АНТЕННЫЕ УСТРОЙСТВА – ЧАСТЬ 3

November 22, 2011 by admin Комментировать »

За рубежом в настоящее время вводятся в регулярную эксплуатацию такие высокоточные антенны /миллиметрового диапазона волн, как антенна Калифорнийского технологического института с зеркалом диаметром 10,4 м, изготовленным с точностью 35 мкм; Западно-Европейская антенна на Пико-Велета (Испания) с зеркалом диаметрам 30 м и точностью обработки поверхности 90 мкм и антенна Токийской обсерватории с зеркалом диаметром 45 м, оборудованная системой автоматического поддержания требуемого профиля отражающей поверхности с точностью 0,2 мм. Последнюю предполагается использовать в системе апертурного синтеза совместно с антеннами малых размеров. В связи с этим заметим, что создание систем апертурного синтеза является одним из перспективных (и важных направлений развития радиотелескопов.

С экономической точки зрения главной задачей при проектировании больших радиотелескопов можно считать снижение массы при сохранении точности поверхности рельефа. Исследования показали, что регулировку гравитационных деформаций распределением массы конструкции, применяемую в «гомологических» схемах, в отдельных случаях можно заменить или дополнить регулированием усилий, как это делается в вантовых, оболочечных и других конструкциях. В результате был предложен новый тип легких зеркальных антенн с предварительно напряженной ванто- во-стержневой пространственной структурой зеркала и создан Байтовый радиотелескоп РТВС-12, предназначенный для радиоастрономических наблюдений в дециметровом диапазоне волн (рис. 7). Основной особенностью радиотелескопа является конструкция его антенны, образованной системой гибких нитей (тросов) и жестким стержневым опорным контуром.

Полноповоротная антенна РТВС-12 имеет следующие основные характеристики: диаметр раскрыва 12 м; отражающая поверхность — сетка с ячейками 10X10 .мм, воспроизводящая требуемую форму с точностью 7 мм; ширина диаграммы около 50′ на минимальной рабочей волне 12 см; масса зеркала 1,3 т; общая масса металлоконструкций 5 т. В ходе испытаний влияния тепловых и механических деформаций антенны на ее электрические характеристики замечено не было.

По своим механическим параметрам конструкция антенны занимает место, промежуточное между тонкостенными оболочками и традиционными для зеркальных антенн стержневыми конструкциями. В общем случае относительная точность воспроизведения требуемой формы поверхности подобных конструкций порядка Ю-4 при удельной массе апертуры не более 15 кг/м2.

В настоящее время заканчивается сооружение радиотелескопа РТ-32/54, предназначенного для работы на волнах до 2 мм. Антенна радиотелескопа состоит из неподвижного полусферического зеркала диаметром 54 м и малого перемещаемого зеркала диаметром 5 м, служащего для исправления сферических аберраций и изменения положения луча в пределах конуса с углом при вершине 120°. При этом диаметр используемой части раскрыва ан-

Рис. 7. Байтовая антенна радиотелескопа РТВС-12

теины будет равен 32 м. Строящийся радиотелескоп оснащается современной системой автоматического управления, а в конструкциях элементов его зеркал предусмотрены устройства компенсации температурных ‘и гравитационных деформаций. По своим расчетным характеристикам радиотелескоп стоит в ряду лучших из имеющихся в настоящее время (инструментов подобного типа.

Развитие радиолокационных систем различного назначения идет по пути улучшения их помехозащищенности, автоматизации управления, в частности введения систем адаптации к помеховой и целевой обстановке, все более широкого использования ЭВМ в системах обработки и передачи полученной (информации. Все это накладывает определенные требования на антенные системы. Примером того, как эти требования сказываются на выборе типа и конструкции антенн, могут служить разработанные в последние годы загоризонтные радиолокационные станции (РЛС), работающие в декаметровом диапазоне волн. Антенны таких станций представляют собой две многоэтажные разнесенные на несколько десятков километров вибраторные решетки ((приемная и передающая) высотой в несколько десятков метров. Такое построение антенной системы обусловлено необходимостью обеспечить достаточную развязку между мощной передающей и высокочувствительной приемной системами, быстрое электрическое сканирование в широком (азимутальном секторе, отстройку от помех и подбор трассы прохождения сигналов, для чего необходимо управлять лучом в угломестной плоскости. Все эти операции выполняются с помощью ЭВМ, анализирующей непрерывно меняющиеся условия распространения радиоволн, (состояние ионосферы и по- меховую обстановку.

