Радиолокация и ФАР

План: 1 Введение. 2 Радиолокация. 2.1 Опыты Герца 2.2 Основные принципы.
2.3 Основные характеристики. 2.4 Пассивные и активные системы радиолокации. 2.5 Задачи решаемые радиолокацией. 3 Фазированные антенные решетки. 3.1 Как все начиналось. 3.2 Устройство и принцип работы. 3.3 Основные характеристики антенны. 3.4 Фазовращатель. 3.5 Характеристика экспериментального фазовращателя. 4 Заключение Библиография
1. ВВЕДЕНИЕ Где-то в пятидесятые годы большинство жителей нашей страны впервые услышали слово радиолокация. Оно произносилось, как правило, тихим голосом, с большим почтением и уважением к этому слову и несло в себе элемент того, что произносивший это слово причастен к каким-то высшим либо военным, либо научным секретам. Популярные массовые публикации того времени в газетах и журналах, детективные повести и фильмы убеждали читателей и зрителей в существовании очень сложного, способного сотворить чудо средства, которое позволит защитить наше небо от непрошеных гостей, дать возможность самолетам летать в любую погоду, при любой видимости и видеть все, что творится в небесах, на земле и на море. Но шло время и, как это всегда бывает, массовый интерес к радиолокации угас, его вытеснили новые научные и технические успехи, а сама радиолокация стала оформляться в строгую научную дисциплину с четко очерченными границами возможностей и приложений. Потребовалось немало времени, чтобы усовершенствовать способы и технику радиообнаружения целей. Приборы радиообнаружения получили массовое применение только во второй мировой войне. Самолеты и корабли, облучаемые радиоволнами, уподобляются зеркалам. Конечно, они мало напоминают ровную, полированную поверхность обычного зеркала, и поэтому отражение от них получается беспорядочным, рассеянным во все стороны. Но часть отраженных радиоволн непременно попадет к тому месту, где установлен чувствительный радиоприемник. Сейчас же получается сигнал: радиоволны что-то “нащупали”, они наткнулись на какое-то препятствие — обнаружили цель! Сегодня мы имеем, с одной стороны, классическую учебно-научную дисциплину, вошедшую в обязательную программу подготовки специалистов в области радиотехники, с другой стороны, удивительные по своим возможностям многочисленные различные радиолокационные станции и устройства, действительно способные совершить невозможное и увидеть то, что в житейском плане в принципе невозможно увидеть. Я постараюсь дать представление о физических принципах, которые заложены в радиолокации, ее возможностях и некоторых проблемах, которые стоят перед ней как наукой, а также проиллюстрировать некоторые достижения в области радиолокационной техники рядом примеров. 2. РАДИОЛОКАЦИЯ 2 .1 Опыты Герца В школьных учебниках физики вы можете найти описание опыта, который произвел в 1888 г. знаменитый физик Герц (рис. 1). Своим опытом ученый доказал, что полученные им радиоволны, которые он назвал электромагнитными, могут отражаться от металлических тел, подобно тому, как лучи света отражаются от зеркал. На рисунке вы видите три основные детали. Слева расположен прибор, излучающий радиоволны, направленные пучком к большому металлическому листу. Эта вторая деталь рисунка представляет собой зеркало для радиоволн. Отразившись от металлического листа, радиоволны попадают к приемному аппарату. Стоит убрать металлический лист, и приемный аппарат перестанет сигнализировать о получении им отраженных волн. Не встречая отражающей поверхности, радиоволны, распространяясь прямолинейно, уйдут в окружающее пространство, минуя приемный аппарат. Дальше вы убедитесь, что этот опыт имеет прямое отношение к основам радиолокации. Напомним, что в то время, когда производился этот опыт, о радио еще ничего не было известно. То, что мною названо радиоволнами, в то время имело другое название: электромагнитные волны, или лучи Герца. Радиоволнами они стали называться значительно позднее, после того, как в 1895 г. русский ученый Попов впервые применил эти лучи для связи на расстоянии без проводов. 2.2 Основные принципы Отражение радиоволн — первая основа, первый принцип радиолокации. Не будь отражения радиоволн, не было бы и радиолокации. Обнаруживаемая посредством радиолокации цель выдает себя тем, что отражает направленные на нее радиоволны. Пока никаких объектов в воздухе или на водной поверхности нет, радиоволны не встречают отражающих поверхностей, и специальные приемные аппараты не получают никаких сигналов. Стоит появиться цели, как она сейчас же отразит от себя волны, и приемные аппараты воспримут отражение. Свойством отражать радиоволны обладают не только металлы, но и вообще все тела, способные проводить электрический ток. Земля, например, тоже отражает радиоволны: отражают радиоволны и горы, холмы, а также массивные сооружения — здания, железнодорожные мосты, металлические башни, ангары и т. п. Если радиоволны излучаются во все стороны равномерно, не направленно, то и отражения могут быть получены со всех направлений. Целью может стать ближайшая водонапорная башня в южном направлении и одновременно с ней — элеватор на севере, самолет на западе и фабричная труба где-либо на востоке. Чтобы определить, где находится интересующая нас цель, нужно знать направление на нее или азимут (пеленг). На рисунке, заимствованном из учебника физики, показано, что радиоволны направляются на отражающий металлический лист узким пучком. При направленном излучении отпадают всякие сомнения в отношении пеленга цели. Если радиолокационная станция излучает радиоволны направленно и при этом она же получает отражение, то цель, очевидно, находится именно в том направлении, куда излучаются волны. Направленность составляет вторую основу радиолокации, второй ее принцип. Как видите, поучительный рисунок из учебника физики содержит почти готовую идею радиолокации. Роль цели в ней играет металлический лист. Пусть наблюдатель находится в точке 0, он хочет узнать, что находится в некоторой другой точке 1 и какими физическими и геометрическими характеристиками это обладает. Чем располагает наблюдатель? Он имеет возможность излучать радиоволны и концентрировать при помощи антенны основную долю излучаемой энергии в заданном направлении. (Принципиальный момент: несмотря на то, что основной поток энергии каким-то образом сконцентрирован в пространстве, энергия излучается по всем направлениям без исключения.) Наблюдатель имеет возможностьĀ принимать отраженные радиоволны с требуемого направления. (Принципиальный момент: прием отраженных радиоволн осуществляется, тем не менее, со всех направлений без исключения.) Наблюдатель также может обладать определенными сведениями об объекте наблюдения (радиолокационная цель) и об окружающей среде.Сказанное позволяет отнести радиолокацию к классу задач дистанционного зондирования. Рассмотрим теперь, какие физические процессы происходят при осуществлении радиолокационного зондирования. Итак, наблюдатель излучает радиоволну, которая, спустя какое-то время, достигает точки 1, где наводит на исследуемом объекте токи обусловленные электрическим и магнитным полем, которые, свою очередь, порождают радиоволны, распространяющиеся по всем направлениям, в том числе и в направлении на точку 0. Отраженная радиоволна достигает точки 0, где в приемнике радиолокационной станции вызывает появление соответствующего сигнала (тока, напряжения). Ясно, что вся получаемая информация о наблюдаемой цели может быть получена только из сравнения излученного и принятого сигналов. Будучи извлеченной, эта информация будет выражаться на языке электрических сигналов, а не на языке каких-либо физических или геометрических характеристик цели. Перевод с одного языка на другой это другая самостоятельная задача.
