Phased antenna array ( PAR ) är en antenn array [1] , vars strålningsriktning och (eller) formen på motsvarande strålningsmönster regleras av en förändring i amplitud-fasfördelningen av strömmar eller excitationsfält på den strålande element [2] .
Strålande element (antennuppsättning) - en integrerad del av antennuppsättningen, en antenn eller en grupp av antenner med en given relativ excitation [2] . I antennuppsättningen bildas det erforderliga strålningsmönstret på grund av en speciellt organiserad interferens av elektromagnetiska vågor som sänds ut i rymden av dess strålande element. För detta tillhandahålls den nödvändiga amplitud-fasfördelningen - de nödvändiga relativa amplituder och initiala faser av växelströmmar eller excitationsfält för varje strålande element i antennuppsättningen . Skillnaden mellan en fasad arrayantenn är att amplitud-fasfördelningen inte är fixerad, den kan justeras (ändras på ett kontrollerat sätt) under drift [2] . Tack vare detta är det möjligt att flytta strålen (huvudloben av strålningsmönstret) av antennuppsättningen i en viss sektor av rymden ( en antennuppsättning med elektrisk strålavsökning [3] som ett alternativ till en mekaniskt avsökt antenn, det vill säga ett alternativ till en mekaniskt roterande antenn [4] ) eller ändra formen på strålningsmönstret.
Dessa och några andra egenskaper hos den fasade arrayen, såväl som förmågan att använda moderna automatiseringsmedel och datorteknik för att kontrollera den fasade arrayen, ledde till deras lovande och utbredda användning inom radiokommunikation, radar, radionavigering, radioastronomi, etc. PAA som innehåller ett stort antal kontrollerade element ingår i sammansättningen av olika marksystem (stationära och mobila), fartygs-, flyg- och rymdradiotekniksystem. Intensiv utveckling genomförs i riktning mot vidareutveckling av teorin och tekniken för fasad array och utvidgning av tillämpningsområdet för deras tillämpning.
Fram till slutet av 1980 -talet krävde skapandet av ett sådant system användningen av ett stort antal enheter, vilket är anledningen till att de helt elektroniskt styrda fasade arrayerna främst användes i stora stationära radarer som den massiva BMEWS (Ballistic Missile Warning Radar) och den något mindre amerikansk marin luftvärnsradar försvar SCANFAR (utveckling av AN/SPG-59 ), installerad på den amerikanska tunga kärnvapenmissilkryssaren Long Beach ( engelska ) och kärnvapenhangarfartyget Enterprise . Dess ättling SPY-1 Aegis installerades på Ticonderoga -klass kryssare och senare på Arleigh Burke jagare . De enda kända användningarna på flygplan var den stora Zaslon (radar) radarn monterad på den sovjetiska MiG-31 interceptor och attackradarn på B-1B Lancer [5] . Används för närvarande i Su-35 och F-22 .
Sådana radarer installerades inte på flygplan främst på grund av deras tunga vikt, eftersom den första generationen av fasad array-teknik använde en konventionell radararkitektur. Medan antennen har ändrats har allt annat förblivit detsamma, men ytterligare miniräknare har lagts till för att styra antennens fasskiftare. Detta ledde till en ökning av antennens massa, antalet beräkningsmoduler och belastningen på strömförsörjningssystemet.
Den relativt höga kostnaden för PAR kompenserades dock av fördelarna med användningen av dem. Fasade antennuppsättningar kan kombinera arbetet med flera antenner i en enda antenn, nästan samtidigt. Breda strålar skulle kunna användas för målsökning, smala strålar för spårning, platta solfjäderformade strålar för höjdbestämning, smala riktningsstrålar för terrängflygning ( B-1B , Su-34 ). I ett fientligt område med elektroniska motåtgärder blir fördelen ännu större, eftersom PAR:er tillåter systemet att placera "nolla" av antennmönstret (det vill säga området där antennen inte är känslig för elektromagnetisk strålning, "blind" ) i riktning mot störaren och på så sätt blockera dem från att komma in i mottagaren. En annan fördel är avvisandet av den mekaniska rotationen av antennen vid avsökning av strålen, vilket ökar hastigheten på visningsutrymmet i storleksordningar och ökar också systemets livslängd, eftersom med införandet av fasning, behovet av besvärligt mekanismer för att orientera antennskivan i rymden har delvis försvunnit. EN STRÅDLAMPA, bestående av tre eller fyra platta dukar, kan ge en cirkulär vy av rymden, upp till hela den övre halvklotet.
