НИОКР в области фазированных антенных решеток

ФАР для управления лазерными и оптическими лучами. Разработка антенной решетки, производящей электронное сканирование оптических и лазерных лучей, велась с середины 60-х годов. Несмотря на многие трудности и даже сомнения в принципиальной возможности ее реализации, такая решетка была создана. Ее конструкция представляет собой N столбцов и N строк жидкокриталлических фазовращателей, которые соответственно разнесены с интервалом в половину световой волны. Фазовращатели выполнены на двух жидкокристаллических пластинах, на одной стороне которых нанесен прозрачный проводящий слой заземления, а на другой методом фотолитографии сформированы соответственно N вертикальных и N горизонтальных полосок из прозрачного проводящего материала. Приложив напряжение между какой-либо проводящей полоской и заземляющим слоем, можно изменять значение диэлектрической постоянной жидкокристаллического фазовращателя, что, в свою очередь, изменяет скорость распространения проходящего через него лазерного или оптического сигнала. Пластина со столбцами фазовращателей производит сканирование луча в азимутальной плоскости, а пластина со строками - в угломестной. Фазовый градиент формируется путем ступенчатого изменения напряжения, подаваемого на жидкокристаллические столбцы и строки. Благодаря матричному управлению вместо традиционного поэлементного число фазовращателей и элементов управления снижено с N2 до 2N.

Сегнетоэлектрическая антенная решетка. Специалисты научно-исследовательской лаборатории ВМС США разработали недорогую фазированную антенную решетку СВЧ-диапазона с аналогичным матричным методом управления лучом, но вместо жидкокристаллических фазовращателей использовали сегнетоэлектрические. Диэлектрические постоянные столбцов и строк фазовращателей зависят от приложенного напряжения. При ступенчатом изменении напряжения формируется фазовый градиент, необходимый для управления лучом по азимуту и углу места. Конструктивно сегнетоэлектрическая антенная решетка состоит из двух линз. Первая линза, состоящая из столбцов сегнетоэлектрических фазовращателей, производит сканирование луча по азимуту. Вторая, повернутая относительно первой на 90о и состоящая из строк фазовращателей, сканирует луч по углу места. (Базовая конфигурация таких линз показана на рис. 3.) Для правильной работы сегнетоэлектрических линз необходимо, чтобы электрическое поле было линейно поляризовано и его вектор перпендикулярен проводящим пластинам. Таким образом, для линзы, сканирующей луч в азимутальном направлении, требуется сигнал с линейной горизонтальной поляризацией, а для линзы, сканирующей луч в угломестном направлении, - с линейной вертикальной. Поворот плоскости поляризации на 90о осуществляет среда, размещенная между двумя сегнетоэлектрическими линзами.

Плазменная антенна с электронным сканированием. Специалисты научно-исследовательской лаборатории ВМС США работают также над созданием принципиально новой антенной системы, в которой электронное управление лучами осуществляется с помощью плазменного отражателя. Исследования показывают, что плазма при достаточной плотности обладает способностью отражать электромагнитную энергию. Причем чем выше частота облучения, тем большую плотность должна иметь плазма. Концепция построения плазменной антенны показана на рис.4. Плазменный слой создается в вакуумной камере при газовом разряде между анодной пластиной и линейным катодом, который представляет собой линейку элементов определенного адреса на двухкоординатной сетке катода. Изменяя положение линейного катода, можно вращать плазменный слой и тем самым сканировать отраженный луч по азимуту. Сканирование луча по углу места производят изменением наклона плазменного отражателя путем регулирования магнитного поля катушек Гельмгольца. Последние размещены вокруг отражателя так, чтобы не блокировать СВЧ-сигнал. Положением линейного катода и значением магнитной индукции управляет компьютер. Согласно расчетам, точность установки луча в заданном направлении составляет 1-2о, чего, по мнению разработчиков, вполне достаточно. Время переориентации луча - около 10 мкс, однако предварительные испытания показывают, что оно может быть еще меньше. Для образования плазменного слоя в камере достаточно поддерживать вакуум примерно 13 Па. Магнитная индукция должна составлять около 0,02 Тл, ток - порядка 2 А и напряжение - 20 кВ. В 1996 году был сформирован плазменный отражатель размерами 60х60х1 см. Уровень боковых лепестков при этом составил примерно -20 дБ. В 1997 году планировалось создать отражатель диаметром около двух метров. В числе достоинств плазменных антенн - возможность быстрой и точной установки луча, что позволяет одновременно выполнять операции поиска и сопровождения групповых целей, а также формировать разные диаграммы направленности. Кроме того, такие антенны обладают широкой полосой частот, в результате чего один и тот же плазменный отражатель можно использовать с разными облучателями

