Использование активных фазированных антенных решеток с микрополосковыми излучателями при построении современных радиотехнических систем

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, приемнопередающий 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 тради- ционными 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 электрон- ному 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 характе- ристики 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