57Инновационные аспекты развития науки и техники УДК 621.396.677.3, 535.8
Чепурнов Илья Александрович Chepurnov Ilya Alexandrovich
Кандидат технических наук, доцент, профессор Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Professor Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
Bauman Moscow State Technical University Зотов Роман Валерьевич Zotov Roman Valerievich Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher Рязанов Олег Константинович Ryazanov Oleg Konstantinovich Кандидат технических наук, начальник отдела Candidate of Technical Sciences, Department head НИИЦ (г. Москва) ФГБУ «ЦНИИ ВКС» Минобороны России RTC (Moscow) «CRI ASF» of the Russian Defence Ministry
КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНОЙ РАДИОФОТОННОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
CONCEPT OF CONSTRUCTING A WIDEBAND MICROWAVE PHOTONICS PHASED ANTENNA ARRAY
Аннотация: Предложена схема сканирующей радиофотонной фазированной антенной решетки с оптическим формированием диаграммы направленности. Использование оптической диаграммообразующей схемы позволяет повысить рабочую полосу частот и помехозащищенность, а также снизить массогабаритные характеристики и потери в линиях передачи.
Abstract: The article describes a scheme of a scanning microwave photonics phased antenna array with optical beamforming. The use of an optical diagram-forming circuit allows you to increase the operating frequency band and noise immunity, as well as reduce the weight and size characteristics and losses in the transmission lines.
Ключевые слова: радиофотонные технологии, фазированная антенная решетка, радиолокационная система, диаграмма направленности, диаграммообразующая схема, электрооптический модулятор, оптическая линия задержки.
Key words: microwave photonics technologies, phased antenna array, radar system, radiation pattern, beamforming circuit, electro-optical modulator, optical delay line.
III Международная научно-практическая конференция
Успешные результаты фундаментальных и поисковых исследований,
проводимых в последние годы в области радиофотоники, вызвали постоянно возрастающий интерес к их использованию при разработке современных радиолокационных систем [1].
Одним из важнейших элементов практически любой современной радиолокационной системы является фазированная антенная решетка (ФАР). Применение при разработке и производстве ФАР радиофотонных технологий позволяет добиться следующих преимуществ:
- повышение рабочей полосы частот;
- повышение помехозащищенности;
- повышение стабильности основных параметров;
- снижение потерь в линиях передачи сигналов;
- снижение массогабаритных характеристик.
В настоящей работе предложен один из вариантов концепции построения широкополосной сканирующей ФАР с оптическим формированием диаграммы направленности. Основой данной концепции является использование в составе ФАР оптической диаграммообразующей схемы (ДОС).
Применение оптической ДОС в составе ФАР радиолокационной системы предполагает предварительное преобразование СВЧ-сигналов, принимаемых отдельными антенными элементами ФАР, в оптическую область. В этих целях на входе ДОС может быть использована система электрооптических модуляторов (ЭОМ) на один из входов которых через разветвитель подается оптический сигнал от источника оптического сигнала (ИОС), выполненного на базе мощного лазерного диода (рис. 1). ЭОМ в данной схеме выполняются по схеме интерферометра Маха-Цандера, преобразующего разность фаз в изменение интенсивности оптического излучения.
Рис. 1. Схема радиофотонной фазированной антенной решетки
В ДОС преобразованные сигналы обрабатываются и когерентно объединяются в оптической области. С выхода ДОС оптические сигналы с подаются на фотодетекторный модуль (ФДМ), где они преобразовываются в радиочастотную область для дальнейшей обработки в приемном устройстве радиолокационной системы.
Диаграмму направленности (ДН) прямоугольной ФАР можно описать следующим выражением [2, 3]:
N M
F(0, ф) = X Aimexp [j (Фпт + Ф0nm )1 (1)
n,m=\
В выражении (1) параметры Anm и Фпт характеризуют амплитуду и фазу возбуждения элементов ФАР, причем:
^^ nm К (Xnm COS Ф + ynm Sin ф) Sin 0 , (2)
где: £в = 2%/Хъ - волновое число;
Хв = с// - длина волны;
Xnm, ynm - координаты элемента ФАР;
f - рабочая частота;
III Международная научно-практическая конференция с = 3108 м/с - скорость света в свободном пространстве. При формировании ДН ФАР направление главного максимума (луча) задается фазовым сдвигом
Ф0пт =~К (Хпт С°8 Фо + Упт sin Фо ) sin 90 , (3)
где: 0о, фо - углы сферической системы координат, определяющие направление главного максимума ДН в пространстве.
