Принципы функционирования и перспективы внедрения фазированных антенных решеток в работу судовых радаров

"Научный аспект №6-2024" - Радиотехника

УДК 656.61.052

Кучерова Алина Сергеевна – аспирант Государственного морского университета имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.

Аннотация: Целью данной статьи является рассмотрение технологий функционирования фазированных антенных решеток (ФАР). Актуальность темы заключается в необходимости усовершенствования элементов судовой навигации для предотвращения чрезвычайных ситуаций и улучшения «технического зрения» морских судов. В научной статье описаны принципы работы различных фазированных антенных решеток, в результате чего выявлены их преимущества и недостатки для дальнейшего внедрения в инновационные технологии современного судоходства.

Ключевые слова: фазированные антенные решетки, диаграмма направленности, судовые радары, безопасность судовождения.

Введение

Фазированные антенные решетки (ФАР) – это антенные решетки, в которых осуществляется сканирование диаграммы направленности (ДН), а именно управление фазой сигнала каждого излучающего элемента с целью изменения положения главного луча ДН. Ключевые аспекты, которые необходимо учесть при проведении таких расчетов:

1. Размер и конфигурация антенной решетки. Расчет оптимального размера и формы решетки для достижения желаемого углового разрешения и диаграммы направленности.
2. Выбор элементов антенны. Подбор типа излучающих элементов.
3. Фазовые сдвиги. Расчет необходимых фазовых сдвигов между элементами антенны для формирования и сканирования луча в требуемом направлении без механического перемещения антенны.
4. Мощность и частота. Определение требуемой мощности передатчика и рабочего частотного диапазона для достижения необходимого радиуса действия и проникающей способности радарного сигнала.
5. Интеграция с системами судна. Расчет необходимых интерфейсов для интеграции ФАР с существующими навигационными системами судна.
6. Экономическая оценка. Проведение экономического анализа внедрения ФАР, включая оценку стоимости компонентов, разработки, производства и эксплуатации.
7. Расчет зон покрытия. Определение зон покрытия радара с учетом возможностей ФАР и характеристик распространения радиоволн в морской среде.
8. Эти расчеты требуют применения специализированного программного обеспечения для моделирования электромагнитных полей, системного анализа и проектирования. Также важно учитывать международные стандарты и правила, регламентирующие использование радиолокационного оборудования на судах.

Основная часть

Применение ФАР в качестве антенных систем многофункциональных радиоэлектронных комплексов, технические характеристики и возможности которых могут быть значительно расширены за счет использования быстро-сканируемых ДН. Решение подобного комплекса задач с помощью обычных антенных устройств чаще всего оказывается невозможным. Большие возможности открывают ФАР и для построения так называемых адаптивных радиолокационных систем (РЛС), т.е. РЛС с автоматически перестраиваемыми по некоторому критерию параметрами. Например, в РЛС, работающей по критерию наименьшего отношения помехи к полезному сигналу. Фазированные антенные решетки будут реализовывать такое амплитудно-фазовое распределение, которое сформирует ДН с ориентированным на источник полезного сигнала главным лепестком и нулевым направлением на источник помехи.[1]

Технически фазированные антенные решетки различаются по двум видам: с пассивными элементами и активными элементами. Их отличие заключается в том, что в ФАР с пассивными элементами не происходит изменение параметров сигнала за исключением фазы, а в ФАР с активными элементами осуществляется обработка сигналов с изменением их параметров: усиление, преобразование частоты, модуляция, детектирование и т д. Радиотехнические устройства с активными ФАР, как правило, не имеют в своем составе отдельных приемника и передатчика. Функции генерации сигналов, их усиления, преобразования при передаче, обработки и выделения информации при приеме выполняются непосредственно в активных элементах ФАР, которые изготавливаются в виде отдельных модулей и управляются от общего устройства – специализированной ЭВМ. По способу возбуждения излучателей различают схемы ФАР с фидерным питанием и с пространственным (оптическим) питанием. Схемы фидерного питания, в свою очередь, делятся на схемы последовательного питания и схемы параллельного питания [2]. Недостатком схемы последовательного питания (рис. 1) является то, что первые фазовращатели должны работать при повышенном уровне пропускаемой мощности.

Рисунок 1. Схема ФАР с последовательным фидерным питанием

В последовательной схеме накапливаются ошибки, обусловленные нестабильностью фазовращателей и их схем управления. Достоинством последовательной схемы является то, что все фазовращатели могут управляться по одному закону, что обеспечивает линейный набег фазы по решетке.

В параллельной схеме питания (рис. 2) отсутствует накопление фазовых ошибок и все фазовращатели работают на пониженном уровне мощности.

Рисунок 2. Схема ФАР с параллельным фидерным питанием

Однако в этой схеме для получения линейного набега фазы все фазовращатели должны управляться отдельно. Фидерные схемы питания обеспечивают высокий КПД, поскольку вся энергия генератора передается к излучателям, однако наличие фидерного тракта существенно ограничивает диапазонные свойства ФАР. ФАР с пространственным питанием делятся на проходные и отражательные. Проходные ФАР состоят из приемных и излучающих элементов, между которыми находится фазовращатель [3], обеспечивающий необходимую фазировку сигнала в решетке (рис. 3).