Denna teknik gav också mindre uppenbara fördelar. Den kunde snabbt "skanna" ett litet område av himlen för att öka chansen att upptäcka ett litet och snabbt mål, till skillnad från en långsamt roterande antenn, som bara kan skanna en specifik sektor en gång per varv (vanligtvis undersökningsperioden för en radar med en azimutalt roterande antenn är från 5 till 20 sekunder). Ett mål med ett litet effektivt spridningsområde (ESR) (som en lågflygande kryssningsmissil ) är nästan omöjligt att upptäcka med en roterande antenn. Phased arrays förmåga att nästan omedelbart ändra strålens riktning och form ger faktiskt en helt ny dimension till målspårning, eftersom olika mål kan spåras av olika strålar, som var och en är sammanflätad i tid med en periodiskt skanande rymdundersökningsstråle. Till exempel kan en rymdavsökningsstråle täcka 360 grader med jämna mellanrum, medan spårningsstrålar kan spåra individuella mål oavsett var den rymdavsökningsstrålen pekar vid den tidpunkten.
Användningen av PAR har begränsningar. En av dem är storleken på den utrymmessektor inom vilken strålen kan skannas utan betydande försämring av andra indikatorer på strålkastarnas kvalitet. I praktiken, för en platt strålkastare, är gränsen 45-60 grader från den geometriska normalen till antennskivan. Strålavböjning vid stora vinklar försämrar väsentligt antennsystemets huvudsakliga egenskaper (UBL, riktningsfaktor, bredd och form av strålningsmönstrets huvudlob). Detta beror på två effekter. Den första av dessa är en minskning av antennens effektiva yta (öppning) med ökande strålavböjningsvinkel. Att i sin tur minska längden på arrayen, i kombination med en minskning av förstärkningen av antennen , minskar förmågan att upptäcka ett mål på avstånd.
Den andra effekten orsakas av typen av strålningsmönster (RP) för de valda elementen i antennuppsättningen. Det är tillrådligt att avböja PAR-strålen inom huvudloben av RP hos de strålande elementen i antennuppsättningen (elementets partiella RP är bredare än PAR RP-strålen). Att närma sig avsökningsriktningen för PAR till gränsen för huvudloben av det partiella mönstret av elementen leder till en minskning av förstärkningen av PAR och en ökning av nivån på sidoloberna.
Exciteringen av PAR-sändare utförs antingen med hjälp av matarledningar eller med hjälp av fritt utbredningsvågor (i den så kallade kvasi-optiska PAR), matarbanor för excitation, tillsammans med fasskiftare, innehåller ibland komplexa elektriska anordningar (s.k. strålbildande kretsar) som säkerställer exciteringen av alla sändare från flera ingångar, vilket gör det möjligt att skapa samtidigt avsökningsstrålar motsvarande dessa ingångar (i flerstrålkastare). Kvasioptiska fasstyrda arrayer är huvudsakligen av två typer: transmission (lins), där fasskiftarna och huvudsändare exciteras (med hjälp av hjälpsändare) av vågor som utbreder sig från en gemensam matning, och reflekterande - huvud- och extrasändare kombineras och reflektorer är installerade vid utgångarna på fasskiftarna. Kvasioptiska multistråle strålkastare innehåller flera bestrålare, som var och en har sin egen stråle i rymden. Ibland i PAR används fokuseringsanordningar (speglar, linser) för att bilda ett mönster. De fasade arrayerna som diskuteras ovan kallas ibland passiva .