Одной из основных особенностей антенной системы загори- зонтной РЛС является гигантская секционированная приемная антенная решетка протяженностью до 2,5 км. При таких размерах приемной антенны ее коэффициент усиления достигает 30 дБ, а ширина луча в горизонтальной плоскости на средней частоте рабочего диапазона составляет около 0,5°. Формирование лучей в приемной антенне и обработка получаемой (информации осуществляются цифровыми методами. Передающая антенна имеет меньшие размеры и формирует луч шириной в несколько градусов. Излучатели антенных решеток загоризонтных РЛС работают в широком диапазоне частот (например, от 5 до 50 МГц). Передающая антенна обеспечивает излучение сигналов, средняя мощность которых достигает нескольких сотен киловатт.

Для использования в многофункциональных трехкоординатных радиолокационных системах и для наблюдения за космическими объектами созданы ФАР, состоящие из многих тысяч излучателей, работающие в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн и обеспечивающие практически безынерционное управление диаграммой направленности в широком пространственном секторе углов (рис. 8). Излучатели фазируются с помощью фазовращателей, чаще всего ферритовых или полупроводниковых. Активные ФАР

Рис. 8. Радиолокационная станция AN/FPS-86 системы контроля космического пространства

строят из модулей, в состав которых, кроме излучателей и фазовращателей, входят усилители, генераторы и элементы системы управления. Каждый из таких модулей является, по существу, небольшой PJIC. Стала возможной практическая реализация достоинств ФАР, «и области их применения за истекшее десятилетие существенно расширились в результате разработки и запуска в серийное производство таких элементов, как фазовращатели, излучатели, переключатели, делители мощности.

Фазированные решетки с фазовым электрическим управлением диаграммой направленности обладают рядом существенных преимуществ перед антеннами других типов, однако отличаются сложностью конструкции и высокой стоимостью. Трудности создания антенн по принципу ФАР для миллиметрового диапазона волн обусловлены также усложнением технологии. Указанные обстоятельства стимулировали поиск новых технических решений, приведший к разработке принципов построения «голографических» сканирующих антенн и линз с управляемым показателем преломления. В «голографических» (дифракционных) антеннах диаграмма напр ав лени ости формируется в результате прохождения волны через полупроводниковую панель, в определенных областях которой с помощью фотовозбуждения или инжекций через электронный луч генерируются избыточные носители зарядов. При изменении конфигурации этих областей изменяется направление излучения и форма диаграммы направленности.

Для построения линз используют среды с электрически управляемым показателем преломления: ферриты, полупроводники, взвеси поляризуемых частиц в жидких диэлектриках, периодические структуры на основе ферритовых и полупроводниковых элементов. Созданы и экспериментально исследованы макеты антенн с управляемыми линзами для диапазонов сантиметровых и миллиметровых волн. Управляемые линзы характеризуются высокой степенью интеграции.

Исследуются возможности расширения сектора ‘Сканирования плоских ФАР до полусферы с помощью неуправляемых «купольных» линз.

Существенно усовершенствованы антенны с комбинированным управлением лучом, сочетающие механическое сканирование по азимуту и электрическое по углу места. В большинстве случаев такие антенны состоят из цилиндрического зеркала, формирующего диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, и облучателя в виде линейной решетки излучателей с электричеоким фазовым или частотным сканированием. Использование антенн с комбинированным управлением лучом позволило создать относительно недорогие многофункциональные РЛС (рис. 9).

Совершенствование радиолокационных антенн зеркального типа направлено на улучшение электрических характеристик и расширение сектора обзора пространства. Внедрялись многочастотные и многоканальные облучатели, позволяющие формировать многолучевые диаграммы направленности и снижать уровень бокового излучения. Широко использовалось комплекаирование в одной системе аппаратуры, рассчитанной для работы в нескольких частотных диапазонах, и вводились устройства управления поляризацией излучаемого поля.

В качестве примера приведем метеорологический двухволновый радиолокатор МРЛ-5, предназначенный для работы в системах грозозащиты и штормового оповещения. Лолноповоротная антенна радиолокатора представляет собой .параболоид диаметром 4,5 м с рупорным двухдиапазонным облучателем, обеспечивающим фор- М1ирование диаграмм направленности шириной 0,5° на оволне 3,14 ом и 1,5° на волне 10,15 см. Предусмотрена возможность быстрой установки между основным зеркалом и облучателем дополнительного малого зеркала, «прозрачното» для волны 10,15 см и позволяющего увеличить ширину диаграммы направленности на волне 3,14 ом до 1,5° (режим грозозащиты). Антенна установлена под радиопрозрачным сферическим обтекателем.

В радиолокационном комплексе «Скала», разработанном для системы управления воздушным движением, используется зеркальная антенна с поверхностью двойной кривизны и размерами 15X10,5 м. В фокусе отражателя на вынесенной вперед стреле установлен двухрупорный облучатель. Антенна расположена на восьмиэтажной башне под радиопрозрачным укрытием. Ширина лучей антенны в горизонтальной плоскости 1,1°. Верхний луч поднят относительно основного луча на 4°. В вертикальной плоскости суммарная диаграмма направленности близка к «косекансной» с крутизной порядка 5 дБ/град под малыми углами места. Это позволяет уменьшить мешающие отражения от Земли на 17… 18 дБ. В полноводном тракте установлены устройства управления поляризацией волны, с помощью которых, подбирая поляризацию, можно уменьшить отражения от гидрометеообразовании. В верхней части зеркала размещена антенна вторичного радиолокатора, работающего с установленными на борту самолета ответчиками. Антенная система вращается со скоростью 3 и 6 об/ми:н. При разработке и создании антенны приняты меры по обеспечению повышенной надежности и электромагнитной (совместимости с другими используемыми радиосистемами. Специальное ограждение площадки, на которой установлена антенна, и форма диаграммы направленности позволяют снизить плотность потока мощности на прилегающей к радиолокационному комплексу территории до значений, предписываемых санитарными нормами.

В трассовых радиолокаторах «Скала-МПР» антенные системы монтируют на металлических основаниях под радиопрозрачным укрытием или без него (рис. 10).

Разработан (ряд вариантов гибридных антенных систем, состоящих из зеркала или линзы и облучателя с электрически управляемой диаграммой направленности (сканера).

Гибридные антенны с зеркалом специального профиля в принципе могут обеспечить сканирование диаграммы направленности в довольно широком пространственном секторе углов без существенного искажения ее формы. Но при этом сканер (фазированная антенная решетка) должен иметь достаточно большие размеры. Затенение раскрыва основного зеркала таким сканером можно уменьшить несколькими способами, общим для большинства из которых является переход к двузеркальной системе с не- затеняющим вспомогательным зеркалом. Если размеры вспомогательного зеркала велики, то для устранения затенения используется принцип поворота плоскости поляризации на главном зеркале, а вспомогательное зеркало выполняется в виде решетки из линейных проводов или пластин.

В современных зеркальных антеннах широко применяют различного рода диэлектрики для изготовления как главного, так и вспомогательного зеркал. Диэлектрик в конструкции вспомогательного незатеняющего зеркала служит для фиксации параллельных проводов либо пластин, поэтому наряду с требованием механической прочности к нему предъявляют требования радиопрозрачности. Вспомогательные зеркала изготовляют из пенополиури- тана, сотового стеклотекстолита и радиопрозрачной керамики. Если [механические нагрузки на антенну невелики, то целесообразно использовать трехслойные и тонкостенные конструкции, просветленные индуктивной сеткой. Основные зеркала обычно выполняют (ИЗ стеклопластиков или полимерных материалов, армированных углеродным волокном. Последние отличаются более высокими физико-механическими свойствами. Малая масса, связанная с незначительной плотностью самого материала, большой модуль упругости и малый коэффициент теплового расширения позволяют конструировать и изготовлять антенны для космических аппаратов, которые выдерживают перепады температур в сотни градусов.

