Фазированная антенная решетка

Значительное расширение возможностей радиосистем (в первую очередь радиолокаторов) достигается при использовании фазированной антенной решетки (ФАР). Принцип действия модели одномерной антенной решетки поясняется на рис. 1.8. Она состоит из рефлектора и набора идентичных ненаправленных излучателей, расположенных в линию с шагом а. С учетом отражения от рефлектора диаграмма направленности каждого одиночного излучателя в плоскости чертежа изображается штриховой фигурой I₁, соответствующей функции косинуса (штриховая линия). Она подобна диаграмме направленности рамочной антенны, показанной на рис. 1.4,в.

Пусть все имеющиеся излучатели питаются синфазными сигналами с одинаковой амплитудой. Общее излучение одномерной решетки определяется векторным сложением сигналов излучателей. При этом в удаленной точке, расположенной на главном направлении антенны (ось z) все сигналы складываются синфазно; суммарный сигнал увеличивается в n раз, где n – число элементов решетки. Рассмотрим теперь взаимодействие сигналов в направлении z₁, под некоторым углом α к главному направлению. Для каждой пары соседних излучателей появляется разность хода лучей . Этой разности хода соответствует разность фаз рассматриваемых сигналов , где b – коэффициент фазы; l – длина волны на рабочей частоте. С ростом угла амплитуда суммарного сигнала снижается, и при получаем , что означает противофазность и взаимное подавление сигналов для каждой пары соседних излучателей, суммарный сигнал решетки падает до нуля. Таким образом, при правильном выборе шага решетки а по отношению к длине волны l можно сформировать очень узкий основной луч антенны, что позволяет увеличить точность и разрешающую способность радиолокационных систем. При более высоких углах формируются побочные лепестки диаграммы направленности со значительно меньшей интенсивностью излучения из-за неоптимального сложения парциальных сигналов. Упрощенная диаграмма направленности решетки качественно изображена на рис. 1.8. Основная часть энергии передатчика излучается в главном направлении антенны вдоль оси z.

Пусть теперь излучатели решетки питаются сигналами с одинаковой амплитудой, но с различными фазами, причем при смещении по решетке вниз (на рис. 1.9) каждый последующий излучатель получает сигнал с задержкой по фазе относительно предыдущего на одинаковый угол . Тогда в направлении z, где отсутствует разность хода лучей, сигналы будут иметь различные фазы, и суммарный сигнал антенны не будет максимальным. Однако найдется направление z₂, для которого разность хода соседних лучей будет компенсировать введенный фазовый сдвиг , и сигналы этих лучей будут синфазными. При этом должно выполняться соотношение . В данном направлении и будет повернута ось главного луча антенной решетки, вдоль которой распространяется максимальная энергия. Таким образом осуществляется электронное сканирование (поворот) главного луча антенны в пределах широкого диапазона пространственных углов без ее механического смещения. Это позволяет многократно увеличить скорость осмотра пространства, а также расширить функциональные возможности РