www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи радіолокації

Фазована антенна решітка

Рисунок 1. Ліворуч: два елементи антени, які живляться з однаковою фазою; праворуч: два елементи антени, які живляться з фазовим зсувом

Рисунок 1. Ліворуч: два елементи антени, які живляться з однаковою фазою; праворуч: два елементи антени, які живляться з фазовим зсувом

Фазована антенна решітка

Фазована (іноді зустрічається термін «пофазована») антенна решітка складається з певної кількості випромінювальних елементів, кожен з яких має свій фазообертач. Промінь формується шляхом зсуву фази сигналу, що випромінюється кожним випромінювальним елементом, так, щоби виникала їх інтерференція в фазі / протифазі для повороту променю у потрібному напрямку. На Рисунку 1 (ліворуч) показані два випромінювальних елементи, які збуджуються хвилями з однаковою фазою. Сигнал в основному напрямку підсилюється за рахунок інтерференції хвиль у фазі. Гострота променю покращується за рахунок інтерференції в протфазі.

На Рисунку 1 (праворуч) сигнал, що випромінюється верхнім випромінювальним елементом, відстає по фазі на 22 градуси від сигналу, що випромінюється нижнім елементом. Через це основний напрямок випромінення сумарного сигналу дещо піднімається вгору.

Рисунок 2. Анімація електронного відхилення променю

(Натисніть для збільшення: 591·723 пiксель = 468 кiлобайт)

Рисунок 2. Анімація електронного відхилення променю, (див. також: mlago.dev)

(Зверніть увагу: в прикладі, показаному на цьому рисунку, випромінювальні елементи використовуються без рефлектора. Тому задня пелюстка діаграми направленості цієї антени така ж велика, як і основна пелюстка.)

Основний промінь завжди направлений в сторону збільшення фазового зсуву. Таким чином, якщо випромінюваний сигнал проходить через електронний фазообертач, який забезпечує неперервний зсув його фази, то кутове положення променю буде регулюватися електронним способом. Однак, таке регулювання має межі. Найбільше значення, яке може бути досягнуто для поля зору (англ. Field of View, FOV) плоскої фазованої антенної решітки, складає 120º (60º в одну сторону і 60º в іншу). Необхідний зсув фази може бути розрахований за допомогою теореми синусів.

На Рисунку 2 графічно зображена решітка випромінювальних елементів. В якості таких можуть використовуватися антени будь-яких конструкцій. Для фазованої антенної решітки основне значення має те, що окремі випромінювальні елементи керуються регулярним фазовим зсувом, що призводить до змінення напрямку променю антени. Наприклад, антена радіолокатора AN/FPS-117 складається з 1584 випромінювальних елементів та має аналогову архітектуру діаграмоутворення. В більш складних радіолокаторах використовується технологія цифрового діаграмоутворення.

Переваги:
  • високий коефіцієнт підсилювання антени та низький рівень бічних пелюсток;
  • можливість переводу променю з однієї цілі на іншу протягом кількох мікросекунд;
  • можливість швидкого формування та змінення променю під керуванням комп’ютера;
  • довільне чергування режимів огляду та супроводження;
  • довільне змінення часу опромінення цілі;
  • багатофункціональна робота за рахунок формування кількох променів одночасно;
  • вихід з ладу одиночних елементів погіршує характеристики антени, але в цілому система залишається працездатною.
Недоліки:
  • область сканування обмежена 120º-ним сектором по азимуту і куту місця;[1]
  • змінення форми променю при відхиленні від осьового напрямку;
  • залежність параметрів діаграми направленості від частоти;
  • дуже складна структура (процесор, фазообертачі);
  • висока вартість (на теперішній час).

Примітки:

  1. Обмеження простору сканування можна усунути за допомогою тривимірного розподілу випромінювачів.
    Таке розташування випромінювачів отримало назву антена вороняче гніздо.
  2. Надихнувшись цією анімацією, Артур Моралес, інженер компанії Embraer, розробив демонстраційну програму: mlago.dev

Можливі конфігурації

Лінійні решітки

Рисунок 3. Лінійна фазована антенна решітка

Рисунок 3. Лінійна фазована антенна решітка

Такі антени складаються з ліній, елементи яких живляться від спільного фазообертача. Декілька розміщених одна над одною антен утворюють плоску решітку.

Фазовані антенні решітки такого типу, в основному, використовуються у випадках, коли потрібно відхилення променю тільки в одній площині, оскільки в іншій площині виконується обертання всієї антени (AN/FPS-117).

Рисунок 4. Плоска фазована антенна решітка

Рисунок 4. Плоска фазована антенна решітка

Плоскі решітки

Такі антени повністю складаються з окремих випромінювальних елементів, кожен з яких має свій фазообертач. Елементи розташовуються у вигляді матриці. Розташування всіх елементів на площині формує повну фазовану антенну решітку.

Рисунок 5. Решітка з частотним скануванням

Рисунок 5. Решітка з частотним скануванням

Решітки з частотним скануванням

Решітка з частотним скануванням являє собою особливий вид фазованої антенної решітки, в якій керування основним променем виконується шляхом перестроювання частоти збудника. Напрямок променю є функцією частоти випромінюваного сигналу. Антени такого типу називають антенними решітками з частотним скануванням. Звичайна конструкція передбачає живлення різних випромінювальних елементів від одного складеного хвилеводу. Антенна решітка з частотним скануванням являє собою спеціальний випадок фазованої антенної решітки з послідовним живленням. Її побудова заснована на властивостях розповсюдження конкретної хвилі у хвилеводі. Різниця фаз між двома випромінювальними елементами складає n·360º на нормальній частоті. У разі змінення частоти кут Θs між віссю променю та нормаллю до антенної решітки змінюється. За допомогою такої антени можливо виконати сканування у вертикальній площині для визначення висоти цілі. Для цього застосовується така методика.

Якщо частота випромінення радіолокатора збільшується, то промінь рухається вгору. Якщо частота випромінювання зменшується, то промінь рухається вниз. Таким чином, при зміненні частоти промінь антени здійснює сканування по куту місця. Радіолокатор сконструйовано таким чином, що він запам’ятовує функцію змінення частоти і після приймання перетворює сигнали відлуння в дані тривимірного зображення.

Слід відмітити, що частотне сканування знижує значимість використання змінення частоти як способу досягнення інших корисних ефектів (наприклад, переваг стискання імпульсів).

Системи живлення

Розрахунок фазового зсуву

Різниця фаз Δφ між двома сусідніми елементами є постійним і називається фазовим зсувом. Якої величини має бути фазовий зсув для того, щоби добитися переміщення променю на певний кут?

Далі розглядається лінійне розташування ізотропних випромінювальних елементів.

основний напрямок
фазообертачі

Рисунок 6. До отримання розрахункової формули

основний напрямок
фазообертачі

Рисунок 6. До отримання розрахункової формули

x = d · sin ΘS

(1)

(2)

  • Δφ – зсув фази між двома сусідніми елементами
  • d – відстань між випромінювальними елементами
  • Θs – кут повороту променю

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

(3)

Вихідні дані для розрахунку (Рисунок 6):

  • радіолокатор працює на довжині хвилі λ=10 см.
  • відстань між випромінювальними елементами 15 см.
  • можливо знехтувати значеннями різниці часу розповсюдження у фідері;
  • кут повороту променю має Θs= 40°.
Задача:
  • яке значення фазового зсуву повинен мати фазообертач № 8 (с лівого боку) для отримання такого кута повороту?

Починаємо розрахунок фазового зсуву.
З причини використання тригонометричної функції без калькулятора не обійтися: Δφ =(360°·15 cm/10 cm)·sin(40°) = 347.1°.

Це означає, що випромінювальний елемент № 8 повинен мати значення фазового зсуву φ = 7 · 347.1 = 2429.7°.
 
Оскільки синусоїдальна функція є періодичною, то фазовий зсув n·360º – це те ж саме що 0º. Тому ми можемо відняти кількість повних циклів 360º, що укладаються в отриманому значенні фазового зсуву. Таким чином, для фазообертача № 8 фазовий зсув прийме значення φ= 269,7º. Частина цього фазового зсуву реалізується за рахунок затримки ще під час розповсюдження у фідері.