CC BY
0
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКТИВНЫХ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК С МИКРОПОЛОСКОВЫМИ ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СОВРЕМЕННЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Е.Е. Иванов, научный сотрудник Войсковая часть 25522 (Россия, п. Ключи)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-8-1-83-87
Аннотация. В данной статье подробно описаны основные достоинства использования АФАР с антеннами в виде микрополосковых излучателей при построении современных радиотехнических систем. Рассмотрена типовая схема АФАР, проведен анализ существующих микрополоссковых излучателей и подбор оптимального варианта исполнения системы.
Ключевые слова: АФАР, микрополосковые излучатели, радиотехнические системы, радиолокационные системы, антенные решетки, электромагнитные поля.
Фазированная антенная решетка является высокотехнологичным устройством, состоящим из серии излучающих элементов, расположенных на определенных интервалах друг от друга. Эти элементы, работая в унисон, генерируют электрические токи, характеризующиеся как по амплитуде, так и по фазе. Особенность этой системы заключается в том, что поле, создаваемое антенной решеткой, формируется за счет процесса суперпозиции, то есть сложения, электромагнитных полей, излучаемых каждым отдельным элементом [1].
Данный процесс приводит к тому, что итоговое излучаемое поле антенной решетки можно представить в виде математического ряда, который отражает совокупный эффект от всех элементов решетки, данный ряд называется диаграммой направленности [2]. Одной из ключевых особенностей фазированных антенных решеток является их способность к динамическому управлению направлением диаграммой направленности. Это достигается путем изменения фазы тока в каждом из излучающих элементов, что позволяет антенне сканировать пространство без физического перемещения самой антенны.
В последние годы технологии в области антенн достигли значительного прогресса, что привело к возрастающему интересу к многоэлементным антенным решеткам. Эти решетки, состоящие из двумерных (поверхностных) массивов излучателей,
стали ключевым инструментом для создания управляемых узконаправленных лучей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Такая конфигурация позволяет не только точно формировать излучение, но и обеспечивать динамическое управление направленностью луча в определенном угловом секторе пространства [3].
Изначально использование многоэлементных антенных решеток было ограничено из-за высокой сложности их фидерных систем, а также трудностей, связанных с настройкой каждого элемента решетки. Эти факторы делали их менее предпочтительными по сравнению с более простыми в применении зеркальными антеннами. Однако благодаря революционным изменениям в разработке высокочастотных компонентов, антенные решетки стали использоваться повсеместно. Разработка новых типов высокочастотных элементов открыла двери для реализации инновационных методов управления диаграммами направленности. Это стало возможным благодаря увеличению числа элементов в решетках, что позволило значительно повысить их эффективность и функциональность [4].
В современной радиоэлектронике разработка радиолокационных систем (РЛС) является одним из ключевых направлений, где особенно важное значение приобретает применение новейших технологий обработки информации. Эти инновации позво-
ляют значительно повысить эффективность и точность РЛС. Центральным элементом в современных РЛС является активная фазированная антенная решетка (АФАР), которая играет роль антенны. Для генерации пусковых импульсов используется синтезатор частоты, выполняющий также функции синхронизатора. Обработка получаемой информации происходит с помощью высокопроизводительных цифровых процессоров.
В зависимости от типа используемой антенны, передатчик в радиолокационной системе может быть реализован по-разному. Если в системе применяется активная ФАР, то передатчик обычно инте-
грируется непосредственно в нее и имеет модульную структуру. Для систем с пассивной ФАР применяются модуляторы в сочетании с однокаскадными или же многокаскадными генераторами радиочастоты.
Основными компонентами типовой активной фазированной антенной решетки являются синхронизатор, приемно-передающий модуль, задающий генератор, система управления и, конечно же, сама система излучателей. Эти элементы в совокупности обеспечивают высокую точность и надежность работы радиолокационных систем (рис. 1).
Рис. 1. Типовая схема АФАР
В современных радиолокационных системах ключевым элементом является антенна, которая под управлением электронно-вычислительной машины (ЭЦВМ) выполняет задачи по формированию лучей и их динамическому перемещению для всестороннего обзора пространства. Это важно для точной локализации объектов. В процессе работы передающий модуль генерирует зондирующие сигналы, которые затем антенна направляет в пространство. Эти сигналы, отразившись от целей, возвращаются обратно и принимаются антенной.
Чтобы повысить качество приема, в системе присутствует приёмный модуль, задачей которого является усиление принятых антенной сигналов, которые часто бывают очень слабыми и смешанными с различными помехами и шумами. Для того, чтобы отделить полезный сигнал от нежелательных помех, используются специализированные фильтры: согласованные фильтры сосредоточенной селекции и цифровые фильтры, которые эффективно подавляют шумы, выделяя необходимую информацию.
Вычислительное устройство обрабатывает полученную информацию и преобразует её в цифровой код. Это позволяет далее использовать современные алгоритмы обработки данных для более точного распознавания объектов.
В современных радиолокационных системах (РЛС) начальный этап обработки радиолокационных сигналов осуществляется прямо в вычислительном устройстве, которое работает согласно встроенным программам алгоритмов обработки. Эти программы являются ключевым элементом для анализа и интерпретации данных. Важную роль в настройке радиолокационных систем играет синхронизатор, который отвечает за установку рабочих частот и временных интервалов работы РЛС. Такая настройка позволяет точно и эффективно обрабатывать поступающие сигналы.