Aktiva fasstyrda arrayer har störst kontroll över egenskaper , där en fasstyrd (ibland även amplitudstyrd) sändare eller mottagare är ansluten till varje sändare eller modul. Fasstyrning i aktiva fasstyrda arrayer kan utföras i mellanfrekvensbanorna eller i exciteringskretsarna för koherenta sändare, mottagares lokala oscillatorer etc. Således, i aktiva fasstyrda arrayer, kan fasskiftare arbeta i vågband som skiljer sig från frekvensområdet för antennen; förluster i fasskiftare påverkar i vissa fall inte direkt nivån på huvudsignalen. Sändning av aktiva fasade arrayer gör det möjligt att i rymden lägga till krafterna hos koherenta elektromagnetiska vågor som genereras av individuella sändare. Vid mottagning av aktiva fasade arrayer gör gemensam behandling av signaler som tas emot av enskilda element det möjligt att erhålla mer fullständig information om strålningskällor.
Som ett resultat av den direkta växelverkan mellan sändarna med varandra ändras egenskaperna hos den fasade arrayen (koordination av sändarna med spännande matare, SOI, etc.) när strålen svänger. För att bekämpa de skadliga effekterna av den ömsesidiga påverkan av sändare i den fasade arrayen används ibland speciella metoder för att kompensera för det ömsesidiga sambandet mellan elementen.
Formerna, storlekarna och designerna på moderna STRÅDLJUSTER är mycket olika; deras mångfald bestäms både av typen av sändare som används och av deras plats. PAR-skanningssektorn bestäms av DN för dess sändare. En fasad array med en snabb vidvinkel strålsvängning använder vanligtvis svagt riktade sändare: symmetriska och asymmetriska vibratorer, ofta med en eller flera reflektorer (till exempel i form av en spegel som är gemensam för hela den fasade arrayen); öppna ändar av radiovågledare, slitsade, horn, spiral, dielektrisk stav, log-periodiska och andra antenner. Ibland består stora PAR av enskilda små PAR (moduler); DN för den senare är orienterad i riktningen för huvudstrålen i hela PAR. I vissa fall, till exempel när en långsam avböjning av strålen är acceptabel, används högriktade antenner med mekanisk rotation som radiatorer (till exempel de så kallade fullrotationsspegelantennerna); i sådana strålkastare avböjs strålen i en stor vinkel genom att vrida alla antenner och fasa in vågorna de sänder ut; fasningen av dessa antenner möjliggör också snabb svängning av PAR-strålen inom deras RP.
Beroende på den erforderliga formen av RP och den erforderliga spatiala skanningssektorn, använder den fasade arrayen en annan relativ position för elementen:
Ibland bestäms formen på strålkastarens öppning av strålkastaren av konfigurationen av objektet som strålkastaren är installerad på. PAR med en bländarform som liknar formen på föremålet kallas ibland konforma. Platta strålkastare är utbredda; i dem kan strålen skanna från normalens riktning till bländaren (som i en fasantenn) till riktningen längs med bländaren (som i en antenn för vandringsvåg). Riktningskoefficienten (KND) för en platt STRÅDLAMPA minskar när strålen avviker från normalen till öppningen. För att säkerställa vidvinkelskanning (i stora rumsvinklar - upp till 4 steradianer utan en märkbar minskning av riktningsförmågan, används en fasad array med en icke-plan (till exempel sfärisk) öppning eller system med platta fasade arrayer orienterade i olika riktningar Avsökning i dessa system utförs genom excitering av respektive orienterade sändare och deras fasning.
Beroende på arten av fördelningen av utsläppskällor i öppningen särskiljs ekvidistant och icke- ekvidistant PAR. I ekvidistant PAR är avstånden mellan intilliggande element desamma genom hela öppningen. I platta ekvidistanta strålkastare är sändare oftast placerade vid noderna i en rektangulär array (rektangulärt arrangemang) eller vid noderna i ett triangulärt rutnät (hexagonalt arrangemang). Avstånden mellan sändare i equidistant phased arrays väljs vanligtvis till att vara tillräckligt små (ofta mindre än den operativa våglängden), vilket gör det möjligt att bilda ett mönster i skanningssektorn med en huvudlob (utan sidodiffraktionsmaxima - den s.k. falska strålar) och en låg nivå av sidolober; för att bilda en smal stråle (det vill säga i en fasad uppsättning med en stor öppning) måste ett stort antal element användas. I icke-ekvidistant PAR är elementen placerade på olika avstånd från varandra (avståndet kan till exempel vara en stokastisk variabel). I sådana STRÅDLAMPOR, även vid stora avstånd mellan intilliggande sändare, kan bildningen av parasitstrålar undvikas och ett mönster med en huvudlob kan erhållas. Detta tillåter, i fallet med stora öppningar, att bilda en mycket smal balk med ett relativt litet antal element; emellertid har sådana icke-ekvidistanta PAR med en stor öppning med ett litet antal sändare en högre nivå av sidolober och följaktligen en lägre riktningsfaktor än en PAR med ett stort antal element. I icke-ekvidistanta strålkastare med små avstånd mellan sändare, med samma styrka av vågorna som emitteras av enskilda element, är det möjligt att erhålla (som ett resultat av den ojämna fördelningen av strålningstätheten i antennöppningen) RP med en lägre sidonivå lober än i ekvidistanta STRÅKLYSNINGAR med samma öppning och samma nummerelement.
Följande kan fungera som PAR-sändare [6] :
Ett exempel på användningen av svagt riktade sändare är antennerna för GSM -basstationer, där patchantenner används som sändare . Dipoler och monopoler används som sändare av LTE -standardantenner [7] .
Ett intressant exempel på användningen av riktade antenner i antennuppsättningskonfigurationer är Allen Telescope Array-projektet , som använder spegelantenner för radioteleskopändamål som antennuppsättningselement .
Enligt metoden för att ändra fasskiften särskiljs PAR:
PAR med elektrisk skanning har störst potential. De tillhandahåller skapandet av olika fasskiftningar genom hela öppningen och en betydande förändringshastighet av dessa skift med relativt små effektförluster. Vid mikrovågor i moderna fasstyrda arrayer används ferrit- och halvledarfasskiftare i stor utsträckning (med en hastighet i storleksordningen mikrosekunder och en effektförlust på ~ 20 % ). Funktionen av fasskiftarna styrs av ett höghastighets elektroniskt system som, i de enklaste fallen, styr grupper av element (till exempel rader och kolumner i plana strålkastare med ett rektangulärt arrangemang av sändare), och i de mest komplexa fallen , varje fasskiftare individuellt. Strålens svängning i rymden kan utföras både enligt en förutbestämd lag, och enligt ett program som utvecklats under driften av hela radioenheten, som inkluderar STRÅKLAMPARNA.
Systemets brusimmunitet beror på nivån på antennens sidolober och möjligheten att justera (anpassa) den till störningsmiljön. Antennuppsättningen är en nödvändig länk för att skapa ett sådant dynamiskt rum-tidsfilter eller helt enkelt för att minska UBL . En av de viktigaste uppgifterna för modern radioelektronik ombord är skapandet av ett integrerat system som kombinerar flera funktioner, såsom radionavigering , radar , kommunikation, etc. Det finns ett behov av att skapa en antennuppsättning med elektrisk avsökning med flera strålar ( multistråle , monopuls , etc.) vid olika frekvenser ( kombinerade ) och med olika egenskaper. Dessa uppgifter löses framgångsrikt på basis av digital bildning av ett flervägsstrålningsmönster i digitala antennuppsättningar .
