Система управления лучом активной цифровой антенной решетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система управления лучом активной цифровой антенной решетки

Введение

Рассмотрен вариант построения передающей части широкополосной активной цифровой антенной решетки, в которой для управления зондирующим излучением используется нелинейно-дифракционный способ фазирования, не связанный с применением фазовращателей. Приводится функциональная схема цифровой антенной решетки, построенная подобно отражательной антенной решетке с пространственной схемой возбуждения.

Концепция развития современных радиотехнических систем задает высокие требования к предельным характеристикам антенных устройств, снижению их числа на борту воздушного судна, уменьшению заметности и массогабаритных характеристик. Основными направлениями повышения эффективности антенн являются: обеспечение электрического сканирования диаграммы направленности (ДН); увеличение рабочей полосы частот, коэффициентов усиления и направленного действия; уменьшение уровня боковых лепестков ДН. Перечисленные направления во многом противоречивы. Разработка многолучевых антенн и фазированных антенных решеток (ФАР) позволила существенно увеличить поток обрабатываемой информации при работе по нескольким целям, но характеристики и параметры отдельных узлов фидерного тракта, а также зависимость характеристик направленности отдельных излучателей от рабочей частоты делают данные типы антенн относительно узкополосными.

Известны следующие направления и способы построения антенных решеток с увеличенной рабочей полосой частот: размещение излучателей на выпуклой поверхности; применение плотного расположения излучателей в решетке с уменьшенным расстоянием между соседними элементами; разработка широкополосных излучателей и согласующих устройств; использование линии задержки для управления ДН антенны; применение линзовых сканирующих антенн; применение неэквидистантного расположения излучателей.

Полученные в каждом из перечисленных направлений результаты показывают, что проблемы построения широкополосных бортовых сканирующих антенн, удовлетворяющих условиям минимальности веса, занимаемой площади и объема, далеко не решены, поэтому в настоящее время в бортовых радиосистемах используют несколько различных типов антенн, каждая из которых работает в своем узком диапазоне частот. Возникает проблема размещения антенных устройств на борту современного летательного аппарата, что делает актуальной разработку широкополосной ФАР, способной одновременно выполнять все функции, требуемые для бортовых систем [1, 2].

антенный цифровой решетка

1.Особенности построения активных цифровых антенных решеток

В истории развития антенных решеток с электрическим сканированием луча на первом этапе применялись щелевые антенные решетки с возможностью электрического сканирования ДН только в одной плоскости за счет перестройки частоты. Следующим этапом стало использование для радиолокационных станций (РЛС) пассивных ФАР с одним задающим генератором и аналоговым сканированием ДН в обеих плоскостях посредством фазовращателей (ФВ) [3]. Применяемые аналоговые радиокомпоненты являются, как правило, дорогостоящими, работают в узкой полосе частот, обладают сравнительно низким быстродействием, поэтому в появившихся активных ФАР стала широко использоваться современная цифровая элементная база и технологии цифрового диаграммообразования [4].

Цифровая антенная решетка (ЦАР) представляет собой антенную систему, содержащую совокупность аналогово-цифровых каналов с общим фазовым центром, формирование ДН в которой осуществляется без использования ФВ согласно технологии цифрового диаграммообразования.

Цифровое диаграммообразование по методу дискретного преобразования Фурье может рассматриваться как аппарат первичного, грубого обнаружения целей, по результатам которого в узких пространственных секторах целесообразно использовать методы сверхрэлеевского разрешения (метод Кейпона и MUSIC), позволяющие осуществлять точную угловую пеленгацию целей, отдельно наблюдать групповые объекты и режектировать сигналы помеховых источников. При известных методах обработки сигналов эффект сверхрэлеевского разрешения по угловым координатам в зависимости от отношения сигнал/шум позволяет селектировать до десяти и более точечных объектов в пределах парциального лепестка ДН ЦАР [5, 6].

