Суранов А.А., профессор, д.т.н. Ниеталин Ж.Н., Джаманшалов М.У.

Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева,

Республика Казахстан

Исследование активных фазированных антенных решёток

В активной фазированной антенной решетке (АФАР), каждый элемент решетки или группа элементов имеют свой собственный миниатюрный микроволновый передатчик, обходясь без одной большой трубки передатчика, применяемой в радарах с пассивной фазированной решеткой. В активной фазированной решетке, каждый элемент состоит из модуля, который содержит щель антенны, фазовращатель, передатчик, и часто также приёмник.

        Рисунок 1 - Структурные схемы активных фазированных антенных решёток.

Передающей (а), приёмной с фазированием в цепях гетеродина (б) и приёмной с фазированием в трактах промежуточной частоты (в): И — излучатель; УМ — усилитель мощности; В — возбудитель; С — смеситель; Г — гетеродин; УПЧ — усилитель промежуточной частоты; СУ — суммирующее устройство; φ — фазовращатель.

Технология АФАР имеет две ключевые проблемы.

Первая проблема — рассеивание мощности. Из за недостатков микроволновых транзисторных усилителей, эффективность передатчика модуля — типично меньше чем 45 %. В результате, AФAР выделяет большое количество теплоты, которая должна быть рассеяна, чтобы предотвратить чипы передатчика от расплавления и превращения в жидкий Арсенид Галлия — надежность GaAs MMIC чипов улучшается при низкой рабочей температуре. Традиционное охлаждение воздухом, используемое в обычных ЭВМ и авионике плохо подходит для высокой упаковочной плотности AФAР, в результате чего современные AФAР охлаждаются жидкостью.

Вторая проблема беспокойства с AФAР — стоимость массового производства модулей. Для радара истребителя, требующего типично от 1 000 до 1 800 модулей, стоимость AФAР взлетает, если модули стоят больше чем сто долларов каждый. Ранние модули стоили приблизительно 2 тыс. USD, что было неприемлемо для массового использования AФAР . Хорошие новости в этом отношении — то, что стоимость этих модулей постоянно уменьшается, поскольку разработка и производство модулей и MMIC чипов улучшилась.

Несмотря на недостатки, активные фазированные решетки превосходят обычные радарные антенны почти во всех отношениях, обеспечивая превосходящую следящую способность и надёжность, хотя при некотором увеличении в сложности и, возможно, стоимости.

Следует различать антенны с одномерным и двумерным сканированием или, другими словами, антенны с движением луча в одной плоскости и антенны с движением луча в двух плоскостях. Антенны с одномерным сканированием нужны при работе с объектами, лежащими в одной плоскости. Примером может служить антенна радиолокатора, обеспечивающего управление движением в акватории морского порта, где все объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, находятся на водной поверхности. Иначе обстоит дело при обеспечении связи с искусственным спутником Земли или при управлении движением в районе большого аэропорта. В этих случаях направления на объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, могут находиться под разными углами, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, поэтому луч антенны должен перемещаться в двух плоскостях.

Рассмотрим антенну в виде решетки излучателей, обеспечивающей электронное сканирование луча в двух плоскостях. Решетка состоит из системы параллельных линеек излучателей, расположенных в одной плоскости. Число излучателей в составе одной линейки назовем числом излучателей в горизонтальной плоскости N_г, а само число линеек - числом излучателей в вертикальной плоскости N_в. Таким образом, общее число излучателей в рассматриваемой решетке

N_общ = N_г N_в .

Приведем некоторые количественные характеристики:

1. Ширина луча антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно.

2. Сектор качания луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

3. Телесный угол, совпадающий с секторами качания луча антенны,

DW_k = D_{qk, г} D_{qk, в} .

4. Телесный угол, занимаемый лучом антенны, и коэффициент направленного действия антенны соответственно

DW = D_qг D_qв ,

Используя приведенные выше соотношения, легко убедиться, что отношение телесных углов, занимаемых секторами качания луча и самим лучом антенны, равно полному числу элементов в составе ФАР:

Эта формула представляет собой фундаментальное соотношение теории ФАР. Легко подсчитать, что если выбранные секторы сканирования определяются углами качания луча qk, г = qk, в = ? 30?, а ширина луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях Dqг = Dqв = 1?, то число элементов ФАР составляет 3600.

Несомненные успехи в разработке фазированных антенных решеток, достигнутые за последние десятилетия, обеспечили их широкое использование в различных радиоэлектронных системах. Примерами таких систем могут служить зенитно-ракетный комплекс Patriot, бортовая система дальнего обнаружения целей AEGIS, радиолокационная станция (РЛС) обнаружения артиллерийского и минометного огня TPQ-37, РЛС GPN-22 (США) и РЛС Flap Lid (Россия). Первой РЛС с фазированной антенной решеткой была станция AN/TPS-25 (США), работающая в Х-диапазоне волн (5,2–10,9 ГГц).

Появление и развитие ФАР - одна из ветвей триумфального шествия радиоэлектроники XX века. Техника ФАР объединила в себе решение проблем электродинамики, физики твердого тела и способов обработки информации. Развитие техники ФАР оказалось серьезным стимулом решения проблем СВЧ-микроэлектроники как основы микроминиатюризации СВЧ-компонентов и обеспечения их массового производства. Напомним, что в состав ФАР может входить до 10 000 элементов, каждый из которых представляет собой законченное, достаточно сложное устройство. Только широкое освоение производственных приемов микроэлектроники смогло технически и экономически обеспечить приемлемую стоимость больших ФАР.