En betydande begränsning av brusimmuniteten för den fasstyrda arrayen är den låga bitbredden hos fasskiftarna (5-7 bitar), som inte tillåter bildandet av djupa "nollor" i strålningsmönstret för att skydda mot störningar [9] . Dessutom är brusimmuniteten för radiotekniksystem med fasstyrd array begränsad av att egenskaperna hos analoga fasskiftare inte är identiska.
Det normaliserade strålningsmönstret för en linjär fasad antennuppsättning för lika orienterade identiska sändare placerade på lika avstånd från varandra kan beskrivas med följande formel [10] :
var är intervallet av vinklar (azimut) inom vilket den fasstyrda matrisen kan skanna, är vågnumret , är våglängden ( bärvåg ), är antennuppsättningens tonhöjd, är strålningsmönstret för en enkel antennuppsättningsradiator och är riktningen motsvarande maximivärdet för huvudloben.
Det bör noteras att denna formel endast är giltig för fall när amplituderna för strömmarna i emitterna är lika, ändras fasförskjutningen enligt lagen , där är numret på fasskiftaren.
För att simulera en stråle i två ömsesidigt vinkelräta plan och ge möjligheten att modellera dess kontroll i en viss sektor av rymden, kan följande formel användas [11] :
där och är intervallen av vinklar (azimut och höjd) i vilka den fasade arrayen kan skanna, och är riktningarna för maximum (azimut och höjd), och är avstånden mellan element längs axlarna och och och är antalet element längs axlarna och .
Antennuppsättningar kan klassificeras enligt följande huvudfunktioner:
I vägen ( mataren ) som matar antennuppsättningen är olika rymd-tidssignalbehandlingar möjliga . Om en effektförstärkare, signalgenerator eller frekvensomvandlare är ansluten till varje PAR-sändare eller grupp kallas sådana arrayer för aktiva fasade antennuppsättningar ( APAA ).
Mottagande antennsystem med signalbearbetning av koherent optik kallas radiooptisk . Mottagande antennuppsättningar där bearbetning utförs av digitala processorer kallas digitala antennuppsättningar [12] .
Mottagande antennuppsättningar med självreglerande amplitud-fasfördelning beroende på störningssituationen kallas adaptiva [19] . I den engelskspråkiga litteraturen används termen smart-antenn [9] : en "smart" antennuppsättning skapas delvis av dess förmåga att anpassa sina parametrar till nuvarande förhållanden för att uppnå vissa vinster - dess anpassningsförmåga. Detta tillvägagångssätt har varit känt i litteraturen sedan åtminstone mitten av 1970-talet [20] . I allmänhet finns det flera huvudapplikationer för adaptiva antennsystem:
Kombinerade antennuppsättningar har två eller flera typer av sändare i sin bländare, som var och en arbetar inom sitt eget frekvensområde .
Ibland förväxlas konceptet med en antennuppsättning med konceptet MIMO -teknik. Strängt taget är denna formulering av frågan felaktig: för implementering av MIMO-teknik krävs minst två antenner på sändningssidan och två antenner på mottagningssidan, medan termen PAR i klassisk mening [21] betyder en antenn som består av flera element och bildar en avsökningsstråle. Det finns dock antennuppsättningar som bildar flera oberoende (ortogonala) strålar från en utstrålande apertur och har ett lämpligt antal ingångar - multibeam antennuppsättningar [22] [23] . Dessutom är det värt att förtydliga att moderna smarta antenner [9] , som gör det möjligt att tillämpa bland annat MIMO -teknik , kan implementeras på basis av phased array [24] [25] .
Beroende på förhållandet mellan excitationsströmmarnas amplituder särskiljs gitter med:
Om faserna för emitterströmmarna ändras längs linjen för deras placering enligt en linjär lag, kallas sådana gitter gitter med linjär fasfördelning. Ett specialfall av sådana gitter är i-fas gitter, där faserna för strömmen för alla element är desamma.
![]() |
---|