В радиолокации используются радиоволны с длиной волны, приходящейся на сантиметровый (реже дециметровый) и миллиметровый диапазоны. Сам же вид излучаемого сигнала оказывается достаточно прост. Как правило, это последовательность коротких во времени импульсов, следующих один за другим через время, много превосходящее длительность этих импульсов. Ширина спектра таких сигналов Δf в подавляющем большинстве случаев оказывается во много раз меньше несущей частоты излучаемого сигнала f0, то есть у радиолокационных сигналов (за исключением особых случаев) отношение Δf /f0 U(t) = A(t)cos(2πf0 t + φ(t)), (1) где A(t) и φ(t) - медленно за период высокой частоты Т = 2π/f0 меняющиеся во времени функции. Оказывается, такое на вид простое представление, каковым является выражение (1), несет в себе серьезную проблему, превращающую радиолокацию с точки зрения решения стоящих перед ней задач в класс особых наук, что крайне принципиально. Отраженная радиоволна, естественно, будет также иметь вид, определяемый равенством (1). Если цель неподвижна, то частота отраженного сигнала не изменится, а изменения претерпят лишь его амплитуда и фаза. Облучению подвергнутся также все остальные цели и, в частности, те из них, которые расположены на том же расстоянии от радиолокационной станции (назовем эти цели, например, 2 и 3), что и исследуемая цель 1. Естественно, что радиоволны, отраженные от целей 1, 2 и 3, одновременно достигнут точки 0, где расположена радиолокационная станция. В этом случае сигнал в точке 0 найдется простым сложением трех сигналов типа того, что определено равенством (1). Это значит, что и суммарный сигнал будет также иметь тот же вид, что и представление (1), независимо от того, присутствует или отсутствует обнаруживаемая цель. Это значит, что независимо от ситуации наличия или отсутствия цели в общем случае на входе радиолокационного приемника всегда присутствует сигнал одного и того же вида – квазигармоническое колебание. Следующий важный вопрос состоит в том, чтобы выяснить, а что вообще несет в себе радиолокационная информация, то есть, иными словами, а что вообще можно получить из радиолокационных измерений. Для получения ответа на этот вопрос отвлечемся от воздействия помех и влияния среды распространения радиоволн. Чтобы такая картина представлялась реальной, можно просто считать, что интенсивность волны, отраженной от исследуемой цели, существенно превосходит соответствующие величины для помехового сигнала. Итак, приступим к поиску ответа на поставленный вопрос. Для этого, прежде всего, выберем некоторую ортогональную систему координат (X,Y), в которой в дальнейшем будем проводить анализ протекающих процессов. Сначала будем считать, что излучается радиоволна, у которой электрический вектор Erad имеет только X-компоненту (горизонтальная поляризация). Если не накладывать никаких дополнительных ограничений, то электрический вектор отраженной радиоволны Eref в общем случае будет иметь иную, чем вектор Erad , ориентацию в пространстве. Иными словами, в выбранной системе координат поле Eref будет иметь два компонента (Ex)ref и (Ey)ref. Ясно также, что между интенсивностями отраженной и излученной радиоволн (а стало быть, между длинами векторов Eref и Erad) имеет место прямая пропорциональность. Это приводит к тому, что (Ex)ref будет пропорционально (Ex)rad , прямая пропорциональность будет также между (Ey)ref и (Ex)rad. Обозначим соответствующие коэффициенты пропорциональности соответственно SXX и SXY , то есть (EX)ref = SXX (EX)rad , (EY)ref = SXY (EX)rad . (2) Если вернуться к представлению радиолокационного сигнала в виде выражения (1), то у каждого из компонентов отраженной радиоволны в общем случае после отражения от цели появится некий фазовый сдвиг по отношению к излученной радиоволне. Запишем временное представление для ортогональных компонентов электрического вектора отраженной радиоволны в следующем виде: (EX(t))ref = SXX A(t)cos(2pf0 t + j(t) + ψXX), (EY(t))ref = SXY A(t)cos(2pf0 t + j(t) + ψXY). (3) Как видно из формулы (3), при облучении цели горизонтально поляризованной радиоволной отраженная радиоволна определяется некоторыми четырьмя параметрами, характеризующими радиолокационную цель: SXX , SXY , ψXX , ψXY. К аналогичному результату мы придем, если будем рассматривать радиоволну, имеющую лишь одну Y-компоненту (вертикально поляризованная радиоволна). В этом случае мы выйдем на другие четыре характеристики радиолокационной цели: SYY , SYX , ψYY , ψYX . В общем случае, если излученная радиоволна имеет произвольную поляризацию, то есть два компонента электрического вектора (EX)rad и (EY)rad , полное описание радиолокационной цели может быть проведено при помощи упомянутых выше восьми чисел. Однако, как это следует из электродинамики, перекрестные элементы в перечисленном перечне характеристик оказываются равными, то есть SXY = SYX и ψXY = ψYX . Сказанное означает, что цель описывается не восьмью, а шестью числами. Если опираться на реальности измерений, то сомнительной представляется надежность абсолютных измерений амплитуд и фаз. Именно поэтому речь, конечно, может идти об относительных измерениях, а стало быть, об относительных и нормированных характеристиках. При таком подходе число определяющих радиолокационную цель параметров сокращается до четырех, в качестве которых могут, например, выступать следующие: SXX/SYY , SXY /SYY , ψXX - ψYY ,ψXY - ψYY . ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦЕЛЕЙ. ИНДИКАТОРЫ РАДИОЛОКАТОРА Когда антенна локатора излучает зондирующий импульс, то требуется определенное время t1, чтобы он дошел до цели. При скорости распространения волн с, много большей скорости перемещения цели Vц, можно пренебречь смещением цели ΔD за это время: если Vц Как только волны дойдут до цели, она становится вторичным излучателем, и часть энергии отраженных ею волн идет обратно к антенне локатора. Отраженный импульс дойдет до локатора за время t2 - t1 (что является следствием того же условия VцСуммарное время t1 + t2 – 2t1 есть время запаздывания t3 отраженного импульса относительно зондирующего. При условии постоянства скорости распространения волн (что с высокой степенью точности справедливо для скорости света в атмосфере) измерение дальности в радиолокации сводится к измерению этого времени запаздывания согласно формуле D = C*t3/2.