Рисунок 3. Схема проходной ФАР с пространственным питанием

В решетках отражательного типа функции приема и излучения совмещены в одном элементе, закороченном на конце (рисунок 4).

Рисунок 4. Схема отражательной ФАР с пространственным питанием

По принципу работы ФАР проходного типа аналогичны линзовым антеннам, а ФАР отражательного типа – зеркальным антеннам. Отсутствие разветвленного фидерного тракта делает схемы оптического типа более простым и расширяет их диапазонные свойства. Однако КПД оптических схем питания значительно ниже, поскольку не вся энергия, излучаемая облучателем, перехватывается излучателями решетки. Выбор этой или иной схемы питания ФАР определяется общими требованиями к компоновке антенной системы и применяемым методом сканирования ДН.

Расчетная часть

Фазированные антенные решетки (ФАР) в радарах на морских судах используют метод электронного сканирования луча, который имеет ряд особенностей, преимуществ и недостатков по сравнению с традиционными механическими радарами [4].

Рассмотрим основные показатели, характеризующие работу ФАР в радарах морских судов. Положение главного максимума ДН в равноамплитудной прямолинейной эквидистантной решетке определяется формулой 1

где угол отсчитывается от нормали к оси решетки.

В заданном секторе сканирования  решетка из ненаправленных излучателей не будет иметь побочных главных максимумов, если расстояния между излучателями d удовлетворяет условию по формуле 2

Формула 3 позволяет определить минимально необходимое число N излучателей в решетке длиной L, обеспечивающее заданный сектор сканирования, и необходимую ширину ДН решетки 2, которая при синфазном возбуждении равна

где коэффициент А определяется видом амплитудного распределения. Например, при равномерном амплитудном распределении А = 51. Из формулы 3 следует, что

Следовательно, наименьшее число излучателей в решетке обеспечивается при равноамплитудном распределении, причем, чем больший требуется сектор сканирования и чем уже должен быть главный лепесток ДН решетки, тем больше в ней должно быть излучателей.

Рассмотрев детально основные принципы работы фазированных антенных решеток, представлю обобщенную таблицу, включающую в себя преимущества, недостатки и особенности ФАР [5] (табл.1):

Таблица 1 - Преимущества, недостатки и особенности ФАР

Преимущества:	Особенности:	Недостатки:
Улучшенная точность обнаружения: ФАР обеспечивают высокую точность в определении положения и движения объектов.	Электронное управление лучом: ФАР управляют направлением излучаемого луча путем изменения фазы сигнала на отдельных элементах решетки, что позволяет мгновенно изменять угол сканирования без физического перемещения антенны.	Тепловое управление: Электронные компоненты ФАР могут генерировать значительное количество тепла, что требует эффективных систем охлаждения.
Надежность: Отсутствие движущихся частей уменьшает вероятность механических отказов и упрощает техническое обслуживание.	Быстрое сканирование: ФАР способны быстро сканировать пространство, что позволяет оперативно обновлять информацию об окружающей обстановке	Потребление энергии: ФАР могут потреблять больше энергии, особенно при высокой скорости сканирования и мощности передачи.
Прочность: ФАР устойчивы к суровым морским условиям, включая ветер, влагу и соленую воду.	Многозадачность: ФАР могут одновременно отслеживать множество целей и выполнять различные функции, такие как поиск и слежение	Сложность: Высокий уровень технической сложности может затруднить ремонт и требовать специализированного обучения персонала.
Адаптивность: ФАР могут быть адаптированы для выполнения специализированных задач, таких как метеорологический мониторинг или обнаружение мелких объектов.	Высокое угловое разрешение: Благодаря возможности точного управления лучом ФАР обеспечивают высокое угловое разрешение	Стоимость: ФАР дороже в производстве и интеграции по сравнению с традиционными радарами.

Заключение

Фазированные атенные решетки (ФАР) представляют собой передовую технологию для морских радарных систем, предлагая улучшенные характеристики и функциональность, что делает их желательным выбором для современных морских судов, особенно там, где требуется высокая производительность и надежность. Выбор лучшей фазированной антенной решетки (ФАР) для судовых радаров зависит от ряда факторов, включая спецификации судна, требования к радиолокационной системе, условия эксплуатации и бюджет.

Список литературы

1. Банков, С.Е. Антенные решетки с последовательным питанием / С.Е. Банков. – М.: Физматлит, 2013.
2. Дудник, П.И. Многофункциональные радиолокационные системы : учебное пособие для вузов / П.И. Дудник, А.Р. Ильчук, Б.Г. Татарский. – М.: Дрофа, 2007.
3. Хижа, Г.С. СВЧ фазовращатели и переключатели: Особенности создания на pin-диодах в интегральном исполнении / Г.С. Хижа, И.Б. Вендик, Е.А. Серебрякова. – М.: Радио и связь/
4. Чебышев, В.В. Микрополосковые антенны и решетки в слоистых средах : учеб. пособие / В.В. Чебышев. – М.: Радиотехника, 2003.
5. Фельд, Я.Н. Основы теории антенн : учеб. пособие для вузов / Я.Н. Фельд, Л.С. Бененсон. – М.: Дрофа, 2007.