Цифровое адаптивное диаграммообразование позволяет оптимизировать уровень мощности излучения РЛС и время накопления сигнала от целей для повышения помехоустойчивости. Снижения уровня бокового излучения в ЦАР происходит путем программного формирования в вычислительном устройстве нулей ДН на краях главного и в области боковых лепестков, в то время как в традиционных РЛС для достижения того же эффекта необходимо иметь компенсационные вспомогательные антенны, применение которых при числе постановщиков активных помех свыше четырех неэффективно [7].

В зависимости от способа построения и решаемых задач различают пассивные ЦАР в виде приемных антенных решеток и активные ЦАР. В приемной ЦАР сигнал, принятый каждым каналом АР, преобразуется в цифровой код, а формирование ДН и дальнейшая обработка сигнала осуществляется в специализированном вычислительном устройстве - схеме формирования диаграммы направленности [8].

Активные ЦАР строятся либо в виде приемопередающих антенных решеток с одним общим излучающим раскрывом без использования ФВ, либо в виде антенных решеток с разнесенными (невзаимными) передающей и приемной частями, в передающей части которых для сканирования ДН используются ФВ.

Особенностью приемопередающей ЦАР является наличие аналогичных по составу приемной и передающей подсистем, использующих общее излучающее полотно. Передающая и приемная части в такой антенной решетке идентичны с точностью до замены в них аналогово-цифровых преобразователей на цифро-аналоговые при инверсии алгоритмов обработки сигналов.

Отличия присутствуют в реализации аналоговой части передающей части и связаны с необходимостью усиления сигналов по мощности, переноса их по частоте и фильтрации побочных излучений. Аналогово-цифровое или цифро-аналоговое преобразование в такой антенной решетке может быть реализовано как на промежуточной частоте, так и на несущей, в зависимости от возможностей элементной базы, определяемых, прежде всего, рабочей частотой ЦАР. При современном состоянии технологий производства стоимость электронных компонентов позволяет серийно производить приемопередающие ЦАР только в качестве сравнительно малоэлементных MIMO-антенн сотовой связи, работающих на частотах 900-1900 МГц, таких как Spotlight 2200 компании Metawave Communications, AdaptaCell Super Capacity компании AirNet Communications, IntelliCell компании ArrayCom. Перечисленные адаптивные ЦАР позволяют существенно увеличить канальную емкость и размеры зоны покрытия систем сотовой связи [5].

Из анализа вариантов построения антенных систем существующих РЛС с цифровой обработкой сигналов следует, что уровень развития радиоэлектронных компонентов и технологий в настоящее время не позволяет создать приемопередающую ЦАР с приемлемой стоимостью и массогабаритными характеристиками, в которой излучение, прием и обработка сигналов осуществлялась бы непосредственно в антенном полотне на несущей частоте.

Вариант ЦАР с разнесенными (невзаимными) передающей и приемной частями можно рассмотреть на примере антенной системы корабельной РЛС S1850М D-диапазона волн (1-2 ГГц), разработанной компаниями Signaal и Alenia Marconi Systems. На передачу в данной РЛС формируется один зондирующий луч, форма которого способна изменяться в зависимости от режимов обзора: локальная зона, большая дальность, игольчатый луч (рисунок 1). На прием в РЛС S1850М путем цифровой обработки согласно алгоритму быстрого преобразования Фурье синтезируется веер из 14 примыкающих друг к другу лучей (рисунок 2), и за один оборот антенны формируется близкая к полусфере зона обзора. Два луча, ориентированные ниже линии горизонта, позволяют повысить точность угломестной пеленгации [7].

Рис. 1. Формы лучей ДН ЦАР РЛС S1850М в режимах передачи

Рис. 2. Веерная ДН ЦАР РЛС S1850М в режиме приема

Известна отечественная трехкоординатная РЛС «Противник-ГЕ» (59Н6-Е) с ЦАР L-диапазона в которой реализована полностью цифровая пространственно-временная обработка сигналов. ЦАР формирует круговой обзор пространства 20-лучевой ДН, обеспечивает сверхнизкий уровень боковых лепестков ДН и их адаптивное подавление. Методы цифровой обработки позволяют при размере антенного полотна 5,5х8,5 м обнаруживать цели типа «Стелс» с эффективной площадью отражения менее 0,1 м на дальности до 200 км при угловой ошибке 10-12 минут [9].

Следовательно, зондирование пространства в активной ЦАР с разнесенными (невзаимными) передающей и приемной частями может осуществляться в режиме одновременного обзора широким лучом, следствием чего будет снижение скрытности и дальности обзора РЛС, и в режиме последовательного обзора пространства узким игольчатым лучом, при этом обеспечивается большая дальность действия РЛС, скрытность и помехозащищенность. Для обеспечения сканирования луча ДН в передающем канале активной ЦАР требуется применение ФВ.

2.Фазовращатели для фазированных антенных решеток

В современных ФАР используются ферритовые и полупроводниковые ФВ, характеризующиеся такими параметрами, как минимальное время переключения при минимальной мощности управляющего сигнала; требуемая точность установки фазового сдвига для выполнения заданных требований к ДН; достаточная электрическая прочность для пропускания требуемой импульсной мощности; поперечные габариты, обеспечивающие размещение с периодом не более 0,8л; минимальные потери энергии и система охлаждения, обеспечивающая работу ФВ на заданной средней мощности.

Ферритовые ФВ подразделяются на взаимные, в которых феррит подмагничивается продольно относительно направления распространения электромагнитной волны, и невзаимные с поперечным подмагничиванием феррита. В невзаимных ФВ фазовый сдвиг зависит от направления распространения электромагнитной волны. Основным преимуществом невзаимных ФВ с «прямоугольной» петлей гистерезиса является наличие внутренней магнитной памяти, позволяющей сохранять состояние требуемой намагниченности ферритового сердечника неограниченно долго [10]. Полоса рабочих частот в невзаимных ФВ для сантиметрового диапазона составляет 5-10%.

Взаимные ФВ подразделяются на проходные и отражательные. Взаимный проходной ФВ, созданный для ФАР «СуперСкат», обеспечивающей работу радиолокационной системы управления современного истребителя Су-35, имеет магнитную память, потери энергии не более 1 дБ, обеспечивает непрерывное изменение фазового сдвига в пределах 0..360в полосе частот 4,4 % и интервале температур -50..+70С [11]. Отражательные ФВ характеризуются более простой конструкцией и меньшим продольным размером, что упрощает размещение элементов системы управления. Недостатком отражательных ФВ по сравнению с проходными является меньшая точность установки фазы при том же уровне согласования. Полоса рабочих частот для взаимных ФВ сантиметрового диапазона составляет порядка 10%.

В полупроводниковых ФВ используются p-i-n-диоды, варикапы и сегнетоэлектрики. Наиболее часто применяются дискретные ФВ, обеспечивающие ступенчатое изменение фазы проходящей или отраженной электромагнитной волны за счет изменения электрической длины ФВ. Достоинствами полупроводниковых ФВ является их взаимность и возможность управления с помощью компьютера. Полоса рабочих частот полоскового ФВ в сантиметровом диапазоне составляет порядка 10% [12].

Известны относительно широкополосные ФВ, но они характеризуются значительным затуханием (несколько децибел), кроме того, их полоса пропускания ограничивается необходимостью корректировки фазовых сдвигов в соответствии с изменением частоты сигнала [13].

Таким образом, проведенный анализ показывает, что частотные характеристики ферритовых и полупроводниковых ФВ не позволяют обеспечить построение широкополосной передающей части активной ЦАР, способной осуществлять обзор пространства узким лучом, в то время как применение в приемной части ЦАР технологий цифрового диаграммообразования предоставляет возможность приема сигналов в широкой полосе частот, определяемой, в основном, полосой пропускания приемных антенн. Следовательно, для увеличения рабочего частотного диапазона необходимо отказаться от использования в передающей части активной ЦАР ФВ для формирования ДН.