Поясню принцип измерения дальности в радиолокации временными диаграммами (диаграмма 1). На диаграмме Т — период повторения, т. е. время, через которое передатчик посылает зондирующие импульсы; Unep — выходное напряжение (импульс) передатчика; Uпр — отраженные импульсы на выходе приемника; цель 2 находится дальше, чем цель 1.
Какие промежутки времени и с какой точностью приходится измерять в радиолокации? Это зависит от назначения радиолокационной станции. Например, для станций орудийной наводки зенитной артиллерии требовалось измерять дальности в десятки километров с ошибкой, не превышающей десятков метров. Следовательно, надо уметь измерять промежутки времени порядка сотен микросекунд с точностью до десятой доли микросекунды. Никакие механические часы не способны производить такие измерения — слишком велика инерционность частей их механизма; только электронные устройства вследствие малой инерционности электронов могут выполнить эту задачу. Весьма удобным устройством, в частности, оказывается электронно-лучевая трубка, аналогичная тем, которые применяются в осциллографах и телевизорах. Их применение в радиолокации объясняется еще и известной истиной, что “лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать” — все, что обнаруживает радиолокатор, электронно-лучевые индикаторы преобразуют в видимую картину данной области пространства. Для более ясного представления о том, как осуществляется измерение координат в радиолокаторах в соответствии с рассмотренными принципами измерения дальности и угла, познакомимся с применяемыми для этой цели индикаторами. В качестве примеров рассмотрим два типа индикаторов. Почти во всех радарах имеется индикатор кругового обзора. В нем электронный луч перемещается так, что его “острие” вычерчивает на экране радиальную линию (от центра к краю экрана). Этим осуществляется так называемая развертка по дальности: положению светящейся точки в центре экрана соответствует нулевая дальность (момент посылки зондирующего импульса), а положению светящейся точки на краю экрана — предельная дальность обнаружения. Между этими точками размещается вся шкала дальности локатора, Направление радиальной прямой на экране трубки связано с азимутом, по которому излучает антенна, так что при вращении диаграммы направленности антенны происходит синхронное вращение развертки. Угол места в таком индикаторе не определяется. При отсутствии отражающих объектов электронный луч “погашен”. Отраженный от некоторого объекта сигнал, усиленный приемником станции, “отпирает” луч, и в данном месте экрана индикатора кругового обзора возникает светящееся пятно. Для того чтобы наблюдать на индикаторе одновременно всю картину, применяется люминесцирующий экран с большим послесвечением — свечение, возбужденное электронным лучом в любом месте такого экрана, длится все время, пока антенна совершает оборот. Простейшим, также широко применяемым в радиолокаторах, является индикатор, на экране которого по горизонтальному диаметру происходит развертка по дальности, а величина отклонения пятна по вертикали определяется величиной сигнала от цели. В этом индикаторе используется экран без послесвечения, картина меняется по мере того, как антенный “луч” поворачивается в пространстве: азимут цели надо отсчитывать по шкале антенны в момент, когда амплитуда импульса на экране достигает максимума. 2.3 Основные характеристики. Разрешающая способность является важным параметром любого прибора, характеризующим его способность анализировать “тонкую структуру” входного воздействия. Если имеется в виду наблюдение некоторой пространственной картины, как в рассмотренном случае радиолокации или для оптических приборов, то разрешающая способность связана с возможностью различения наиболее мелких деталей этой картины: чем более мелкие детали могут быть выделены, тем выше разрешающая способность данного прибора или метода наблюдения. Казалось бы, мы имеем даже определенное преимущество по сравнению с наблюдением в оптическом диапазоне, где объект характеризуется двумя числами: яркостью (коэффициентом отражения) и цветом (какая-либо количественная характеристика цвета). Однако дело обстоит далеко не так. Прежде всего замечу, что в подавляющем большинстве используемых на практике радиолокационных станций (РЛС) измеряемым параметром является всего лишь одно единственное число - коэффициент отражения. Однако это не самое главное при сравнении с оптическими устройствами. Главное же состоит в следующем. В любой рассматриваемый момент времени на входе приемного устройства формируются сигналы, порожденные радиоволнами, отраженными от различных целей, находящихся на одинаковом расстоянии R от точки приема. Прием отраженных радиоволн антенной в основном осуществляется в пределах некоторого телесного угла Δ, для количественной оценки которого можно использовать два плоских угла Δα и Δβ в двух взаимно перпендикулярных сечениях этого телесного угла. (Величина каждого из углов Δα и Δβ определяется отношением l/d длины волны к линейному размеру антенны d в соответствующих сечениях. Таким образом, на выходе приемной антенны возникают токи, обязанные своим происхождением электрическим и магнитным токам, возбужденным падающей волной на прямоугольной площадке с линейными размерами RΔα * RΔβ, находящейся от антенны на расстоянии R. Принципиальное отличие оптики от радиолокации заключается в размерах этой площадки. Для больших наземных радиолокационных станций углы Δα и Δβ составляют десятки угловых минут, что соответствует отношению l/d порядка (3 - 5) - 10 -3 . На расстоянии 50 км от антенны для этого случая линейный размер площадки составит величину порядка 400 - 600 м. В данном примере речь идет об очень больших и весьма редких антеннах. Для большинства же антенн сантиметрового диапазона отношение l/d примерно равно 0,03 - 0,05, что на порядок хуже приведенного примера. Для оптики при диаметре антенны всего лишь в 1 см искомое отношение составляет величины порядка 10 - 5 , а поэтому размеры