ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯРЕШЁТКА

ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЁТКА (ФАР), фазированная решётка, антенная решётка с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирова-ние) позволяет: формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (напр., остронаправленную ДН - луч); изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование - качание луча (см., напр., Сканирование в радиолокации); управлять в определённых пределах формой ДН - изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т. п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отд. излучателей). Эти и нек-рые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР совр. средства автоматики и ЭВМ обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т. д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов (иногда 104 и более), входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиац. и космич. радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.

Структура ФАР. Формы, размеры и конструкции совр. ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения (рис. 1). Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричн. и несиммет-ричн. вибраторы, часто с одним или неск. рефлекторами (напр., в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов; щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрич. стержневые, ло-гопериодические и др. антенны. Иногда большие по размерам ФАР составляют из отд. малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении осн. луча всей ФАР. В ряде случаев, напр. когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механич. поворотом (напр., т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР.

В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов: вдоль линии (прямой или дуги); по поверхности (напр., плоской - в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической) или в заданном объёме (объёмные ФАР). Иногда форма излучающей поверхности ФАР - раскрыва (см. Излучение и приём радиоволн), определяется конфигурацией объекта, на к-ром устанавливается ФАР (напр., формой ИСЗ). ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда наз. конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к рас-крыву (как в синфазной антенне) до направления вдоль раскрыва (как в бегущей волны антенне). Коэфф. направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах - вплоть до 4я стер) без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (напр., сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. Сканирование в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фaзирования.

По характеру распределения излучателей в раскрыве различают эквидистантные и неэквидистантные ФАР Вэквидистантных ФАР расстояния между соседними элементами одинаковы по всему раскрыву. В плоских эквидистантных ФАР излучатели чаще всего располагают в узлах прямоугольной решётки (прямоугольное расположение) или в узлах треугольной сетки (гексагональное расположение). Расстояния между излучателями в эквидистантных ФАР обычно выбирают достаточно малыми (часто меньше рабочей длины волны), что позволяет формировать в секторе сканирования ДН с одним гл. лепестком (без побочных дифракционных максимумов - т. н. паразитных лучей) и низким уровнем боковых лепестков; однако для формирования узкого луча (т. е. в ФАР с большим раскрывом) необходимо использовать большое число элементов. В неэквидистантных ФАР элементы располагают на неодинаковых расстояниях друг от друга (расстояние может быть напр., случайной величиной). В таких ФАР даже при больших расстояниях между соседними излучателями можно избежать образования паразитных лучей и получать ДН с одним гл. лепестком Это позволяет в случае больших раскрывов сформировать очень узкий луч при сравнительно небольшом числе элементов; однако такие неэквидистантные ФАР большим раскрывом при малом числе излучателей имеют более высокий уровень боковых лепестков и, соответственно, более низкий КНД, чем ФАР с большим числом элементов. В неэквидистантных ФАР с малыми расстояниями между излучателями при равных мощностях волн, излучаемых отд. элементами, можно получать (в результате неравномерного распределения плотности излучения в раскрыве антенны) ДН с более низким уровнем боковых лепестков чем в эквидистантных ФАР с таким же раскрывом и таким же числом элементов.

Управление фазовыми сдвигами. По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР с электромеханическим сканированием осуществляемым, напр., посредством изменения геометрич. формы возбуждающего радиоволновода (рис. 2,а); частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, напр. за счёт длины фидера между соседними излучателями (рис. 2,б) или дисперсии волн в радиоволноводе; с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей, управляемых электрич сигналами (рис. 2,в) . с плавным (непрерывным) или ступенчатым (дискретным) изменением фазовых сдвигов Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрич. сканированием Они обеспечивают создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значит. скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в совр. ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка мксек и потерями мощности ~20%). Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, к-рая в простейших случаях управляет группами элементов (напр., строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей) а в наиболее сложных - каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всего радиоустройства, в к-рое входит ФАР.

Особенности построения ФАР. Возбуждение излучателей ФАР (рис 3) производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в т. н квазиоптических ФАР). Фидерные тракты возбуждения наряду с фазовра-щателями иногда содержат сложные электрич. устройства (т. н. диаграммооб-разующие схемы), обеспечивающие возбуждение всех излучателей от неск входов, что позволяет создать в пространстве соответствующие этим входам одновременно сканирующие лучи (в многолучевых ФАР). Квазиоптич ФАР в основном бывают двух типов: проходные (линзовые), в к-рых фазовращатели и осн. излучатели возбуждаются (при помощи вспомогат. излучателей) волнами, распространяющимися от общего облучателя, и отражательные- основной и вспомогат. излучатели совмещены, а на выходах фазовращателей установлены отражатели Многолучевые квазиоптич. ФАР содержат неск. облучателей, каждому из к-рых соответствует свой луч в пространстве Иногда в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы). Рассмотренные выше ФАР иногда называются пассивными.

Рис. 3. Типовые схемы возбуждения фазированных антенных решёток (ФАР) с последовательным возбуждением (а), параллельным возбуждением (б), многолучевой ФАР (в), квазиоптиче-ских ФАР - проходного (г) и отражательного (д) типов: В - возбуждающий фидер; И - излучатели; ПН - поглощающая нагрузка; Л - диаграмма направленности (луч); В14-входы ФАР; ДС- диграм Наибольшими возможностями управления характеристиками обладают активные ФАР, в к-рых к каждому излучателю или модулю подключён управляемый по фазе (иногда и по амплитуде) передатчик или приёмник (рис. 4). Управление фазой в активных ФАР может производиться в трактах промежуточной частоты либо в цепях возбуждения когерентных передатчиков, гетеродинов приёмников и т. п. Таким образом, в активных ФАР фазовращатели могут работать в диапазонах волн, отличных от частотного диапазона антенны; потери в фазо-вращателях в ряде случаев непосредственно не влияют на уровень осн. сигнала. Передающие активные ФАР позволяют осуществить сложение в пространстве мощностей когерентных электромагнитных волн, генерируемых отд. передатчиками. В приёмных активных ФАР совместная обработка сигналов, принятых отд. элементами, позволяет получать более полную информацию об источниках излучения.

В результате непосредственного взаимодействия излучателей между собой характеристики ФАР (согласование излучателей с возбуждающими фидерами, КНД и др.) при качании луча изменяются. Для борьбы с вредными последствиями взаимного влияния излучателей в ФАР иногда применяют спец. методы компенсации взаимной связи между элементами .

Перспективы развития ФАР. К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР относятся: 1) широкое внедрение в радио-технич. 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 т. ч. неэквидистантных ФАР с остронаправленными антеннами, расположенными в пределах целого полушария Земли (глобальный радиотелескоп); 3) дальнейшая разработка методов и технич. 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 автоматич. фази-рования элементов (самофазирующиеся ФАР) и изменения формы ДН, напр. понижения уровня боковых лепестков в направлениях на источники помех (адаптивные ФАР); 6) разработка методов управления независимым движением отд. лучей в многолучевых ФАР. Лит.: Вендик О. Г., Антенны с немеханическим движением луча, М., 1965; Сканирующие антенные системы СВЧ, пер. с англ., т. 1 - 3, М., 1966 - 71.

М. Б. Заксон.




Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»

ФАЗЛУЛ ХАК →← ФАЗИ

T: 173