3.Особенности нелинейно-дифракционного фазирования

антенный цифровой решетка

Для управления излучением в передающей части активной ЦАР предлагается использовать систему управления лучом, в основе которой лежит не связанный с применением ФВ нелинейно-дифракционный способ фазирования, характерный для нежестких антенных решеток. Сущность данного способа заключается в использовании специальным образом сформированного вспомогательного амплитудно-модулированного излучения, зависимость интенсивности которого от пространственных координат и времени совпадает с зависимостью от тех же аргументов плосковолнового электромагнитного поля, распространяющегося в направлении фазирования со скоростью света. Вспомогательное излучение носит название аналога плоской волны [14].

Формирование аналога плоской электромагнитной волны поясняется на основе рассмотрения биений волн в пространстве. Мгновенные значения электрического поля двух сферических волн описывается выражениями:

,

,

где А1, А2 - амплитуды электромагнитных волн; , - волновые числа; r1, r2 - расстояния от источников вспомогательного излучения до точки суперпозиции; , - круговые частоты волн, разница которых равна рабочей частоте РЛС :

Чтобы выделить биения в пространстве, необходимо в каждой точке пространства определить интенсивность суммарного колебания I:

.

Возникающие при суперпозиции двух гармонических сферических электромагнитных волн биения являются волновым процессом и формируют волну интенсивности. Фазовое распределение биений, согласно (4), зависит от взаимного положения центров кривизны сферических волн [15].

Для определения поведения фазы биений в пространстве полная фаза из выражения (4) приравнивается к величине , где n = 0,1,2.

.

Уравнение (5) описывает поверхности в трехмерном пространстве или линии в двумерном пространстве, на которых амплитуда биений максимальна. В полярной системе координат для произвольной плоскости, включающей точечные источники, уравнение (5) примет следующий вид:

,

где ; ; r1 и угол - координаты в полярной системе координат; - расстояние между центрами кривизны источников сферических волн.

Выражение (6) является уравнением второго порядка в полярной системе координат, решение которого, соответствующее положительному значению , имеет вид:

,

Соотношение (7) при изменении n определяет семейство кривых на плоскости, характеризующие распределение фазы биений (рисунок 3).

В динамике (при изменении времени) каждая отдельная линия одинаковых фаз, представляющая собой фронт бегущей волны интенсивности с частотой , будет перемещаться относительно положения точечных источников. Фронт бегущей волны интенсивности в ограниченной области, отмеченной на рисунке 3 прямоугольником, близок к плоскому и перемещается со скоростью света в направлении от излучателя с большей частотой к излучателю с меньшей частотой. Центр данной области находится на относительно небольшом (по сравнению с расстоянием до дальней зоны) расстоянии R от точечных источников:

Рис. 3. Линии одинаковых фаз относительно источников излучения

Для изменения направления распространения плосковолнового фронта достаточно изменить взаимное положение центров кривизны сферических электромагнитных волн при .

Каждый канал передающей части активной ЦАР для выделения переменной составляющей интенсивности должен содержать антенну приема вспомогательного излучения, квадратичный детектор, фильтр. Интерференция первичных волн на нелинейных элементах приводит к формированию в излучателях управляемых сигналов с требуемой фазой [16].

Анализ особенностей формирования аналога плоской волны показывает, что ширина полосы рабочих частот в такой антенной системе будет определяться рабочей полосой частот антенн вспомогательного облучателя и антенн основного излучения, поэтому в системе управления лучом целесообразно использовать широкополосные антенны, такие как пазовые антенны (ПА), называемые также излучателями Вивальди.