Для визуализации обработанной информации обычно используются устройства отображения, которые могут быть основаны как на традиционных индикаторах с электроннолучевой трубкой, так и на современных дисплеях процессоров. Это обеспечивает оператору РЛС удобный доступ к результатам анализа радиолокационных данных.
Среди компонентов современных РЛС с фазированными антенными решетками (ФАР), особое внимание заслуживают микрополосковые излучатели. Их широкое распространение обусловлено простотой конструкции, что делает их более доступными для производства и интеграции в различные системы. Однако, несмотря на удобство и популярность, использование микрополосковых излучателей сопряжено с некоторыми трудностями. К недостаткам можно отнести изменение характеристик печатных плат под воздействием температурных изменений, а также сложности, связанные с конструированием таких систем [5].
В области современной радиотехники и телекоммуникаций широко применяются различные типы микрополосковых излучателей, которые играют ключевую роль в проектировании антенных систем. Из обширного спектра этих устройств особенно выделяются несколько основных и наиболее эффективно используемых моделей в современных технологиях. Среди них особое место занимают антенна «Вивальди», патч-антенна и печатный диполь (рис. 2), каждый из которых обладает уникальными характеристиками и применениями.
Рис. 2. Виды микрополосковых антенн
Патч-антенны, в частности, обладают рядом значительных преимуществ, которые делают их особенно привлекательными для разработчиков и инженеров. Одним из основных достоинств является их простота в разработке и моделировании. Это существенно сокращает время, необходимое для создания антенн с оптимальной геометрией, что важно в условиях ограниченных сроков проекта. Кроме того, бла-
годаря своей относительно простой конструкции, патч-антенны позволяют быстро и эффективно корректировать их параметры для достижения требуемых характеристик излучения. Это делает их идеальными кандидатами для использования в антенных решетках, где требуется высокая степень адаптации и гибкости в настройке параметров каждого отдельного излучателя.
Кроме того, размеры патч-антенн значительно меньше по сравнению с традиционными антеннами, что дает возможность устанавливать их в большом количестве в рамках одной антенной решетки. Это, в свою очередь, позволяет не только увеличить общую мощность излучения решетки, но и предоставляет беспрецедентную гибкость в управлении направлением излучаемого сигнала. Таким образом, разработки и инновации в области патч-антенн значительно расширяют возможности современных антенных систем, делая их более мощными, гибкими и адаптивными к меняющимся условиям и требованиям.
В области радиотехнических систем (РТС) последние исследования показывают значительный прогресс в использовании антенн с активной фазированной антенной решеткой (АФАР), особенно тех, что оснащены микрополосковыми излучателями. Этот подход обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с традиционными антенными системами. Исходя из проведенного анализа, можно утверждать, что антенные системы, построенные на базе АФАР с микрополоско-выми излучателями, выделяются среди прочих своими уникальными качествами.
Одно из ключевых преимуществ таких систем заключается в возможности созда-
без использования механических приводов. Это достигается благодаря электронному сканированию, которое позволяет беспрепятственно осуществлять поиск и сопровождение объектов. Такой подход значительно повышает эффективность и надежность работы радиотехнических систем за счет снижения количества движущихся частей, что в свою очередь уменьшает вероятность механических повреждений и износа.
Дополнительно, использование АФАР с микрополосковыми излучателями способствует уменьшению размеров и веса антенных систем, что крайне важно для мобильных и авиационных приложений. Это открывает новые перспективы для разработки более компактных и эффективных радиотехнических устройств, способных работать в широком диапазоне частот.
В заключение, можно сказать, что интеграция АФАР с микрополосковыми излучателями в радиотехнические системы представляет собой важное направление развития современной радиоэлектроники. Этот подход не только улучшает характеристики антенных систем, но и открывает новые возможности для их применения в различных областях. Безусловно, продолжение исследований и разработок в этой области принесет еще больше инноваций в будущем.
ния антенн для кругового сканирования
Библиографический список
1. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ. Учебник. - 3-е изд. - М.: Радиотехника, 2016. - 376 с.
2. Воскресенский Д.И., Большаков Ю.П., Добычина Е.М. Построение широкополосной ЦАР // Труды XIV международной научно-технической конференция «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC-2008) 15-17 апреля. Воронеж, 2008. - 555 с.
3. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решёток. - М.: Учебное пособие, 2016. - 592 с.
4. Гежа Д.С., Годин А.С., Климов К.Н. Электродинамическое моделирование приемных зондов СВЧ-распределительной системы оптического типа многолучевой АФАР // Антенны. - 2018. - № 3 (214). - 457 с.
5. Гостюхин В.Л. Активные фазированные антенные решетки. - М.: Радио и связь, 1993. - 270 с.
USING ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAYS WITH MICROSTRIP RADIATION ELECTRICITY IN CONSTRUCTION OF MODERN RADIO ENGINEERING
SYSTEMS
E.E. Ivanov, Researcher Military unit 25522 (Russia, Klyuchi)
Abstract. This article describes in detail the main advantages of using APAA with antennas in the form of microstrip emitters in the construction of modern radio engineering systems. A typical APAA circuit is considered, an analysis of existing microstrip emitters is carried out, and the optimal version of the system is selected.
Keywords: APAA, microstrip emitters, radio engineering systems, radar systems, antenna arrays, electromagnetic fields.