рассматриваемой площадки для оптики оказываются принципиально иными. Наиболее общепринятым критерием, позволяющим количественно оценивать разрешающую способность, является критерий Рэлея. Первоначально он был установлен как условие раздельного наблюдения двух точечных источников света (разрешение двойной звезды), Рэлей предложил для количественной характеристики разрешающей способности телескопа использовать минимальное угловое расстояние между двумя точечными источниками, начиная с которого суммарная дифракционная картина будет иметь два максимума. Не вдаваясь в подробности, а сославшись лишь на Рэлея, следует отметить, что все объекты, расположенные вдоль одного направления в пределах дальности, равной C*t/2, будут восприниматься наблюдателем как один объект (здесь C - скорость света, t - длительность зондирующего импульса). Для ориентировки проведем оценочный расчет этой величины. Если использовать обычный радиолокатор, то для него длительность импульса следует принять равной на уровне 1 мкс; это для искомого размера даст величину порядка 150 м, что весьма существенно. Таким образом, все объекты, находящиеся в пределах параллелепипеда с размерами RΔα * RΔβ * Ct/2 (этот параллелепипед носит название разрешаемого объема, или элемента разрешения) будут восприниматься как одна цель. Из проблемы уменьшения этого объема вытекают почти все проблемы радиолокации.
Как мы видим, в радиолокации разрешающая способность также определяется по критерию Рэлея, хотя нельзя не заметить, что рэлеевская характеристика разрешающей способности несколько условна. С принципиальной точки зрения для правильной оценки разрешающей способности надо учитывать мешающие воздействия случайного характера, испытываемые прибором во время работы. Следовательно, разрешающей способностью, строго говоря, является способность различать детали с заданной вероятностью ошибок.
После вышесказанного должно быть понятно, почему в радиолокации используются ультракороткие радиоволны, длины которых лежит в метровом, дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах. 1. На ультракоротких волнах получаются приемлемые размеры антенн радиолокаторов, обладающих узкой диаграммой направленности. Тем самым обеспечивается хорошее разрешение по углам, повышается интенсивность облучения целей и мощность принимаемых сигналов. 2. Размеры обычных целей (самолеты, корабли) достаточно велики по сравнению с применяемыми длинами волн, что благоприятствует увеличению интенсивности отраженных сигналов. 3. Нельзя сформировать импульс (цуг) короче хотя бы десятка длин волн, поэтому чем меньше λ, тем легче обеспечить формирование достаточно короткого импульса, а значит, получить хорошее разрешение по дальности. 4. Ультракороткие волны слабо поглощаются атмосферой независимо от погоды. ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ От размеров и структуры излучателя зависит не только его эффективность, но и распределение излучаемых им волн по различным направлениям — диаграмма направленности излучателя. Существует общая теорема обратимости, согласно которой такая же диаграмма характеризует и величину колебаний, возбуждаемых в приемной антенне при попадании на нее волн, приходящих из различных направлений. Относительная интенсивность волн отображается величиной отрезка, проведенного в начало координат по заданному направлению до пересечения с кривой диаграммы направленности, если величину такого отрезка, а направлении максимума принять за единицу. В качестве примера на рис. 2 показана диаграмма направленности полуволнового излучателя (вибратора): а) в меридиональной плоскости (в которой лежит излучатель) б) в экваториальной плоскости (перпендикулярной вибратору, а, значит, и направлению колебаний в нем). Видно, что электромагнитный полуволновой вибратор не излучает вдоль направления колебаний в нем и, наоборот, максимально излучает в перпендикулярном направлении. В экваториальной плоскости излучение вибратора равномерное. В самом общем случае линейный размер антенны d и длина волны λ определяют угловую ширину главного лепестка диаграммы направленности по половинной мощности (рис. 3): α радиан @ В частности, такова ширина диаграммы направленности антенны с параболическим отражателем, в фокусе которого расположен облучатель, например, в виде полуволнового вибратора. Направленность излучения антенн удобнее всего изображать графиком или диаграммой. Вы хотите показать, что антенна ненаправленная и излучает равномерно во все стороны. Для этого вы чертите окружность с точкой — антенной — в центре. Круг условно показывает, что во все стороны от антенны, если смотреть на нее сверху, излучение волн равномерное, ненаправленное. Расстояния от точки в центре до окружности во всех направлениях одинаковы. Именно такую диаграмму имеет знакомый вам вертикальный вибратор. Радиовещательные станции, передачи которых предназначены для всех, а не для какого-либо одного приемного пункта, в большинстве случаев имеют также ненаправленные антенны. Другой случай. Антенна излучает неравномерно: в одну сторону больше, в другую меньше. И это можно изобразить графически: вы чертите уже не круг, а замкнутую фигуру, вытянутую в сторону наибольшего излучения. Степень вытянутости указывает степень направленности: резче направленность — больше вытянутость. Так, по мере возрастания направленности диаграмма, первоначально напоминавшая очертания яблока или вишни, приобретает форму груши, в дальнейшем все более начинает походить на сигару или дирижабль и затем на булавку. ПОБОЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Есть разные радиолокационные станции. Одни предназначены для кругового обзора или дальнего наблюдения за обширным районом; другие — для точной наводки артиллерийских орудий на ближние цели, третьи — для “прочесывания” узких секторов и т. д. В одном случае требуется “булавочная” направленность антенны, а другом — “сигарная”, но может и понадобиться и еще какая-либо, антенна. Если антенна излучает только в одну