АФАР — этап в эволюции антенных систем

Одним из ключевых элементов радиотехнической системы является антенна. Радиолокация и радиосвязь базируются на излучении и приеме электромагнитных волн с помощью антенн. Передающая антенна — устройство преобразующее переменное электрическое напряжение в цепи в электромагнитную волну или излучающее электромагнитную волну, приемная антенна — устройство преобразующее электромагнитную волну в переменное напряжение в цепи т. е. принимающее электромагнитную волну. Антенна состоит из двух основных компонентов: излучатель и фидер (цепь питания и согласования излучателя с входом приемника/передатчика). Ключевыми параметрами антенны являются: коэффициент усиления (Ку), коэффициент направленного действия (КНД), диаграмма направленности антенны (ДНА), центральная рабочая частота и ширина рабочей полосы частот.

Одиночный излучатель

В простейшем случае в антенне один излучатель, который может иметь как широкую ДНА (как правило, применяется в радиосвязи), так и узконаправленною ДНА (как правило, применяется в радиолокации). Если для связных задач ширина ДНА часто роли не играет, то в радиолокации для определения направления на отраженный сигнал в РЛС необходима узконаправленная ДНА. Для пространственного сканирования одиночным излучателем необходима механическая система, синхронизированная с приемопередатчиком РЛС. Механическое пространственное сканирование в РЛС имеет ряд недостатков: низкую надежность, высокую инертность, увеличенные габариты и массу. Несмотря на указанные недостатки, механическое пространственное сканирование до сих пор применяется во многих РЛС по всему миру т. к. имеет предельно низкую стоимость. Для этих задач применяются, как правило, рупорные и зеркальные антенны. Кроме указанных выше недостатков антенн с одиночным излучателем, есть ещё и системный недостаток. Поскольку дальность обнаружения РЛС прямо пропорциональна излучаемой мощности, разработчики стремятся максимально увеличить выходную мощность. Максимально достижимая выходная мощность при этом ограничивается электрической прочностью антенны и выходной мощностью УМ. До последнего времени большую выходную мощность в РЛС получали с помощью УМ на базе различных вакуумных приборов, которые имеют малое время наработки на отказ, т. е. требуют частой замены. На сегодня появляются твердотельные полупроводниковые усилители способные конкурировать по выходной мощности с вакуумными приборами.

Рис. 1 Структура антенны РЛС с одиночным излучателем

ФАР

Потребность в пространственном сканировании привела к появлению фазированных антенных решеток (ФАР). Принцип работы ФАР заключается в следующем, массив излучателей принимает падающую электромагнитную волну после этого сигнал с каждого излучателя проходит через фазовращатель и затем сигналы всех излучателей складываются. При определенном расположении излучателей (например, двумерный массив равномерным шагом) с помощью фазовращателей можно формировать максимумы ДНА в заданном направлении. Таким образом, ФАР обеспечивает пространственное электронное сканирование. К недостаткам ФАР можно отнести ограничение выходной мощности, унаследованное от антенн с одиночным излучателем и снижение соотношение сигнал/шум на канал из-за наличия пассивного фазовращателя. Однако, последнее компенсируется за счет суммирования нескольких каналов ФАР.

Рис. 2 Структура антенны РЛС с ФАР

АФАР

Необходимость в увеличении энергетики РЛС и в снижении соотношения сигнал/шум на канал обеспечила дальнейшую эволюцию ФАР в АФАР. Теперь в каждом канале присутствует излучатель, МШУ, фазовращатель, аттенюатор (в передающем канале МШУ заменяется на УМ). Каналы суммируются так же как и в ФАР в пассивном сумматоре. АФАР фактически не имеет ограничения по максимальной выходной мощности из-за УМ в каждом передающем канале. Приемный канал АФАР имеет большое значение коэффициента сигнал/шум благодаря наличию МШУ. Кроме этого, распределенная система усиления дает увеличение надежности, чем больше каналов, тем больше наработка на отказ системы в целом. При этом появляются недостатки: потери в сумматоре, особенно на высоких частотах, высокая стоимость и технологическая сложность производства.

Рис. 3 Структура антенны РЛС с АФАР

ЦАР

Развитие вычислительной техники дало новый импульс к эволюции антенн. Если все предыдущие поколения РЛС производили аналого-цифровое преобразование принятого сигнала на выходе антенны после сумматора, то в антенных решетках с цифровым формированием ДНА (ЦАР) это преобразование проводится в каждом канале и затем в цифровой форме цифровые потоки всех каналов взвешиваются и суммируются. Каждый канал должен иметь, если требуется, переносчик частоты (смеситель, ФНЧ), АЦП. Далее, производится комплексное взвешивание сигналов всех каналов с последующим суммированием в цифровом процессоре. На выходе антенны имеется поток данных, которые являются оцифрованным образом принятого сигнала. Если требуется одновременное формирование максимумов ДНА в нескольких направлениях, то параллельно должно производиться несколько взвешиваний и суммирований для получения нужного числа потоков данных. Достоинством данного метода является отсутствие потерь при одновременном формировании любого числа максимумов ДНА. Ключевым недостатком ЦАР является крайне высокая стоимость.

Рис. 4 Структура антенны РЛС с ЦАР