излучающего типа

The transmission type of space feeding: the primary radiator illuminates the antenna-field. This one works as a lens for the waves.
разница во времени
распространения

Рисунок 4. Пространственное возбуждение излучающего типа (интерактивный рисунок)

Пространственное (оптическое) возбуждение может рассматриваться как нечто среднее между параллельным возбуждением и последовательным возбуждением с центральным питанием. При очень большом фокусном расстоянии пространственное возбуждение приближается к параллельному возбуждению. При очень коротком фокусном расстоянии пространственное возбуждение приближается к последовательному возбуждению с центральным питанием, поскольку в таком случае расстояния от облучателя до отдельных излучающих элементов решетки существенно отличаются. В решетках излучающего типа облучатель (первичный излучатель) размещается позади решетки, которая в данном случае играет роль линзы. Таким образом, облучатель не создает затенения полотна антенной решетки.

Фазированная антенная решетка с пространственным возбуждением излучающего типа используется в радиолокаторе зенитной ракетной системы «Patriot».

Фазированная антенная решетка с пространственным возбуждением отражательного типа
плоскость
отражения

Рисунок 5. Пространственное возбуждение отражательного типа

плоскость
отражения

Рисунок 5. Пространственное возбуждение отражательного типа (интерактивный рисунок)

При пространственном возбуждении отражательного типа пространство позади антенны может использоваться для размещения модулей аппаратуры (например, модулей управления фазовращателями и источников питания). Однако при таком типе возбуждения излучатель размещается перед полотном антенной решетки, что приводит к возникновению нежелательных эффектов. Он затеняет антенную решетку именно на основном направлении ее диаграммы и, кроме того, вновь принимает переизлученную решеткой энергию. Это приводит к возникновению стоячей волны в системе питания антенны!

Этого избежать нельзя, излучатель должен находиться где-то по центру антенной решетки, поскольку в ином случае вследствие разных длин путей распространения будут возникать разные фазовые набеги волны, падающей на разные излучающие элементы.