сторону и почти совершенно не излучает в противоположенную, то это излучение происходит в пределах чрезмерно широкого угла. Выражаясь на техническом языке, — угол раствора велик. На рисунке приведены диаграммы в порядке возрастания направленности (рис. 4). Заметьте наличие небольших лепестков сбоку и сзади главного лепестка диаграммы. Это так называемые лепестки побочных излучений. Они показывают, что хотя наибольшее количество энергии радиоволн излучается по одному направлению, все же имеется непроизводительное рассеяние энергии в стороны и в противоположном направлении. Лепестки побочных излучений могут быть сравнены с тонкими водяными струйками, вырывающимися из дырочек в пожарном брандспойте. Конечно, побочные лепестки — “ непроизводительная трата энергии, но создать антенну без лепестков иногда очень сложно и дорого. Вполне достаточно того, что подавляющее количество энергии радиоволн излучается строго направленно. Стремиться к полному уничтожению побочных излучений антенны надо только тогда, когда это необходимо для специальных целей. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ДИАГРАММА Нельзя упускать из виду того, что все диаграммы, о которых я до сих пор говорил, относятся только к направленности в горизонтальной плоскости, или, как принято говорить, в плане. Излучение же производится объемным лучом. Поэтому надо знать, как антенна излучает и по горизонтали по вертикали, — лишь тогда можно составить полное представление о ее работе. Излучение по вертикали удобнее всего отображается диаграммами, получаемыми в том предположении, что наблюдатель смотрит на антенну теперь уже не сверху, а сбоку. Такие диаграммы называются высотными: они показывают, как распределено излучение радиоволн по высоте. Диаграммы, вычерчиваемые горизонтальной плоскости, показывают, как распределено излучение радиоволн по азимутам.
Ещё более наглядно характеризует излучение антенны ее пространственная диаграмма. Она получается при совмещении обеих диаграмм — в плане и по вертикали. На рис. 5 изображена пространственная диаграмма направленного излучения вертикального вибратора. Ее можно назвать паспортом антенны, — настолько сжато и исчерпывающе определяет она все то, что в первую очередь нужно знать о направленной антенне.
2.4 Пассивные и активные системы радиолокации Активная радиолокация является всевидящей: как бы ни “притаилась” цель, то есть при полном ее радиомолчании, она все равно будет обнаружена, так как подвергается мощному “освещению” зондирующими импульсами передатчика радара. Однако мы уже видели, что по зондирующим импульсам можно обнаружить и сам радар со всеми вытекающими отсюда неприятными последствиями. Вот почему наряду с активной радиолокацией создана и успешно развивается “молчаливая”, пассивная неизлучающая радиолокация, т. е. средства определения местоположения цели по ее собственным радио излучениям. Важным обстоятельством, способствующим успеху этого направления развития, является то, что даже при отсутствии работающего радиопередатчика всякий объект является источником радиоволн просто вследствие нагрева. Дело в том, что спектр теплового излучения — очень широкополосный и включает в себя также и диапазон радиоволн. Поэтому в пассивной радиолокации можно выделить радиотеплолокацию. Мощность теплового излучения в радиодиапазоне тем больше, чем выше температура тела и чем короче длина волны, т. е. в сантиметровом диапазоне излучается большая мощность, чем в дециметровом и т. д. Поэтому в более коротковолновом диапазоне радио теплолокатор оказывается более “дальнобойным”. Основной частью радио теплолокатора является приемник, называемый радиометром. По своим свойствам радиотепловые сигналы не отличаются от внутренних шумов приемника, и об их наличии можно судить только по увеличению мощности шума по сравнению с отсутствием сигналов. Это и приводит к необходимости применения специфических схем для обнаружения таких сигналов, существенно отличающих радиометры от обычных радиолокационных приемников. Кстати, такие же радиометры применяются и в радиоастрономии. 2.5 Задачи решаемые радиолокацией Некоторое представление об областях применения РЛС может дать приводимый ниже перечень. 1. Сельское и лесное хозяйство. Исследование плотности растительного покрова, распределение лесных массивов, лугов и полей, определение вида почв, их температуры и влажности, контроль за состоянием ирригационных систем, обнаружение пожаров. 2. Геофизика и география. Определение структуры землепользования, распределение и состояние транспорта и систем связи, развитие систем переработки природных ресурсов, топография и геоморфология, определение состава пород и их структуры, стратиграфия осадочных пород, поиск минеральных месторождений, отработка техники разведки полезных ископаемых. 3. Гидрология. Исследование процессов испарения влаги, распределение и инфильтрация осадков, изучение стока грунтовых вод и загрязнения водных поверхностей, определение характера снегового и ледового покрова, наблюдение за водным режимом главных рек. 4. Океанография. Определение рельефа волнующейся поверхности морей и океанов, картографирование береговой линии, наблюдение за биологическими явлениями, проведение ледовой разведки. 5. Военное дело, гражданская авиация и космические исследования. Метеорологическое обеспечение полетов, управление воздушным движением, обеспечение ближней и дальней радионавигации, радиолокационное обеспечение посадки воздушных судов и космических аппаратов, обеспечение дальнего и ближнего обнаружения воздушных целей и наведения на них перехватчиков, обеспечение перехвата воздушных целей и прицеливания, панорамный обзор поверхности, распознавание государственной принадлежности летательных аппаратов, обеспечение радиолокационного сопровождения воздушных и наземных объектов и т.