1 Структура ФАР.
Форми, розміри і конструкції сучасних ФАР вельми різноманітні; їх різноманітність визначається як типом використовуваних випромінювачів, так і характером їх розташування.
Залежно від необхідної форми діаграми спрямованості і необхідного просторового сектора сканування в ФАР застосовують різне взаємне розташування елементів:
- уздовж лінії (прямої або дуги);
- по поверхні (наприклад, плоскою # 150; в так званих, плоских ФАР; циліндричної; сферичної) або в заданому обсязі (об'ємні ФАР).
Іноді форма випромінюючої поверхні ФАР # 150; розкриваючи визначається конфігурацією об'єкта, на якому встановлюється ФАР. ФАР з формою розкриття, подібній формі об'єкта, іноді називаються конформними. Широко поширені плоскі ФАР; в них промінь може сканувати від напрямку нормалі до розкриву до напрямків вздовж розкриття. Коефіцієнт спрямованої дії плоскої ФАР при відхиленні променя від нормалі до розкриву зменшується. Для забезпечення широкого кута сканування в великих просторових кутах # 150; аж до 4 (стер) без помітного зниження коефіцієнта спрямованої дії використовують ФАР з неплоским (наприклад, сферичним) розкривом або системи плоских ФАР, орієнтованих в різних напрямках. Сканування в цих системах здійснюється за допомогою порушення відповідно орієнтованих випромінювачів і їх фазирования.
За характером розподілу випромінювачів в розкриві розрізняють еквідистантно і нееквідістантние ФАР. У еквідистантних ФАР відстані між сусідніми елементами однакові по всьому розкриву. У плоских еквідистантних ФАР випромінювачі найчастіше розташовують у вузлах прямокутної решітки (прямокутне розташування) або в вузлах трикутної сітки (гексагональних розташування). Відстані між випромінювачами в еквідистантних ФАР зазвичай вибирають досить малими (часто менше робочої довжини хвилі), що дозволяє формувати в секторі сканування діаграму спрямованості з одним головним пелюсткою, без побічних дифракційних максимумів # 150; так званих, паразитних променів і низьким рівнем бічних пелюсток. Однак для формування вузького променя (т. Е. В ФАР з великим розкривом) необхідно використовувати велику кількість елементів. У нееквідістантних ФАР елементи розташовують на неоднакових відстанях один від одного (відстань може бути, наприклад, випадковою величиною). У таких ФАР навіть при великих відстанях між сусідніми випромінювачами можна уникнути утворення паразитних променів і отримувати діаграму спрямованості з одним головним пелюсткою. Це дозволяє в разі великих раськривов сформувати дуже вузький промінь при порівняно невеликому числі елементів. Однак такі нееквідістантние ФАР з великим розкривом при малому числі випромінювачів мають більш високий рівень бічних пелюсток і, відповідно, нижчий коефіцієнт спрямованої дії, ніж ФАР з великим числом елементів. У нееквідістантних ФАР з малими відстанями між випромінювачами при рівних потужностях хвиль, випромінюваних окремими елементами, можна отримувати в результаті нерівномірного розподілу щільності випромінювання в розкриві антени діаграму спрямованості з більш низьким рівнем бічних пелюсток, ніж в еквідистантних ФАР з таким же розкривом і таким же числом елементів .
2 Управління фазовими зрушеннями.
За способом зміни фазових зрушень розрізняють наступні ФАР:
- з електромеханічним скануванням, здійснюваним, наприклад, за допомогою зміни геометричної форми збуджуючого радіохвилеводу;
- з частотним скануванням, заснованим на використанні залежності фазових зрушень від частоти, наприклад за рахунок довжини фідера між сусідніми випромінювачами або дисперсії хвиль в радіохвилеводі;
- з електричним скануванням, реалізованим за допомогою фазосдвигающих ланцюгів або фазовращателей. керованих електричними сигналами з безперервним або дискретним зміною фазових зрушень.
Найбільшими можливостями мають ФАР з електричним скануванням. Вони забезпечують створення різноманітних фазових зрушень по всьому розкриву і значну швидкість зміни цих зрушень при порівняно невеликих втратах потужності. На СВЧ в сучасних ФАР широко використовують ферритові і напівпровідникові фазовращатели з швидкодією порядку мкс і втратами потужності
20%. Управління роботою фазовращателей здійснюється за допомогою швидкодіючої електронної системи, яка в найпростіших випадках управляє групами елементів (наприклад, рядками і стовпцями в плоских ФАР з прямокутним розташуванням випромінювачів), а в найбільш складних # 150; кожним фазовращателем окремо. Хитання променя в просторі може проводитися як за наперед заданим законом, так і за програмою, що виробляється в ході роботи всього радиоустройства, в яке входить ФАР.
3 Особливості побудови ФАР.
Порушення випромінювачів ФАР проводиться або за допомогою фідерних ліній, або за допомогою вільно поширюються хвиль (в так званих квазіоптичних ФАР). Фідерні тракти порушення поряд з фазовращателямі іноді містять складні електричні пристрої (так звані діаграммообразующіе схеми), що забезпечують збудження всіх випромінювачів від декількох входів, що дозволяє створити в просторі відповідні цим входів одночасно скануючі промені (в багатопроменевих ФАР). Квазіоптичні ФАР в основному бувають двох типів: прохідні (лінзові), в яких фазовращатели і основні випромінювачі збуджуються за допомогою допоміжних випромінювачів хвилями, що поширюються від загального опромінювача, і відбивні # 150; основний і допоміжні випромінювачі суміщені, а на виходах фазовращателей встановлені відбивачі. Багатопроменеві квазіоптичні ФАР містять кілька опромінювачів, кожному з яких відповідає свій промінь в просторі. Іноді в ФАР для формування діаграми спрямованості застосовують фокусують пристрої (дзеркала, лінзи). Розглянуті вище ФАР іноді називаються пасивними.
Найбільшими можливостями управління характеристиками володіють активні ФАР, в яких до кожного випромінювача або модулю підключений керований по фазі (іноді і по амплітуді) передавач або приймач. Управління фазою в активних ФАР може проводитися в трактах проміжної частоти або в ланцюгах збудження когерентних передавачів, гетеродинов приймачів і т.п. Таким чином, в активних ФАР фазовращатели можуть працювати в діапазонах хвиль, відмінних від частотного діапазону антени; втрати в фазовращателямі в ряді випадків безпосередньо не впливають на рівень основного сигналу. Передають активні ФАР дозволяють здійснити складання в просторі потужностей когерентних електромагнітних хвиль, що генеруються окремими передавачами. У прийомних активних ФАР спільна обробка сигналів, прийнятих окремими елементами, дозволяє отримувати більш повну інформацію про джерела випромінювання.
В результаті безпосередньої взаємодії випромінювачів між собою характеристики ФАР (узгодження випромінювачів з збудливими фідерами, КНД і ін.) При хитанні променя змінюються. Для боротьби з шкідливими наслідками взаємного впливу випромінювачів в ФАР іноді застосовують спеціальні методи компенсації взаємного зв'язку між елементами.
4 Перспективи розвитку ФАР.
До найбільш важливих напрямів подальшого розвитку теорії і техніки ФАР відносяться:
1) широке впровадження в радіотехнічні пристрої ФАР з великим числом елементів, розробка елементів нових типів, зокрема для активних ФАР;
2) розвиток методів побудови ФАР з великими розмірами раськривов, в тому числі нееквідістантних ФАР з остронаправленной антенами, розташованими в межах цілого півкулі Землі (глобальний радіотелескоп);
3) подальша розробка методів і технічних засобів ослаблення шкідливих впливів взаємному зв'язку між елементами ФАР;
4) розвиток теорії синтезу і методів машинного проектування ФАР;
5) розробка теорії і впровадження в практику нових методів обробки інформації, прийнятої елементами ФАР, і використання цієї інформації для управління ФАР, зокрема для автоматичного фазирования елементів (самофазірующіеся ФАР) і зміни форми діаграми спрямованості, наприклад зниження рівня бічних пелюсток в напрямках на джерела перешкод (адаптивні ФАР);
6) розробка методів управління незалежним рухом окремих променів в багатопроменевих ФАР.
5 Застосування ФАР.
Фазовані антенні грати використовується в системах наведення, тому що вона може відслідковувати одночасно кілька цілей.
Фазовані антенні грати являє собою безліч випромінювачів (антен) з ідентичними параметрами, кожен з яких живиться через власний фазообертач. Завдяки цьому, виставляючи кожному випромінювача власний фазовий зсув, можна практично миттєво змінювати діаграму спрямованості всієї системи. Це виражається в тому, що немає необхідності обертати антену для наведення на ціль. Вона сама, залишаючись нерухомою, знайде мета і буде супроводжувати її. Оскільки діаграма спрямованості ФАР змінюється практично миттєво, то стає можливим супроводжувати одночасно кілька цілей.
Вперше фазовані антенні решітки були застосовані на винищувачах МІГ-16. Завдяки цьому літак міг одночасно вести до 16 цілей, завдяки чому став кращим винищувачем свого часу.
Фазовані антенні решітки надзвичайно складні у виконанні. Якість системи безпосередньо залежить від якості виконання випромінювачів. Необхідно отримати максимально ідентичні параметри у всіх випромінювачів, а це дуже важко технологічно. Внаслідок цього ФАР до сих пір залишаються найдорожчими, але найефективнішими в системах наведення, антенами. У перспективі, при здешевленні виробництва ФАР, вони знайдуть застосування і в не військові областях діяльності людини. Наприклад, в наших будинках. ФАР - ця наступний щабель розвитку прийомних антен супутникового телебачення. Таку антену не треба направляти на супутник, її можна розміщувати і під значним кутом до джерела сигналу. Антена самостійно виявить всі питання, що цікавлять супутники, запам'ятає напрямки на них і зможе між ними перемикатися. Користувач навіть не помітить момент перемикання між супутниками. Так само буде усунена проблема вібрацій прийомної антени. В даний час, сильний вітер може відхилити параболічну антену в бік. Через це станеться погіршення якості телевізійного зображення, або повна втрата сигналу. Фазовані антенні грати самостійно виявить зміщення джерела сигналу і підкоригує свою діаграму спрямованості. В результаті чого погіршення якості сигналу не відбудеться.
Корабель проекту 11356 "Talvar".
Багатофункціональна РЛС "Дон-2Н" # 150; Моноімпульсна багатофункціональна радіолокаційна станція сантиметрового діапазону з крупномодульних фазованими антенними гратами.
ФАР «еполети» може бути використана для різних застосувань в якості мініатюрної антеною системи з електронним управлінням променем (основні параметри: зона сканування # 150; ± 45 . маса # 150; 5 кг, енергоспоживання # 150; 15 Вт, час установки променя # 150; 2 мкс).
6 Розрахунок характеристик прямокутної ФАР з прямокутною сіткою прямокутних хвилеводів, збудження яких синфазное рівномірний.
Нехай є m = 12 рядів симетричних хвилеводів. Кожен ряд складається з n = 36 симетричних хвилеводів. Відстань між центрами сусідніх волноводов одно; відстань між сусідніми рядами волноводов одно. Довжина хвилі
Діаграма спрямованості кожного хвилеводу визначається за формулою:
Діаграма спрямованості всієї системи визначається за такою формою:
Нормована діаграма спрямованості має вигляд:
Розглянемо перетин діаграми спрямованості в площині. тоді
У логарифмічному масштабі ця діаграма спрямованості має вигляд:
Розглянемо перетин діаграми спрямованості в площині. тоді
У логарифмічному масштабі ця діаграма спрямованості має вигляд:
Розглянемо перетин діаграми спрямованості в площині. тоді
У логарифмічному масштабі ця діаграма спрямованості має вигляд:
Розглянемо перетин діаграми спрямованості в площині. тоді
У логарифмічному масштабі ця діаграма спрямованості має вигляд:
Розрахуємо ширину головного променя діаграми спрямованості для
Розрахуємо ширину головного променя діаграми спрямованості для
Обчислимо число бічних пелюсток при
Обчислимо число бічних пелюсток при
Розглянемо програму, що сканує Фазовані антенні грати з в площині.
Висновок.
У даній роботі нами були розраховані характеристики прямокутної ФАР з прямокутною сіткою прямокутних хвилеводів, збудження яких синфазное рівномірний, а також побудовані діаграми спрямованості цієї ФАР.