В большинстве современных радиолокационных комплексов сигналы, принятые антенной, подвергаются сначала специальной обработке, и уже затем результирующий сигнал подводится к приемному устройству. При этом увеличивается количество извлекаемой информации об объекте или улучшаются антенные параметры. Введение в антенну устройств обработки сигнала позволяет повысить точность определения угловых координат объекта без увеличения размеров антенны; обеспечить одновременный обзор некоторого сектора пространства при помощи веера лучей; создать диаграмму направленности с пониженным уровнем бокового излучения; сформировать диаграмму с ориентацией главного максимума в направлении прихода полезного сигнала и «нулем» в направлении помехи. Сигналы обрабатываются методами модуляции параметров антенны, фильтрацией, адаптацией, в частности самофокусировкой антенны.

Последовательное с соответствующей задержкой суммирование сигналов, принятых движущейся антенной в различные промежутки времени, позволяет «сформировать искусственный раскрыв больших размеров. Установленная на движущемся объекте РЛС излучает когерентные зондирующие сигналы, принимает отраженные сигналы, которые запоминаются и затем складываются таким образом, как если бы они были приняты большой антенной решеткой с излучателями, расположенными вдоль траектории носителя РЛС в точках, соответствующих моментам излучения зондирующих импульсов. Размеры такой искусственной (синтезируемой) апертуры могут на много порядков превышать линейные размеры антенны бортовой РЛС и ограничиваются, главным образом, возможностями когерентного накопления сигналов. В современных РЛС для обработки используются устройства с динамической памятью, работающие в реальном масштабе времени (например, системы с фильтрами доплеровских частот и линиями задержки) ; оптические когерентные системы; специализированные ЭВМ. Антенны с такими системами обработки широко применяются в бортовых радиолокационных комплексах для обзора земной поверхности и непрерывно совершенствуются.

Заметим, что в антеннах с системами обработки сигналов трудно провести границу между «собственно антенной и системой обработки. Тесно взаимосвязаны и их характеристики. Особенно ярко это проявляется в современных РЛС с фазируемыми антенными решетками.

Развитие радиоэлектроники и расширение областей ее применения в науке и технике ставит все новые задачи перед разработчиками антенных систем. Одной из важнейших задач, которую предстоит решить в области антенной техники в ближайшие годы, является освоение миллиметрового и децимиллиметрового диапазонов волн, создание элементной базы, измерительной аппаратуры и антенн различного назначения, работающих в указанных диапазонах.

Стремление увеличить разрешающую способность по угловым координатам потребует оснащения радиолокационных и связных систем антеннами больших размеров. Развитие космической техники позволит создать в космосе крупногабаритные антенные системы, которые существенно расширят возможности радиоастрономии и повысят надежность и дальность связи с наземными и космическими объектами. Все более широкое применение антенн с электрическим управлением диаграммой направленности требует дальнейшего их совершенствования в направлении как улучшения радиотехнических характеристик, так и упрощения технологии производства и снижения стоимости.

Следует ожидать, что при разработке новых антенн для радиолокации и связи будут выдвигаться все более высокие требования к многочастотности, полосе пропускания, электромагнитной совместимости, помехозащищенности ih надежности (В эксплуатации, что потребует новых технических решений. В диапазоне сверхвысоких частот представляется необходимым переход к гибридным интегральным схемам и повышение степени интеграции аппаратуры в целом.

В наступающем десятилетии все шире будут использоваться ЭВМ для оптимального управления диаграммой направленности в соответствии со складывающейся на данный момент обстановкой, для обработки получаемой информации и контроля за состоянием аппаратуры. Расширится применение активных фазированных антенных решеток с поэлементной цифровой обработкой сигналов (и излучающих систем с нелинейной обработкой и изменяющимися во времени параметрами. Поэтому следует ожидать, что в дальнейшем антенны с электрически управляемыми характеристиками постепенно займут доминирующее положение во всех областях антенной техники.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты