ГЛАВА 2. Активная передающая ФАР современной твердотельной РЛС

2.1. Предпосылки создания

Активная передающая ФАР большой мощности впервые была разработана для твердотельной РЛС дальнего обнаружения проектирование которой началось в Советском Союзе в 80-х годах прошлого века. В это же время появились первые сообщения о разработке в США близкого по типажу, полностью твердотельного радара [1]. Этот радар имел полуактивную антенную решетку, в которой мощность большого числа транзисторных передатчиков сначала объединялась с помощью системы сумматоров, а затем распределялась системой делителей между излучателями в каждой строке антенной решетки. Анализ показал неэффективность такого построения. Создатели выбрали иной путь и реализовали антенную систему станции в виде активной ФАР (АФАР). Суммирование мощностей многих передатчиков в пространстве, а не в антенне, как в радаре позволило существенно уменьшить потери высокочастотной энергин и, соответственно, снизить вес и объем наиболее габаритной части аппаратуры РЛС.

Введение в станцию такой новой и сложной системы, как АФАР, потребовало пересмотра некоторых привычных принципов проектирования РЛС. В настоящей главе изложены новые подходы к проектированию РЛС с АФАР, приведены фрагменты теории, созданной в процессе ее разработки и использованной при построении, а также дано описание этой АФАР, ее особенностей и результатов последующей модернизации.

Появление АФАР не было случайностью. Начиная с середины XX века, разработчики РЛС различного назначения стали рассматривать ФАР в качестве антенных систем, обеспечивающих электронное сканирование луча антенны и, тем самым, значительно повышающих возможности станций и их адаптацию к складывающейся воздушной и помеховой обстановке Однако инженерная проработка показала что замена рефлекторной антенны на пассивную ФАР увеличивает потери высокочастотной мощности РЛС в 2-4 раза. Для сохранения характеристик станции, надо было повышать выходную мощность передатчика, но при этом рос объем и вес аппаратуры, так как передатчик вместе с системами его охлаждения и электропитания занимает обычно до 80% этого объема и веса Такова была «цена» за электронное сканирование луча антенны.

Для РЛС, установленных на воздушном носителе или космической платформе, такое увеличение объема, веса и энергопотребления, как правило, нереально. Да и для наземных РЛС, которые должны сохранять высокую мобильность, чтобы не стать мишенью для противорадиолокационных ракет, увеличение веса и объема аппаратуры также явилось бы малоприемлемым. Одним из выходов из создавшегося положения стал переход к использованию АФАР, позволяющих избежать указанных выше потерь в антенне. По этой причине, во Всесоюзном (ныне Всероссийском) научно-исследовательском институте радиотехники (ВНИИРТ) в Москве - старейшем радиолокационном НИИ России - уже в 1965 г. были начаты работы по созданию АФАР.

Опыт проведенных работ показал, что, с одной стороны, АФАР нельзя проектировать традиционным методом, когда антенна, передатчик и высокочастотный тракт разрабатываются отдельно, а потом из них формируется передающая часть РЛС. В составе АФАР параметры всех этих элементов взаимосвязаны и все они оказывают значительное влияние на параметры ДН антенны. Поэтому АФАР должна рассматриваться как единый комплекс и ее проектирование является системной задачей.

С другой стороны, использование в РЛС активной решетки влияет на построение других систем станции, таких как система обработки информации или система источников питания. Это обстоятельство также требует системного подхода к проектированию РЛС с АФАР. Такой подход позволяет ответить на два главных вопроса, возникающих в начале проектирования РЛС:

целесообразно ли применение АФАР в будущей РЛС;

как оптимально спроектировать АФАР и выбрать ее элементы, если на первый вопрос получен положительный ответ.

По установившейся терминологии АФАР называется многоканальная антенна, у которой к каждому излучателю подключен передатчик (усилитель мощности) или приемник. Типичная структурная схема АФАР (рис. 2.1) имеет три составные части, выполняющие различные функции.

Решетка излучателей образует апертуру антенны и состоит из набора одинаковых слабонаправленных излучателей (вибраторных, щелевых, рупорных, волноводных), расположенных обычно в узлах прямоугольной или косоугольной сетки.

Рис. 2.1. Схема АФАР

Система формирования и управления положением луча антенны создает необходимое распределение амплитуд и фаз сигнала в излучателях решетки. Эта система содержит набор усилителей мощности, набор фазовращателей, а также набор согласующих цепей. Каждый излучатель соединяется последовательно с согласующей цепью, усилителем мощности и фазовращателем, образуя один канал АФАР. Обычно все элементы канала объединяются в единую конструкцию, которая называется модулем Усилитель мощности располагается по возможности ближе к излучателю, чтобы уменьшить потери при передаче мощности Схема конкретного модуля зависит от диапазона частот радара и излучаемой мощности. Идентичность и стабильность амплитудных и фазовых характеристик модулей обеспечиваются за счет схемных решений и применения элементов с высокой стабильностью параметров. Обычно перед установкой производится регулировка коэффициента передачи (коэффициента усиления и электрической длины) каждого модуля.

Делитель мощности обеспечивает распределение сигнала от одного источника (общего возбудителя) по всем каналам АФАР.

Отметим некоторые особенности построения, связанные с управлением лучом [2]. Наиболее часто для этой цели используются фазовращатели (ферритовые или полупроводниковые), изменяющие фазу сигнала в каждом канале в пределах от 0 до . В этом случае АФАР является узкополосной, поскольку при изменении частоты сигнала максимум ДН такой АФАР смещается, тем самым ограничивая полосу частот антенны. Для устранения этого эффекта можно при изменении частоты сигнала перестраивать фазовращатели в каналах решетки - в этом случае АФАР называется широкодиапазонной.

Чтобы обеспечить широкополосность АФАР без перестройки системы управления лучом, необходимо заменить фазовращатели управляемыми линиями задержки, которые, независимо от частоты сигнала, обеспечивают постоянный фазовый сдвиг между каналами. Однако пргг больших размерах апертуры антенны такие линии задержки становятся сложными устройствами и вносят значительные потери в ее каналы. Впрочем, для АФАР это не имеет принципиального значения, поскольку усилители мощности, установленные в каждом канале, снижают влияние потерь в трактах на потенциал радара.

Кроме перечисленных выше систем в состав любой АФАР входят системы: управления лучом, электропитания, функционального контроля и охлаждения