Разработка новых тестов электронного сканирования в РЛС СВЧ диапазона

Введение.

Теория и техника антенных устройств в значительной мере определяют прогресс в таких областях науки, как радиолокация, космическая связь и радионавигация. Антенны многих радиосистем часто полностью определяют их предельно достижимые характеристики, такие, как дальность действия, широкополосность, точность определения координат, разрешающую способность и т.д. В ряде случаев антенна может сочетать в себе также и функции приемника и передатчика – это так называемые активные антенны. Разнообразие типов антенн в настоящее время чрезвычайно велико, однако одним из основных типов антенн являются зеркальные антенны. Большое распространение получили зеркальные антенны в диапазоне СВЧ.

Цели и задачи

Разработка новых антенных систем, конструкций антенных систем для электронного сканирования в РЛС. Поиск и разработка таких конструкций антенных систем основан на полученных ранее результатах исследований и патентов.

Актуальность

В настоящее время состояние радиолокации, связи, радиоастрономии отличается внедрением сложных комплексов аппаратуры, неотъемлемой частью которых являются антенные системы. В настоящее время антенная техника достигла своего пика развития. И поэтому в последние годы ее развитие идет по пути улучшения характеристик и использование новых материалов. Учитывая это, возникновение новых идей в антенной технике связано с необходимостью создания радиосистем с заданными характеристиками [1].

Зачастую, в радиоэлектронных системах необходимо изменять положение диаграммы направленности антенны в пространстве: сопровождение объекта (цели), поиск объекта (цели) и т.д. Такие задачи привели к появлению термина «сканирование». Сканирование бывает: механическое, электромеханическое и немеханическое [2].

При механическом сканировании перемещение луча в пространстве осуществляется  перемещением всей антенны. Поэтому антенны с таким сканированием характеризуются наибольшей инерционностью. По сравнению с другими способами сканирования, такие антенны обладают относительно малыми быстродействием, разрешающей способностью, пропускной способностью, помехозащищенностью. Для поворота таких антенн применяют мощные двигатели, которые за счет больших протекающих в них токов создают сильное паразитное магнитное поле.

При электромеханическом сканировании механически перемещаются только некоторые элементы антенны, а основная часть антенны (основное зеркало) остается неподвижной. Классическим примером является управление положением луча параболической антенны при перемещении облучателя или вспомогательного зеркала. Но и в таких антеннах имеются вращающиеся сочленения, вспомогательные двигатели, которые ухудшают показатели антенны [2].

Такие недостатки привели к разработке антенных систем с электрическим сканированием. Среди антенн с электрическим сканированием широкое распространение получили фазированные антенные решетки (ФАР), а стремление увеличить излучаемую мощность и помехозащищенность привели к созданию активных ФАР. Но реализация поставленных требований невозможна без совершенствования методов обработки сигнала. Электрическое сканирование позволяет обеспечить высокую скорость обзора окружающего пространства при сохранении относительно низкого уровня боковых лепестков и высокой помехозащищенности.

За последние десятилетия ФАР стали применять все шире в различных системах. В процессе разработки ФАР выяснились их недостатки. В первую очередь с помощью ФАР затруднителен круговой обзор пространства, снижение коэффициента усиления антенны из-за потерь в элементах антенны: фазовращатели, устройства возбуждения и т.д..

Возбуждение излучателей ФАР производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в т. н. квазиоптических ФАР), фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями иногда содержат сложные электрические устройства (т. н. диаграммообразующие схемы), обеспечивающие возбуждение всех излучателей от нескольких входов, что позволяет создать в пространстве соответствующие этим входам одновременно сканирующие лучи (в многолучевых ФАР). Квазиоптические ФАР в основном бывают двух типов: проходные (линзовые), в которых фазовращатели и основные излучатели возбуждаются (при помощи вспомогательных излучателей) волнами, распространяющимися от общего облучателя, и отражательные – основной и вспомогательные излучатели совмещены, а на выходах фазовращателей установлены отражатели. Многолучевые квазиоптические ФАР содержат несколько облучателей, каждому из которых соответствует свой луч в пространстве. Иногда в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы). Рассмотренные выше ФАР иногда называются пассивными.

