Основи на радиолокацията

Фазирана антенна решетка

Фазираната антенна решетка (съкратено ФАР) се състои от определен брой излъчващи елементи, всеки от които има свой собствен дефазатор (фазорегулатор). Лъчът се формира чрез изместване на фазата на сигнала, излъчван от всеки излъчващ елемент, така че те да интерферират във фаза / антифаза, за да се завърти лъчът в желаната посока. На Изображение 1 (вляво) са показани два излъчващи елемента, които се възбуждат от вълни с еднаква фаза. Сигналът в основната посока се усилва от интерференцията на вълните с различна фаза. Остротата на лъча се подобрява чрез интерференция в профазата.

На Изображение 1 (вдясно) сигналът, излъчван от горния излъчващ елемент, е с 22 градуса извън фаза спрямо сигнала, излъчван от долния елемент. В резултат на това основната посока на излъчване на общия сигнал е леко нагоре.

Изображение 2. Анимация на електронното отклонение на лъча

Изображение 2. Анимация на електронното отклонение на лъча, (виж също: mlago.dev)

(Забележка: в примера, показан на тази Изображение, излъчващите елементи се използват без рефлектор. Поради това задната част на диаграмата на излъчване на тази антена е толкова голяма, колкото и основната част).

Основният лъч винаги е насочен в посока на увеличаване на фазовото изместване. Следователно, ако излъчваният сигнал преминава през електронен дефазатор, който осигурява непрекъснато фазово изместване, ъгловото положение на лъча ще се контролира по електронен начин. Такова регулиране обаче има граници. Максималната стойност, която може да се постигне за полето на видимост на плоска фазирана решетка, е 120º (60º в едната посока и 60º в другата). Необходимото фазово изместване може да се изчисли, като се използва теоремата за синусоидата.

Изображение 2 показва графично представяне на решетката от излъчващи елементи. Като такива могат да се използват антени с всякаква конструкция. За антена с фазирана решетка основното е, че отделните излъчващи елементи се управляват чрез редовно фазово изместване, което води до промяна на посоката на антенния лъч. Например антената на радара AN/FPS-117  се състои от 1584 излъчващи елемента и има аналогова архитектура на формиране на лъча. В по-сложните радари се използва цифрово формиране на диаграми на насоченост.

1. Ограничението на пространството за сканиране може да бъде преодоляно с триизмерно разпределение на лъча.
   Това разположение на излъчвателите е получило името Антена тип «гнездо на врана».
2. Вдъхновен от тази анимация, Артур Моралес, инженер в Embraer, разработва демонстрационна програма: mlago.dev

Възможни конфигурации

Линейни (двумерни) решетки

Изображение 3. Линейна фазирана антенна решетка

Изображение 3. Линейна фазирана антенна решетка

Такива антени се състоят от редове, чиито елементи се захранват от общ дефазатор. Няколко антени, разположени една над друга, образуват плоска решетка. В радиолокацията те се наричат още двумерни антенни решетки, тъй като освен разстоянието могат да измерват само един ъгъл.

• Предимство: проста конфигурация;
• Недостатък: отклоняването на лъча е възможно само в една равнина.
• Примери за изпълнение:
  • PAR-80  (хоризонтално отклонение на лъча);
  • AN/FPS-117  (вертикално отклонение на лъча);
  • Антена с голяма вертикална апертура (англ. Large Vertical Aperture, LVA), антена с фиксирана диаграма на излъчване.

Фазовите антенни решетки от този тип се използват главно в случаите, когато се изисква отклоняване на лъча само в една равнина, тъй като цялата антена се завърта в другата равнина (AN/FPS-117 ).

Изображение 4. Тримерна фазирана антенна решетка

Изображение 4. Тримерна фазирана антенна решетка

Тримерни антенни решетки

Такива антени се състоят изцяло от отделни излъчващи елементи, всеки от които има собствен дефазатор. Елементите са подредени под формата на матрица. Разположението на всички елементи в една равнина образува пълна фазирана решетка.

• Предимство: лъчът може да се насочва в различни посоки и е възможно цифрово формиране на диаграмата на насоченост.
• Недостатък: по-сложна конструкция и необходим по-голям брой дефазатори.
•   Примери за изпълнение AN/FPS-85  и Thomson Master-A 

Изображение 5. Решетка с честотно сканиране

Изображение 5. Решетка с честотно сканиране

Решетки с честотно сканиране

Решетката за честотно сканиране е специален вид фазирана решетка, при която главният лъч на диаграмата на насоченост се контролира чрез настройване на честотата на възбудителя. Посоката на лъча е функция на честотата на излъчвания сигнал. Конвенционалната конструкция включва захранване на различни излъчващи елементи от един сгънат вълновод. Антенната решетка за честотно сканиране е специален случай на фазирана решетка с последователно захранване. Конструкцията ѝ се основава на свойствата на разпространение на определена вълна във вълновода. Фазовата разлика между двата излъчващи елемента е n·360º при нормална честота. Когато честотата се променя, ъгълът Θ_s между оста на лъча и нормалата към антенната решетка се променя. С помощта на такава антена е възможно да се сканира във вертикалната равнина, за да се определи височината на целта. За тази цел се използва следният метод.

Ако честотата на радара се увеличи, лъчът се придвижва нагоре. Ако честотата на излъчване се намали, лъчът се движи надолу. По този начин, когато честотата се променя, лъчът на антената сканира ъгъла на мястото. Радарът е конструиран по такъв начин, че запомня функцията за промяна на честотата и след приемане преобразува ехосигналите в данни за триизмерно изображение.

Трябва да се отбележи, че честотното сканиране намалява значението на използването на промяната на честотата като начин за постигане на други полезни ефекти (например предимствата на компресията на импулсите).

Захранващи системи

Изчисляване на фазовото изместване

Фазовата разлика Δφ между два съседни елемента е постоянна и се нарича фазово отместване. Каква е стойността на фазовото отместване, за да се постигне определен ъгъл на лъча?

След това разглеждаме линейно разположение на изотропни излъчващи елементи.

основно направление

дефазатори

Изображение 6. Преди да се получи формулата за изчисление

основно направление

дефазатори

Изображение 6. Преди да се получи формулата за изчисление

(2)

• Δφ е фазовото отместване между два съседни елемента
• d е разстоянието между излъчващите елементи
• Θ_s е ъгълът на отклонение на лъча

(3)