Электронно-лучевой прибор в радиолокации¶
Электронно-лучевой прибор (ЭП) — это устройство для электронного сканирования луча антенны без механического перемещения антенного излучателя, применяемое в радиолокационных системах. ЭП формирует диаграмму направленности (ДН) антенны и управляет направлением луча за счёт изменения распределения амплитудно-фазовых характеристик сигнала между элементами антенной решётки или с помощью электронной регулировки параметров излучателя. В российской радиолокационной терминологии под ЭП понимают как отдельные компоненты (фазовращатели, перестраиваемые антенные решётки), так и целые подсистемы, обеспечивающие сканирование.
¶Основные типы электронно-лучевых приборов
В радиолокации применяют несколько принципиально различных типов ЭП:
¶Фазовращатели (фазовые перестраиваемые решётки)
Наиболее распространённый тип ЭП. Фазовращатель — это устройство, изменяющее фазу проходящего через него радиосигнала под действием управляющего воздействия. В антенной решётке множество фазовращателей, каждый из которых связан с отдельным излучательным элементом. Изменяя фазовый сдвиг в каждом элементе, можно электронно «наклонить» общую волновую фронту и тем самым развернуть луч в нужном направлении. Фазовращатели бывают:
- механическими (например, на основе линии задержки с переключаемыми участками);
- диодными (на PIN-диодах или варикапах);
- ферритовыми (на основе ферритовых стержней в магнитном поле);
- на основе микрополосковых структур.
Ключевое достоинство фазовращателей — высокая скорость переключения (микро- и наносекунды), что позволяет переключать луч между направлениями практически мгновенно.
¶Амплитудные электронно-лучевые приборы
Регулируют диаграмму направленности изменением амплитуды сигнала на отдельных элементах решётки. Такой подход проще по устройству, но менее эффективен по точности и скорости, поэтому в современных РЛС применяется реже.
¶Электронно-лучевые приборы на основе вентильных антенных решёток (АФАР)
Активная фазированная антенная решётка (АФАР) — это ЭП, в котором каждый элемент (или группа элементов) снабжён собственным передатчиком и/или приёмником, а также цифровым фазовращателем. АФАР обеспечивает наибольшую гибкость: помимо сканирования, реализуются адаптивное формирование луча, подавление помех, одновременное облучение нескольких направлений. АФАР считается перспективным типом ЭП для перспективных российских РЛС, в том числе для авиационных и корабельных радаров.
¶Принцип работы
Принцип электронного сканирования основан на интерференции излучений отдельных элементов антенной решётки. Если подать на N элементов решётки сигналы с определёнными фазами, то в дальней зоне они сложатся в общий луч. Направление максимума ДН определяется разностью фаз между соседними элементами:
Δφ = (2πd / λ) · sin θ,
где d — расстояние между элементами, λ — длина волны, θ — угол сканирования. Изменяя Δφ, луч разворачивают в пространстве без какого-либо механического движения. Угол электронного сканирования обычно ограничен ±60° от оси перпендикуляра к плоскости решётки; при больших углах ДН расширяется, растут потери и появляются побочные лепестки.
¶Преимущества и недостатки
Преимущества ЭП по сравнению с механическим сканированием:
- высокая скорость переканаливания (единицы микросекунд вместо секунд у поворотной антенны);
- возможность быстрого переключения между режимами обзора и сопровождения;
- отсутствие вращающихся механических узлов, повышающее надёжность;
- реализация сложных алгоритмов — адаптивного формирования луча, подавления активных помех, режима «look-down/shoot-down».
Недостатки:
- сложность и высокая стоимость, особенно для АФАР;
- необходимость точной калибровки фазовых каналов;
- ограничение по углу сканирования;
- потери на фазовращателях, снижающие КПД и увеличивающие тепловыделение.
¶Применение в радиолокации
ЭП применяются в авиационных РЛС (в том числе в навигационных и прицельных), в системах ПВО и противоракетной обороны, в корабельных и наземных радиолокационных станциях. В гражданской радиолокации — в метеорологических радарах и радиолокаторах воздушного движения — ЭП используются там, где требуется быстрое сканирование или отслеживание множества целей.
В России разработкой и производством электронно-лучевых приборов и фазированных антенных решёток занимаются предприятия радиопромышленности, в том числе НИИ радиостроения (НИИР, Москва), Казанский научно-исследовательский институт радиотехники (КНИИРТ), а также ряд других организаций, входящих в структуру радиопромышленного комплекса. Разработки российских ЭП применяются в авиационных комплексах пятого поколения, в зенитно-ракетных системах и в наземных РЛС обнаружения воздушных целей.
¶Перспективы развития
Основные направления совершенствования ЭП связаны с переходом на цифровую обработку сигналов на уровне элемента (цифровая АФАР, DBF — digital beamforming), использованием монолитных микросхем на соединениях арсенид галлия (GaAs) и нитрида галлия (GaN), а также с уменьшением массогабаритных характеристик и энергопотребления. В России ведутся работы по созданию ЭП для перспективных радиолокационных комплексов, включая системы воздушно-космической обороны.
¶Источники
- Радиотехника: энциклопедия / под ред. Д. В. Сиротина-Вольского. — М.: Советская энциклопедия.
- Справочник по радиолокации / под ред. М. Скудного. — М.: Воениздат.
- Бакулев В. Т. Радиолокационные системы: учебник для вузов. — М.: Радио и связь.
- Техника и вооружение: авиация, космонавтика, ракетное оружие (журнал).