СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ АНТЕННЫХ СИСТЕМ

MODERN DIRECTIONS IN ANTENNA SYSTEMS DEVELOPMENT

Dmitry Altunin

Laboratory assistant, Tula State University, Russia, Tula

Аннотация. В статье рассматривается понятие радиолокационной системы (РЛС), состоящей из блоков обработки, системы управления и синхронизации, приемно-передающего тракта и антенной решетки. Особое внимание уделяется антенной решетке как наиболее важной части РЛС, отвечающей за излучение и прием отраженных сигналов. Проведено математическое моделирование изменения формы диаграммы направленности антенной решетки в зависимости от количества неисправных излучающих элементов.

Abstract. The article discusses the concept of a radar system (RS), consisting of processing units, a control and synchronization system, a transmitting and receiving path, and an antenna array. Particular attention is paid to the antenna array as the most important part of the radar, responsible for the emission and reception of reflected signals. Mathematical modeling of changes in the shape of the antenna array radiation pattern depending on the number of faulty radiating elements is carried out.

Ключевые слова: радиолокация, антенная решетка, активная фазированная антенная решетка.

Keywords: radar, antenna array, active phased antenna array.

Термин «радиолокация» происходит от двух латинских слов «radiare» (излучать), и «locatio» (размещение, расположение). Сложение этих двух слов позволяет трактовать, что радиолокация занимается определением местоположения различных объектов по излученным от них сигналом. Более точной формулировкой следует считать, что радиолокация — это область радиоэлектроники, которая занимается разработкой методов и технических систем, предназначенных для обнаружения, определения координат и параметров движения различных объектов с помощью радиоволн. С помощью радиолокации решаются задачи обнаружения наземных и воздушных объектов, навигация воздушных и морских судов, управление средствами противовоздушной обороны, обеспечение безопасности движения транспортных средств, предсказание возникновения погодных явлений. [1]

В настоящее время, совокупностью радиолокационных устройств, предназначенных для решения какой-либо общей задачи, например обнаружение наземной или воздушной цели называется радиолокационной системой (РЛС). Которая, в свою очередь, состоит из блоков обработки, системы управления и синхронизации, приемно-передающего тракта и антенной решетки. Каждый блок является неотъемлемой частью РЛС и от их параметров зависит как назначение РЛС, так и общие тактико-технические характеристики. Однако, наиболее важной частью данной системы является антенная решетка, назначение которой излучать и принимать отраженные сигналы.

Антеннами принято называть устройство способное совершать прием и передачу электромагнитных волн в пространстве в заданном частотном диапазоне. Простейшими элементами антенны являются одиночные излучатели, к ним обычно относят вибраторные, щелевые, полосковые и рупорные антенны. Для эффективного поиска целей на практике применяются антенны с узким лучом диаграммы направленности. Узкий или игольчатый луч возможно получить путем объединения группы простейших излучателей в общую антенную решетку (АР) по специальным законам распределения питания электромагнитной волны.

Антенные решетки в свою очередь на сегодняшний день принято делить на фазированные антенные решетки (ФАР) и активные фазированные антенные решетки (АФАР)

Фазированные антенные решетки принято считать АР с возможностью управления фазой сигнала каждого излучающего элемента для изменения направления главного луча диаграммы направленности.

Рисунок 1. Структурная схема фазированной антенной решетки

Современным поколением антенных решеток принято считать активные фазированные антенные решетки. Их ключевое отличие от ФАР заключается в непосредственной интеграции приёмных и передающих трактов в каждый излучатель антенны, в виде распределенных устройств приемо-передающих модулей (ППМ).

Рисунок 2. Структурная схема приемно-передающего модуля АФАР

Основными преимуществами АФАР принято считать повышенный энергетический потенциал, возможность формирования различного амплитудного распределения в раскрыве антенной решётки в зависимости от поставленной задачи, высокий уровень соотношения сигнал/шум при обработке поступающего сигнала. Так же следует отметить возможность управления амплитудным распределением в раскрыве антенны, за счет применения отдельных блоков аттенюаторов в каждом излучающем канале. Всё это позволяет динамически изменять характеристики антенной решетки в режиме реального времени. Это в свою очередь позволяет использовать небольшое количество элементов антенной решётки для повышения скрытности при осуществлении зондирования пространства и поиске цели.

Однако, выход из строя нескольких излучателей антенной системы в момент зондирования приведет к искажению диаграммы направленности. Характер искажений будет прямым образом зависеть от количества потерянных излучателей и проявляться в увеличении ширины главного лепестка диаграммы направленности, возрастании уровня боковых лепестков и уменьшении общего энергетического потенциала системы, что в свою очередь приведет к уменьшению дальности действия системы в целом.

Энергетический потенциал зависит от амплитудного распределения системы в раскрыве антенной решётки, выходной мощности приёмо-передающего модуля Р, количества модулей в апертуре N_ППМ, площади апертуры S и коэффициента использования поверхности КИП. Таким образом общая формула для определения энергетического потенциала выглядит следующим образом:

.

Рисунок 3. Зависимость энергетического потенциала от количества вышедших из строя излучателей

Антенну называют направленной, если она создает неодинаковую величину напряженности поля излучения в равноудалённых от неё точках пространства. На практике в радиолокации наибольшее распространение получили остронаправленные антенны, за счет своей возможности обеспечения углового разрешения целей и увеличенной дальностью действия.

Под диаграммой направленности антенны понимается зависимость напряженности электромагнитного поля, создаваемой антенной в равноудаленных от неё точках, от угловых координат. Равноудаленные от антенны точки располагаются на сферической поверхности и определяются двумя углами: угол места θ и азимут φ. В общем случае, формула диаграммы направленности можно представить в виде:

где M, N – количество излучателей по азимутальной и угломестной осям, которые образуют антенную решётку; A(m, n) – амплитуда (m, n) излучателя,  – волновое число; d(m, n) – расстояние между соседними излучателями, m, n – номер излучателя; θ_,  φ – угловые координаты.

Рисунок 4. Диаграммы направленности антенны при количестве неисправных излучателей равном 0 и 20 %

Исследование влияния уменьшения общего количества рабочих излучателей на форму диаграммы направленности показывает, что даже при незначительных потерях излучателей форма диаграммы направленности сильно искажается, что в свою очередь оказывает влияние на ключевые параметры антенной решетки, таких как уровень боковых лепестков, ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности, что в свою очередь оказывает прямое влияние на дальность действия радиолокационной станции, соотношение сигнал/шум принимаемого отраженного сигнала и другие параметры РЛС.

Таким образом, современное поколение антенных систем должно обладать возможностью динамически изменять свою топологию, с целью уменьшения количества «пятен» вышедших из строя излучателей, чтобы сохранять высокий уровень работоспособности системы при различных потерях излучателей в раскрыве антенной решетки.

Работы проводились при финансовой поддержке гранта Правительства Тульской области №ДС/114/РЭ1/23/ТО