д. 3. ФАР 3.1 Как все начиналось. Представим себе высоконаправленную антенну, обеспечивающую связь с искусственным спутником Земли (ИСЗ). Такая антенна имеет остросфокусированный луч, точно направленный на объект связи. Примером такой антенны может служить наземная антенна станции “Орбита”, которая использовалась в первых советских системах передачи телевидения и обеспечения многоканальной телефонной связи через ИСЗ. Такая антенна представляет собой параболический рефлектор диаметром порядка десяти метров. Для того чтобы осуществить слежение за объектом связи или радионаблюдения с помощью такой антенны, необходимо поворачивать всю эту довольно тяжелую механическую систему. Очевидно, что во многих случаях нужна антенна, у которой направление луча не было бы связано с ориентацией всей антенны как механической конструкции. Нужна антенна с немеханическим движением луча или, другими словами, антенна с электронным сканированием. Под сканированием здесь понимается движение луча антенны, осуществляющее обзор пространства в заданном пространственном угле. Такая антенна нужна не только в системах связи с ИСЗ, но и в системе управления движением в районе большого аэропорта. Особую роль антенны с электронным сканированием играли и продолжают играть в системах противоракетной обороны (ПРО). С начала 90-х годов антенны с электронным сканированием стали объектом внимания автомобильных компаний. В этой связи такие антенны могут стать предметом массового спроса, как цветной телевизор или персональный компьютер. Сложившееся к настоящему времени техническое решение антенны с электронным сканированием представлено в виде решетки, в узлах которой расположены простейшие излучатели электромагнитной волны. Цепи питания этих излучателей организованы так, что излучение, испускаемое каждым излучателем, когерентно с излучением всех излучателей, в то время как фаза излучаемых волн изменяется по заданному закону. Изменение распределения фаз на излучателях позволяет сформировать луч антенны в заданном направлении. Такая решетка излучателей с управляемым распределением фаз волн, излучаемых элементарными излучателями, получила название фазированной антенной решетки (ФАР). Таким образом, термины антенна с немеханическим движением луча, антенна с электронным сканированием или фазированная антенная решетка практически являются синонимами. Идея, что лучом системы когерентных излучателей можно управлять, изменяя распределение фаз на излучателях, была высказана уже давно. Одна из первых антенн с немеханическим управлением диаграммой направленности была построена для трансатлантической радиотелефонной линии связи в 1937 году. Эта антенна, обладая довольно высокой направленностью, позволяла изменять направление приема лучей в вертикальной плоскости и таким путем выбирать направление прихода лучей, наименее ослабленных при отражении от ионосферы. Так как благодаря направленным свойствам антенны осуществлялся прием только одного отраженного луча, то резко уменьшались замирания сигнала. Эта антенна представляла собой систему ромбических антенн, расположенных вдоль прямой на участке длиной около 1,5 км. Управление диаграммой направленности осуществлялось изменением фазовых соотношений между токами в отдельных ромбах. Высокой скорости управления лучом системы ромбических антенн не требовалось. Развитие радиолокации поставило задачу управления диаграммой направленности антенны в течение интервалов времени, измеряемых вначале миллисекундами, а затем микросекундами и даже долями микросекунды.
Насколько можно судить по известным публикациям, первая антенна с электронным сканированием для применения в радиолокации была осуществлена в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) в 1955 году в группе под руководством проф. О.П. Орова (1914-1955). В основу принципа действия антенны было положено управление фазами волн в нескольких излучателях антенны с помощью фазовращателей, содержащих ферритовые элементы. Как раз в те годы в электронике различных частот началось широкое применение ферритов - железосодержащих окислов металлов, которые являются диэлектриками, но обладают магнитными свойствами, близкими к свойствам железа. Первая публикация о фазовращателе на основе феррита, предназначенном для применения в антенне с электронным сканированием, появилась в конце 1954 года. А публикации по самой антенне в 1956-1957 годах. Проблема разработки антенны с электронным сканированием слагается из двух составных частей:
1) выбор числа излучателей и конфигурации их размещения; 2) разработка фазовращателей, управляющих фазой электромагнитной волны в излучателях. На фотографии (рис. 6) показан макет антенны, разработанной в 1954-1955 годах и испытанной в июне 1955 года. Антенна представляла собой решетку из четырех диэлектрических излучателей, сверхвысокочастотная (СВЧ) волна к которым подается через фазовращатели, представляющие собой отрезки прямоугольных волноводов, частично заполненных ферритом. Ферритовые вкладыши находятся в переменном поле электромагнитов. Внешнее магнитное поле изменяет магнитную проницаемость феррита. Изменение магнитной проницаемости среды, в которой распространяется волна, изменяет фазовую скорость волны, в результате возникает требуемый фазовый сдвиг. 3.2 Устройство и работа антенны с электронным сканированием Следует различать антенны с одномерным и двумерным сканированием или, другими словами, антенны с движением луча в одной плоскости и антенны с движением луча в двух плоскостях. Антенны с одномерным сканированием нужны при работе с объектами, лежащими в одной плоскости. Примером может служить антенна радиолокатора, обеспечивающего управление движением в акватории морского порта, где все объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, находятся на водной поверхности. Иначе обстоит дело при обеспечении связи с искусственным спутником Земли или при управлении движением в районе большого аэропорта‚ этих случаях направления на объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, могут находиться под разными углами, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, поэтому луч антенны должен перемещаться в двух плоскостях.

Рис. 7 Схема фазированной антенной решетки На рис. 7 показана схема антенны с одномерным сканированием. Антенна представляет собой линейку излучателей, которые на рисунке схематически представлены в виде рупорных излучателей. Вход антенны представлен одним волноводом или коаксиальным кабелем, который соединяется с приемником, передатчиком или другой радиотехнической системой. Между входом антенны и излучателями расположен делитель мощности, и в цепи питания каждого излучателя включен фазовращатель. Фазовращатели управляются от единого устройства управления (компьютера) и формируют требуемое распределение фаз на излучателях. На рис. 7 показан плоский фазовый фронт, расположенный под углом Θk по отношению к плоскости расположения излучателей. Очевидно, что главный луч антенны формируется вдоль нормали по отношению к фазовому фронту волны, заданной излучателями, и, таким образом, главный луч антенны отклонен от оси симметрии антенны также на угол Θk. Напомним, что из законов дифракции электромагнитных волн следует, что ширина луча антенны определяется отношением длины волны излучаемых электромагнитных колебаний к размеру антенны: ΔΘ @ (1) где ΔΘ - ширина луча, λ - длина волны, L - размер антенны. Пусть линейка излучателей состоит из N излучателей, d - расстояние между соседними излучателями. Тогда, чтобы обеспечить наклон фазового фронта на угол Θk, фазовый сдвиг между соседними излучателями должен составлять Δφ = (2) Разность фаз между соседними излучателями должна лежать в пределах -π Попытка выйти за обозначенные пределы приведет к неоднозначности положения луча антенны. Сопоставляя формулы (2) и (3), находим пределы качания луча: Θλ min = - arcsin() , Θλ min = arcsin() (4) Теперь можно определить и ширину сектора качания (сканирования) луча: ΔΘλ = Θλ min - Θλ min = 2arcsin() (5) В случае d >>λ формула (5) упрощается: ΔΘλ = (6) Возникает вопрос: что происходит за пределами избранного сектора качания луча, определенного формулой (6)? Если не принять никаких мер, то при d > λ/2 за пределами сектора качания возникнут дополнительные дифракционные максимумы и диаграмма направленности антенны перестанет быть однонаправленной. Однако дополнительные дифракционные максимумы можно подавить, выбрав элементарные излучатели, из которых составлена линейка, такими, чтобы индивидуальная диаграмма направленности каждого элементарного излучателя обеспечивала подавление излучения за пределами выбранного сектора качания луча линейки излучателей в целом. Найдем отношение сектора качания луча к ширине самого луча линейки излучателей. Для этого обратимся к формулам (6) и (1). Получим (7) где N - число излучателей в антенне. Формула (7) определяет число элементов, из которых должна состоять антенна. Элемент включает в себя излучатель, фазовращатель и цепи управления фазовращателем. Так, например, достаточно хорошо направленная антенна должна иметь ширину луча порядка одного углового градуса: ΔΘ = 1°. Пусть ΔΘk = 90°, тогда N = 90, то есть конструкция линейки излучателей оказывается достаточно сложной. Рассмотрим антенну в виде решетки излучателей, обеспечивающей электронное сканирование луча в двух плоскостях. Решетка состоит из системы параллельных линеек излучателей, расположенных в одной плоскости. Число излучателей в составе одной линейки назовем числом излучателей в горизонтальной плоскости Nг, а само число линеек - числом излучателей в вертикальной плоскости Nв.
Таким образом, общее число излучателей в рассматриваемой решетке Nобщ = Nг Nв (8) 3.3 Основные характеристики ФАР Приведу некоторые количественные характеристики.
1. Ширина луча антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно ΔΘk @ , LГ = NГdГ (9) ΔΘk @ , LВ = NВdВ (10) 2. Сектор качания луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях ΔΘk,Г = , (11) ΔΘk,В = . (12) 3. Телесный угол, совпадающий с секторами качания луча антенны, ΔΏk = ΔΘk, г ∙ ΔΘk,в . (13) 4. Телесный угол, занимаемый лучом антенны, и коэффициент направленного действия антенны соответственно ΔΏ = ΔΘг ∙ ΔΘв, (14) D = (15) Используя приведенные выше соотношения, легко убедиться, что отношение телесных углов, занимаемых секторами качания луча и самим лучом антенны, равно полному числу элементов в составе ФАР: , (16) Комбинируя (13)-(16), можно получить формулу, определяющую общее число элементов ФАР через ее коэффициент направленного действия и телесный угол сканирования: Nобщ = , (17) Эта формула представляет собой фундаментальное соотношение теории ФАР. Легко подсчитать, что если выбранные секторы сканирования определяются углами качания луча Θk,г = Θk,в = ±30°, а ширина луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях ΔΘг = ΔΘв = 1°, то число элементов ФАР составляет 3600. 3.4 Фазовращатель – устройство формирования фазовых сдвигов Как было показано выше, в цепи питания каждого излучателя ФАР должно находиться устройство, обеспечивающее требуемый фазовый сдвиг - фазовращатель. Фазовращатели для ФАР можно разделить на две большие группы: 1) аналоговые фазовращатели, фазовый сдвиг, в которых представляет собой непрерывную функцию управляющего воздействия (напряжения или тока); 2) цифровые (дискретные) фазовращатели, фазовый сдвиг в которых задается двоичным кодом: Δφ = , (18) где . (19) A(q) представляет собой Q-мерный вектор, составленный из нулей и единиц. Пусть Q = 3, тогда в нашем распоряжении будет восемь различных векторов A (q) . При помощи соотношений (18) и (19) может быть задан следующий набор фазовых сдвигов: [0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°], каждый из которых отвечает своему номеру q. В основе аналоговых фазовращателей лежит материал, магнитная или диэлектрическая проницаемость которого изменяется под внешним воздействием. Таким материалом может служить феррит, о котором кратко говорилось выше, или сегнетоэлектрик, диэлектрическая проницаемость которого зависит от напряженности электрического поля. Дискретность задания фаз хорошо вписывается в структуру команд управляющей ЭМВ, хотя и порождает некоторые ошибки в задании координат луча антенны, а также приводит к незначительному увеличению уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны. Однако при большом числе элементов ФАР возникшие таким путем погрешности усредняются и выходят на уровень, которым можно пренебречь. Активным элементом дискретного фазовращателя служит полупроводниковый ключ, в основе которого лежит полупроводниковый p-i-n диод или транзистор. Использование p-i-n диода в СВЧ-цепях основано на том, что p-i-n диод может иметь два разных состояния. В одном из них (U £ Uc) ток через диод не течет, центральная часть диода (i от intrinsic - собственный, нелегированный полупроводник) представляет собой диэлектрик, а диод в целом - конденсатор с малой емкостью и относительно малыми потерями. В другом состоянии (U ³ Uc) p-i-n диод проводит ток, центральная часть диода заполняется инжектированными носителями заряда, и диод в целом представляет собой резистор с малым сопротивлением. На рис. 8 представлена простейшая схема дискретного фазовращателя, использующего принцип коммутируемых линий. В зависимости от состояния ключей СВЧ - волна может распространяться либо по более длинному пути, либо по более короткому, приобретая таким образом необходимый фазовый сдвиг. Рабочее напряжение p-i-n диода не превышает 1-2 В, управляющий ток через диод зависит от мощности СВЧ - сигнала, для работы с которым предназначен диод, и находится в пределах 0,1-100 мА. Время переключения p-i-n диода также зависит от мощности управляемого сигнала и лежит в пределах 0,05 - 5 мкс. 3.5 Дискретный многопозиционный фазовращатель на полупроводниковых диодах сантиметрового диапазона В начале 70ых в одной из лабораторий ХГПУ был сделан макет фазовращателя, и исследованы его некоторые характеристики. В качестве примера я приведу результаты этого исследования. Большой интерес представляет очень простая схема элементарного (на два положения) отражательного фазовращателя, позволяющая получить сдвиг фазы в пределах 360°. Схема такого фазовращателя, показанная на рис. 9, представляет собой линию передачи с волновым сопротивлением Z0, на конце которой подключена отражающая нагрузка. Отражающая нагрузка выбирается в виде отрезка линии с волновым сопротивлением Z1 Z0, электрическая длина которого равна Θ и который нагружен на конце переключательным диодом. На основе разработанных элементарных отражательных фазовращателей и моста был выполнен экспериментальный макет фазовращателя на 50-омной симметричной полосковой линии с диэлектриком “Форопласт-4”. Отражающие плечи мостов были нагружены элементарными отражательными фазовращателями. С целью более точной подстройки фазовых дискретов в отработанных схемах элементарных отражательных фазовращателей был сделан запас. В результате проведенного исследования разработана конструкция действующего макета многопозиционного дискретного фазовращателя на p-i-n диодах типа 2А 503А. Фазовращатель очень прост по конструкции, обладает хорошей воспроизводимостью и при использовании в нем диодов типа 2А 503А в сантиметровом диапазоне волн имеет следующие основные характеристики:
- рабочая полоса частот 8%; - фазовый дискрет 90°; - позиции фазовращателя 0°- 90°- 180°- 270°; - погрешность установки фазы в полосе частот ±12˚; - средние вносимые потери 1,6 дб;
- перепад потерь между позициями ±0,6 дб; - КСВн на входе ≤1,5; - количество используемых диодов 4; - средняя управляющая мощность 0,2 вт. На рисунке 10 изображено семейство фазочастотных характеристик много позиционного фазовращателя. Из него можно сделать вывод, что сдвиг фазы зависит от частоты. 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Радиолокация как наука окончательно сформировалась во время Второй Мировой войны. В то время использование радиолокационных станций давало огромное преимущество перед противником. И за счет этого радиолокация получила огромный толчок для быстрого развития. Сегодня мы имеем, с одной стороны, классическую учебно-научную дисциплину, с другой стороны, удивительные по своим возможностям многочисленные различные радиолокационные станции и устройства, действительно способные совершить невозможное и увидеть то, что в житейском плане в принципе невозможно увидеть. На радиолокации основано действие многих приборов, широко применяемых как в повседневной жизни, а также в военной области. Отражение радиоволн — первая основа, первый принцип радиолокации. Не будь отражения радиоволн, не было бы и радиолокации. Направленность составляет также основу радиолокации, то есть второй ее принцип. В радиолокации вся получаемая информация о наблюдаемой цели может быть получена только из сравнения излученного и принятого сигналов. Будучи извлеченной, эта информация будет выражаться на языке электрических сигналов, а не на языке каких-либо физических или геометрических характеристик цели. Перевод с одного языка на другой это другая самостоятельная задача. В радиолокации используются радиоволны с длиной волны, приходящейся на сантиметровый (реже дециметровый) и миллиметровый диапазоны. Радиоволна распространяется в воздухе со скоростью, близкой к скорости света. Поэтому время, которое приходится измерять, очень мало. Надо уметь измерять промежутки времени порядка сотен микросекунд с точностью до десятой доли микросекунды. Основными характеристиками радиолокационных приборов являются: а) разрешающая способность; б) прием отраженных радиоволн антенной в основном осуществляется в пределах некоторого телесного угла. Существуют задачи, с которыми обыкновенная антенна справиться не в состоянии. Это и противоракетная оборона, и отслеживание и селекция большого числа целей, и быстрое изменение направление диаграммы направленности в двух плоскостях одновременно. Решить эти и многие другие задачи позволяет фазированная антенная решетка. В ее основе заложена идея электронного сканирования. Направление диаграммы направленности задается фазовым фронтом, который в свою очередь создается фазовращателями. Основными недостатками такой антенны является ее большая стоимость, и чрезвычайная сложность структуры и обслуживания. Хотя стоимость, затраченная на такую антенну, полностью окупает себя, так как сфера задач, решаемых ею, очень сложна. Подводя итоги можно сказать, что лицо современной радиолокации и радиолокации будущего составляют радиолокационные станции с фазированными антенными решетками. БИБЛИОГРАФИЯ: · “Что такое радиолокация” С. А. Божанов 1948 г. · ж-л “Новое в жизни науки и технике” серия “Радиоэлектроника и связь” № 2, 1972 г. Г. А. Смирнов, В. И. Панов, “Современная радиолокация” · ж-л “Новое в жизни науки и технике” серия “Физика” № 4, 1980 г. М. С. Лившиц “Радиолокация и эхо локация” · “Дальневосточный физический сборник”, том 5. Хабаровск 1972 г. статья “Дискретный многопозиционный фазовращатель на полупроводниковых диодах сантиметрового диапазона” В. Г. Довбило, В.Н. Крупин, Я. И. Микицей, Н. К. Цыкун. · “Соросовский образовательный журнал” - № 6, 1996 г. статья “Радиолокация. Физические основы и проблемы” А. И. Козлов. - № 2, 1997 г. статья “Фазированная антенная решетка – глаза радиотехнической системы” О. Г. Венедикт.