Широкополосные ПА относятся к классу антенн бегущей волны, имеют продольный характер излучения вдоль оси симметрии щели в сторону ее расширения. Плоская конструкция пазового излучателя удобна для конформной установки на поверхности воздушного судна, допускает размещение цепей возбуждения на одной подложке, позволяет близко расположить излучатели в антенной решетке. Известно, что при длине ПА несколько длин волн минимальную ширину ДН имеет антенна с постоянной шириной щели, а максимальную - с экспоненциальной щелью. Установлено, что при длине ПА более четырех длин волн величина входного сопротивления слабо зависит от формы щели, что упрощает ее согласование с фидерным трактом. Характерной особенностью ПА, которую необходимо будет учитывать при дальнейших исследованиях, является отсутствие единого фазового центра - при перестройке рабочей частоты условный фазовый центр антенны изменяет свое местоположение [17].

4.Модель вспомогательного облучателя системы управления лучом

Особенности формирования аналога плоской волны при нелинейно-дифракционном фазировании исследовались с использованием модели вспомогательного облучателя системы управления лучом, разработанной для нежесткой активной ФАР Р-диапазона РЛС дирижабля дальнего радиолокационного обнаружения (ДРЛО) [18].

Модель вспомогательного облучателя содержит две идентичные ПА, выполненные из материала ФАФ-4Д, разработанные в программе автоматизированного проектирования HFSS. Рабочий частотный диапазон данных излучателей составляет = 7..11 ГГц. Изменение направления распространения аналога плоской волны осуществлялось вращением по вертикали и горизонтали платформы лабораторного штатива с установленным на ней вспомогательным облучателем (рисунок 4). Изменение расстояния осуществлялось перемещением ПА в корпусе вспомогательного облучателя относительно друг друга [19].

Рис. 4. Модель вспомогательного облучателя

В процессе эксперимента широкодиапазонная антенна приема вспомогательного излучения частотой устанавливалась в центре области формирования аналога плоской волны, определяемой выражением 8. Определение фазы волны биений проводилось с помощью измерителя разности фаз ФК2-18. Экспериментальные измерения показали, что модель вспомогательного облучателя позволяет формировать излучение в рабочей полосе частот = 0,4..3,5 ГГц, определяемой рабочим частотным диапазоном антенн вспомогательного излучения и диапазоном частот используемых генераторов Г4-111.

5.Функциональная схема активной цифровой антенной решетки

В качестве примера использования нелинейно-дифракционного фазирования в диаграммообразовании активной ЦАР на рисунке 5 представлена функциональная схема антенной решетки с конформным излучающим раскрывом для РЛС Р-диапазона дирижабля ДРЛО.

В отличие от [18], вспомогательный облучатель выносится на беспилотном летательном аппарате перед излучающим полотном ЦАР и формирование излучения ЦАР производится по схеме, применяемой в отражательных антенных решетках с пространственной схемой возбуждения, при этом фазирующее излучение используется подобно запитывающему.

Пространственная схема фазирования позволяет исключить из диаграммообразующей схемы передающей части ЦАР фазовращатели, которые, являясь широкополосными, обладают затуханием в несколько децибел, а при малых потерях энергии сигнала - узкополосны. При отражательной схеме использования фазирующего и формирования основного излучения в ЦАР целесообразно применить антенны с совмещенным фазовым центром, такие как широкодиапазонные микрополосковые спиральные антенны, создающие поле вращающейся поляризации, применяемые в диапазоне от 0,2 до 18 ГГц [12].

Учитывая невзаимность передающей и приемной частей, а также необходимость использования антенн с совмещенным фазовым центром, антенны основного излучения выполнены приемопередающими. Разделение каналов передачи и приема на рисунке 5 реализовано с помощью схемы развязки каналов, содержащей циркуляторы.

Для выделения фазирующих сигналов в каждом канале передающей части ЦАР содержится квадратичный детектор и фильтр. Далее сигнал с управляемой фазой усиливается и излучается в пространство, а также поступает на схему формирования весовых коэффициентов (СФВК) для расчета приемной ДН.

Рис. 5. Функциональная схема конформной ЦАР

Приемная часть активной ЦАР содержит в каждом из N-каналов: малошумящий усилитель с устройством защиты; устройство временной задержки ф1..фN, компенсирующее фазовый набег, возникающий из-за несоответствия фазовых центров n-й приемопередающей антенны и всего излучающего раскрыва; аналого-цифровой модуль (АЦМ), построенный по известной схеме [8]; схему формирования диаграммы направленности (СФДН), предназначенную для расчета ДН приемных каналов, управления их положением и формой.

С выхода каждого АЦМ на СФДН подаются две квадратуры, определяющие амплитуду и фазу колебания, принятого входной антенной соответствующего канала приемной части ЦАР. Оперативное изменение формы и положения ДН в зависимости от обстановки и задач осуществляется в СФДН с помощью весовых коэффициентов, формируемых СФВК в соответствии с сигналами, поступающими от устройства управления (УУ). Информация, содержащаяся в N сформированных лучах ДН, из СФДН поступает в устройство обработки (УО). Скорость ввода и вывода данных в СФДН зависит от полосы частот сигнала и числа приемных каналов, определяющих количество сформированных лучей ДН.

Заключение

антенный цифровой решетка

Таким образом, проблема оптимизации количества антенн на борту современного воздушного судна делает актуальной разработку широкополосной активной ЦАР, способной обеспечивать одновременную работу нескольких бортовых радиотехнических систем. Для увеличения рабочего частотного диапазона в передающей части активной ЦАР предлагается использовать систему управления лучом, в основе которой лежит нелинейно-дифракционный способ фазирования, характерный для нежестких антенных решеток и не связанный с применением ФВ.

Экспериментальные измерения показали, что модель вспомогательного облучателя позволяет сформировать аналог плоской волны в рабочей полосе частот = 0,4..3,5 ГГц, определяемой рабочим частотным диапазоном антенн вспомогательного излучения и диапазоном частот используемых генераторов Г4-111. При расстоянии ?0,2 м между антеннами в используемой модели вспомогательного облучателя центр области формирования аналога плоской волны находился на расстоянии ?5 м, что соответствует теоретическим данным.

Разработана функциональная схема активной ЦАР с нелинейно-дифракционным фазированием для РЛС Р-диапазона дирижабля ДРЛО, в которой формирование основного излучения производится по схеме, применяемой в отражательных антенных решетках с пространственной схемой возбуждения.

Литература

1.Пономарев Л. И., Степаненко В. И. Сканирующие многочастотные совмещенные антенные решетки М.: Радиотехника, 2009. - 328 с.

2.Артюх А. С, Шарлай А. Ю. Бортовая антенная решетка с увеличенной рабочей полосой частот // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. научн. тр. Красноярск: СФУ, 2013. - С. 72-74.

3.Зибров Г. В., Леньшин А. В., Артюх А. С. Антенные системы бортовых радиолокационных станций истребителей // Антенны. М.: Радиотехника, 2011, № 5(168). - С. 4-9.

4.Дингес С., Егоров Н., Кочемасов В. Цифровые вычислительные синтезаторы для фазированных антенных решеток // Электроника: наука, технология, бизнес, 2014, №1. - С. 160-166.

5.Вишневский В. М., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2005. - 592 с.

6.Слюсар В. И. Цифровые антенные решетки: аспекты развития // Специальная техника и вооружение, 2002, №1-2. - С. 17-23.

7.Слюсар В. Цифровые антенные решетки - будущее радиолокации // Электроника: наука, технология, бизнес, 2001, №3. - С. 42-46.

8.Проблемы антенной техники / Под ред. Л. Д. Бахраха, Д. И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1989. - 386 с.

9.Воскресенский Д. И., Овчинникова Е. В., Шмачилин П. А. Бортовые цифровые антенные решетки и их элементы. М.: Радиотехника, 2013. - 208 с.

Размещено на Allbest.ru