На рис. 2 представлена ДН в угломестной плоскости плоской прямоугольной ФАР, состоящей из 4*4=16 элементов (/0 = 8 ГГц) при неотклоненном (0о = 0°) и отклоненном на 20° (0о = 20°) от нормали луче.
Рис. 2. ДН плоской прямоугольной ФАР 4x4 (/о = 8 ГГц)
В ФАР современных радиолокационных систем для задания необходимого фазового распределения на раскрыве (формирования ДН в определенном направлении), как правило, используются управляемые фазовращатели (ФВ). Основным недостатком большинства ФАР с ФВ является их узкополосность, вызванная зависимостью положения главного максимума ДН от значения рабочей частоты. Одним из путей решения данной проблемы является применение в схеме формирования ДН ФАР управляемых линий задержки (ЛЗ) [4, 5].
При использовании управляемых ЛЗ в схеме формирования ДН ФАР удобно оперировать не фазовым сдвигом, а временем задержки сигнала тпт.
Представим выражение (1) в следующем виде:
N М
^(0, ф) = X Аптехр [; (Фпт - кв^т)], (4)
п,т=\
где: 1пт =( хпт Фо + Упт ^ Фо) ^ 0о - длина управляемой ЛЗ, соответствующая одноименным антенным элементам ФАР.
Допустив, что фазовый сдвиг пропорционален рабочей частоте:
Ф 0пт = 2%/оТпт ,
из выражения (3) получим: ^пт = "ЯП 0о = !**■ ,(5)
С с
где: d - шаг ФАР.
Следует обратить внимание на то, что из формулы (5) исключена частотная составляющая. Это подтверждает частотную независимость схемы формирования ДН ФАР, при ее построении с использованием управляемых ЛЗ, а, следовательно, огромный потенциал в обеспечении широкополосности работы такой схемы.
В настоящее время при решении задач радиофотоники широко используются управляемые оптические ЛЗ (ОЛЗ). ОЛЗ на базе кольцевых оптических резонаторов (КОР) позволяют непрерывно настраивать групповую задержку, а широкая полоса пропускания может быть достигнута путем каскадирования нескольких таких ОЛЗ.
На рис. 3 представлена ДОС радиофотонной ФАР с 16 (4*4) антенными элементами, построенная с использованием ОЛЗ на КОР. Размещение оптических сумматоров (ОС) в данной схеме формирует структуру бинарного дерева.
III Международная научно-практическая конференция
Рис. 3. Диаграммообразующая схема радиофотонной ФАР с 16 (4x4) антенными элементами
Левая часть ДОС формирует ДН в горизонтальной (азимутальной) плоскости, а правая часть - в вертикальной (угломестной) плоскости. В данной схеме, всё же, используются оптические ФВ (ОФВ), но здесь они выполняют функцию регулировки оптической фазы в каждой ветви для достижения когерентной интерференции оптических сигналов. Работа рассматриваемой ДОС
Инновационные аспекты развития науки и техники основана на программном управлении ОЛЗ, которое может быть реализовано термооптическим способом [4].
Таким образом, за счет использования оптического формирования ДН, предложенная концепция сканирующей ФАР позволяет повысить рабочую полосу частот и помехозащищенность, а также снизить массогабаритные характеристики и потери в линиях передачи. Применение такая схема ФАР может найти в составе радиолокационных комплексов подвижных наземных средств и летательных аппаратов.
Библиографический список:
1. Иванов Н.С., Чепурнов И.А., Семейкин Г.Д., Кунин Д.Ю. Перспективы использования радиофотонных технологий при разработке современных радиолокационных систем // Сборник научно-методических трудов IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы состояния и перспектив развития сложных технических систем военного назначения». - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. С. 324-328.
2. Чепурнов И.А., Некрасов Е.Г. Методика оценки влияния амплитудного и фазового распределения на характеристики диаграммы направленности фазированной антенной решетки // Инженерный вестник, 2013. №9. С. 3
3. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М. Устройства СВЧ и Антенны. - М.: Изд-во «Радиотехника», 2006. - 376 с.
4. Burla M., Roeloffzen C.G., Zhuang L. и др. System integration and radiation pattern measurements of a phased array antenna employing an integrated photonic beamformer for radio astronomy applications // Optical Society of America, 2012. .№7. С. 789-802.
5. Хансен Р.С. Фазированные антенные решетки. - М.: Изд-во «Техносфера», 2012. - 566 с.