Созданная плазменная антенна имеет диапазон от 5 до 20 ГГц, который в дальнейшем предполагается расширить до 50 ГГц. В отличие от обычных отражательных антенн, которые существенно повышают эффективную площадь рассеяния локатора при облучении его средствами радиоразведки вероятного противника, этот параметр в плазменной антенне невелик. Разработчики утверждают, что тепловое излучение антенны также невелико, поскольку тепловая энергия сосредоточена внутри плазмы и не излучается наружу. Предполагается, что плазменная антенна может найти применение в бортовых и корабельных локаторах и системах радиопротиводействия.

Отражательная решетка на 100-мм полупроводниковых пластинах. Успехи технологии MMIC позволяют создавать антенные решетки, интегрированные на полупроводниковых пластинах диаметром 100 мм. Так, специалисты французской фирмы Thomson-CSF ведут разработку антенны для противоракетного комплекса, которая состоит из двух таких пластин. На одной пластине сформированы дипольные элементы и одноразрядные фазовращатели на pin-диодах, на второй - управляющие схемы. Пластины соединены между собой с помощью бугорковых контактов. Антенна, включающая около 3 тыс. элементов, формирует луч шириной 2о, который может осуществлять сканирование в секторе углов 45о. Рабочая частота антенны - 94 ГГц.

Антенна RADANT. Фирма Thomson-CSF при создании антенны RADANT, предназначенной для установки на многоцелевом боевом летательном аппарате, использовала метод сканирования лучей, аналогичный разработанному для сегнетоэлектрической решетки. В антенне RADANT сегнетоэлектрики заменены диодами, которые размещены между проводящими полосками один за другим в направлении распространения волны.

Регулируя число включенных в этом направлении диодов, можно формировать фазовый градиент и изменять угловое положение луча. Антенна содержит две диодные линзы. Линза с вертикально ориентированными полосками управляет лучом по углу места, а с горизонтально ориентированными - по азимуту. В отличие от сегнетоэлектрических линз между ними нет необходимости помещать пластину, изменяющую поляризацию волны. Хотя в антенне используется большое число диодов, ее стоимость благодаря их низкой цене невелика.

Широкополосные антенные решетки с разделением апертуры. Перспективы развития ФАР связывают с увеличением их рабочей полосы. Как полагают специалисты, одна широкополосная ФАР сможет одновременно выполнять несколько функций и работать с несколькими радиоэлектронными средствами. Специалисты Центра вооружения авиации ВМС США совместно с фирмой Texas Instruments в рамках программы создания усовершенствованной ФАР с разделением апертуры ASAP ведут разработку бортовой ФАР для истребителя-бомбардировщика. Диапазон ее частот будет постоянно охватывать полосу от С- до Ku-диапазона (3,9-17,25 ГГц). В этой полосе будут совместно работать бортовой локатор, пассивные средства радиоэлектронной поддержки, постановщик активных помех и средства связи. Для получения такой широкой полосы в антенной решетке применены щелевые трапецеидальные излучатели, которые к тому же обеспечивают горизонтальную, вертикальную и круговую поляризацию радиоволн. По технологии MMIC создан приемопередающий модуль, который может работать в полосе частот от С до Ku. Его выходная мощность 2-4 Вт, коэффициент шума 6,5-9 дБ, КПД по мощности 5,5-10%. Изготовлен опытный образец антенной решетки с 10х10 элементами, включающий восемь активных приемопередающих модулей. Предполагается, что габариты полной антенной решетки составят примерно 3,5х7,5 м. Антенные решетки такого типа позволят одновременно использовать отдельные их части для различных бортовых систем - локатора, средств радиоэлектронной поддержки, постановщика активных помех и средств связи. Размер и расположение участков решетки, используемых для каждой функции, могут изменяться в процессе работы и при необходимости накладываться друг на друга.