Наибольшими возможностями управления характеристиками обладают активные ФАР, в которых к каждому излучателю или модулю подключен управляемый по фазе (иногда и по амплитуде) передатчик или приёмник. Управление фазой в активных ФАР может производиться в трактах промежуточной частоты либо в цепях возбуждения когерентных передатчиков, гетеродинов приёмников и т.п. Таким образом, в активных ФАР фазовращатели могут работать в диапазонах волн, отличных от частотного диапазона антенны; потери в фазовращателях в ряде случаев непосредственно не влияют на уровень основного сигнала. Передающие активные ФАР позволяют осуществить сложение в пространстве мощностей когерентных электромагнитных волн, генерируемых отдельными передатчиками. В приёмных активных ФАР совместная обработка сигналов, принятых отдельными элементами, позволяет получать более полную информацию об источниках излучения.

В результате непосредственного взаимодействия излучателей между собой характеристики ФАР (согласование излучателей с возбуждающими фидерами, КНД и др.) при качании луча изменяются. Для борьбы с вредными последствиями взаимного влияния излучателей в ФАР иногда применяют специальные методы компенсации взаимной связи между элементами.

Такое состояние вопроса стимулирует поиск новых конструкций антенн с электрическим сканированием либо новых методов обработки сигналов.

Литература

  1. Антенны: Современное состояние и проблемы / Д.И. Воскрсенский, В.Л. Гостюхин, К.И. Гринева и др.; Под ред. чл-корр. АН СССР Л.Д. Бахраха и проф. Д.И. Воскресенского. – М.: Сов. Радио, 1979. –  208 с., ил.
  2. Марков Г.Т. Антенны / Марков Г.Т., Сазонов Д.М. – М.: Энергия, 1975. – 528с.
  3. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь,  1994. – 592с.
  4. Фролов В.П. Антенны для земных станций спутниковой связи / Фролов В.П. – М.: Радио и связь, 2000. – 376с., ил
  5. Метрикин А.А. Антенны и волноводы РРЛ / Метрикин А.А. – М.: Связь, 1977. – 115с.
  6. Хорхордин А.А., Паслен В.В. Применение реверсивных сред в антенной технике / Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Материалы Международной научной конференции “Излучение и рассеяние ЭМВ – ИРЭМВ - 2005”. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. – С. 312 – 314.
  7. Khludneva A.V., Mihailov M.V., Petrushkevich P.A., Paslyon V.V. The new antenna systems with electronic scanning. Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Труды Международной научной конференции “Излучение и рассеяние ЭМВ – ИРЭМВ - 2007”. Т. 1. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. – С. 61 – 64.
  8. Паслён В.В. Использование реверсивных сред в антенной технике: материалы III Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», (Москва, 26-30 октября 2009г.)/ РАН, ИРЭ им. В.А.Котельникова. – М.:   ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, 2009. – 1035с.
  9. Хорхордин А.А., Носко Ю.В., Паслен В.В. О возможности использования реверсивных сред в антенной технике. YI Международная молодежная научно-практическая конференция «Человек и космос»: сборник тезисов. – Днепропетровск: НЦАОМУ, 2004 – с. 296.
  10. Хорхордин А.А., Паслен В.В. Применение реверсивных сред в антенной технике / Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Материалы Международной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ – ИРЭМВ-2005». – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. – с. 312-314.
  11.  Хорхордин А.А., Михайлов М.В., Паслен В.В. Новое в технике антенного сканирования. Международная научно-практическая конференция «Университетские микроспутники – перспектива и реальность»: Сборник тезизов. Под общ. ред. Д-ра техн. наук проф. А.Н.Петренко. – Днепропетровск: НЦАОМУ, 2006. - с. 69.
  12. Деклараційний патент № 25901. Україна. МПК H01Q19/10. Всеспрямована антена / Хлуднева Г. В., Михайлов М. В., Ольшевський А. Л., Пасльон В. В – 27.08.07 – бюл. №3.
  13. Деклараційний патент № 13225. Україна. МПК H01Q25/00. Багатопроменева дзеркальна антена / Хорхордин А. А., Паслен В. В.- 15.03.06 - бюл. № 3.
  14. Деклараційний патент № 20355. Україна. МПК H01Q25/00. Багатопроменева дзеркальна антена / Михайлов М. В., Хорхордин А. А., Паслен В. В.-15.01.07- бюл.№ 1.
  15. Деклараційний патент № 20781. Україна. МПК H01Q25/00. Багатопроменева дзеркальна скануюча антена / Хорхордин А. А., Михайлов М. В., Паслен В. В. - 15.02.07 - бюл. № 2.