Антенные решетки с цифровым формированием диаграммы направленности. Метод цифрового формирования диаграммы направленности (ДН) антенной решетки давно привлекает внимание специалистов, поскольку обеспечивает адаптивное управление формой ДН, в частности формирование провалов («нулей») ДН в направлении источников радиопомех. До недавнего времени метод применялся только в станциях с невысокой частотой обновления данных, в частности в сонарных системах и загоризонтных РЛС НЧ-диапазона. Например, он используется для формирования приемной ДН в стационарной загоризонтной РЛС фирмы General Electric и в передислоцируемой загоризонтной РЛС фирмы Raytheon. Несмотря на сложные проблемы, связанные с применением метода в РЛС СВЧ-диапазона, где частота обновления данных значительно выше, определенные успехи достигнуты и в этом направлении.

Так, датская фирма Signaal применила цифровое формирование ДН в антенных системах своих трехкоординатных корабельных РЛС SMART-L и SMART-S, правда, только в режиме приема. Антенна РЛС SMART-L состоит из 24 строк излучателей.

Сигналы, принимаемые каждой строкой, преобразуются с понижением частоты. Затем они проходят импульсное сжатие с помощью схемы на ПАВ и далее поступают на 12-разрядный АЦП с тактовой частотой 20 МГц. Полученные цифровые сигналы модулируют оптическую несущую, и результирующий сигнал через вращающееся соединение световодов поступает на цифровой диаграммоформирователь, который формирует 14 приемных лучей.

Значительных успехов в разработке методов цифрового формирования ДН добились специалисты Ромской исследовательской лаборатории, выполняющие заказ DARPA. Для проведения исследований была создана антенная решетка С-диапазона, состоящая из 32 столбцов излучателей. Лучи формируются с помощью быстродействующего цифрового формирователя ДН. В его состав входят четыре процессора, которые обрабатывают сигналы по 64 каналам и формируют 4, 8, 16 или 32 независимых луча. Процессоры имеют систолическую архитектуру и обеспечивают выполнение операций умножения и сложения с высокой скоростью. Производительность одного процессора - 5.109 комплексных операций в секунду.

В лаборатории изучается применение методов цифрового диаграммоформирования для коррекции ДН элементов антенной решетки, а также формы ДН всей решетки в случае выхода из строя ее отдельных элементов. Специалисты лаборатории создали также устройство цифрового формирования на базе нейронной вычислительной сети. Экспериментальная проверка нейросетевого цифрового формирователя ДН проводилась на специально созданной 8-элементной решетке Х-диапазона. Исследования показали, что применение нейросетевых вычислителей обеспечивает адаптацию алгоритма вычисления к параметрам решетки, снимает необходимость встроенного контроля и калибровки параметров антенны. На фирме Roke Manor Research сконструирована экспериментальная 13-элементная антенная решетка, в которой цифровое формирование происходит как в режиме приема, так и в режиме передачи. Формирование в режиме передачи позволяет ориентировать «нули» ДН в направлении возможной угрозы противорадиолокационных ракет либо высокого уровня помех. Шведские специалисты предложили новый метод цифрового формирования ДН с стробированием сигнала промежуточной частоты. Метод испытан на экспериментальной решетке, работающей в диапазоне 2,8-3,3 ГГц.

Для выполнения операции цифрового формирования сигнал промежуточной частоты 19,35 МГц стробировался с частотой 25,8 МГц. Исследования показали, что такое формирование ДН компенсирует амплитудные и фазовые вариации между элементами, возникающие при работе в широком угловом секторе и в широкой полосе частот. Так, изменение коэффициента усиления в угловом секторе, происходящее из-за взаимного влияния элементов решетки, было снижено с +1 до +0,1 дБ, а изменение того же параметра в полосе частот 5 МГц - с 0,5 до 0,05 дБ.

Применение антенных решеток с цифровым формированием ДН не ограничивается стационарными станциями. Недавно были проведены летные испытания бортовой РЛС L-диапазона с цифровым диаграммо-формирователем, в состав которого входит адаптивный процессор пространственно-временной обработки сигналов STAP. ФАР, состоящая из 11 столбцов излучателей, размешалась вдоль фюзеляжа самолета. Станция обеспечивает подавление помех от 52 до 69 дБ.

Основные научно-технические результаты работ в области антенных систем с электронным управлением лучом могут быть с успехом применены не только в системах управления вооружением, но и в радиолокации широкого назначения: метеорадарах, авиационных и наземных системах наблюдения и информационного обеспечения, управления воздушным движением, связи и др. Эффективность применения наших технологий для решения этих новых задач определяется не только высокими радиотехническими и массо-габаритными характеристиками и новыми функциональными возможностями, но и низкой себестоимостью изготовления АС, обусловленной комплексом высокопроизводительных технологий и производственных процессов.

В последнее время в технической литературе распространилось мнение, что в XXI век путь будет открыт только для радаров с активными фазированными антенными решетками. Однако боевое преимущество дает электронное сканирование, а не вид решетки: пассивная или активная. И дилемма ФАР-АФАР несколько надумана. Более актуальными проблемами, на наш взгляд, являются: повышение эффективности использования в РЛС возможностей электронного управления лучом; точное формирование задач разработчикам нового поколения антенн и радаров по функциональным, эксплуатационным и стоимостным показателям на базе современной военной стратегии.

Знаний же, накопленного опыта и имеющихся в нашем распоряжении технических средств достаточно для того, чтобы выбрать наиболее рациональный и эффективный способ решения.

Научная и инженерная школа по созданию антенных систем с электронным управлением диаграммами направленности, которой располагает НИИП, уникальна как по созданным ею ранее ФАР, так и по СУВ на их основе, а также по научно-техническому потенциалу и перспективам дальнейшего развития этого направления работ. Наличие у нас творчески настроенной команды антенщиков в сочетании с их громадным опытом и высокой квалификацией разработчиков позволяют с оптимизмом оценивать возможности института в целом.

Комплексные исследования, выполняемые в институте в области антенных систем и радаров с электронным сканированием, и многолетний (более 25 лет) опыт их эксплуатации в истребительной авиации сформировали очень конкретную и рациональную линию развития, в полной мере отвечающую требованиям, предъявляемым к технике на современном театре военных действий и превосходящую альтернативные варианты российских и зарубежных фирм и по ТТХ, и по экономическим показателям.

ОКР «Разработка типового ряда перестраиваемых фильтров и высокодобротных резонаторов на основе магнитостатических волн, а также магнитоэлектрических приборов микроволнового диапазона, в т. ч. фазовращателей и циркуляторов». <http://www.sci-innov.ru/icatalog_new/entry_59239.htm>

Целью проекта, выполняемого в ходе проведения ОКР «Очаково», являлась разработка современных базовых технологий изготовления изделий и магнитных материалов для удовлетворения нужд отечественной радиопромышленности и расширение экспортного потенциала Российской магнитной электроники по трем направлениям:

разработка магнитоэлектрических приборов в мм диапазоне

фильтров и резонаторов на МСВ для антенно-фидерных трактов радиолокационных комплексов двойного применения;

малогабаритного Т-циркулятора со средней СВЧ мощностью не менее 500 Вт;

нового сверхмягкого ферритового материала для обеспечения высоких характеристик фазовращателей и экспериментального образца фазовращателя с мощностью управления не более 30 мВт.

Основным назначением перестраиваемых фильтров и резонаторов на МСВ является фильтрация паразитных спектральных составляющих. В настоящее время наблюдается все возрастающий интерес к использованию в устройствах СВЧ-диапазона ферритовых пленок, вместо объемных образцов. Это обусловлено следующими преимуществом устройств на МСВ: - существенное уменьшение размеров приборов, - снижение их стоимости в 4-10 раз, - повышение степени совместимости с устройствами СВЧ, имеющими планарную структуру, например, с монолитными интегральными схемами СВЧ-диапазона. В сочетании с указанными выше преимуществами приборы на МСВ имеют широкую область применения. Совершенно естественно применение перестраиваемых фильтров и резонаторов на МСВ в приемниках РЛС, особенно бортового базирования, где крайне важны массо-габаритные характеристики. Температурная стабильность параметров у фильтров на МСВ значительно хуже, чем у устройств на объемных резонаторах, что ограничивает их широкое использование в РЛС высокого разрешения и радиоизмерительной аппаратуре.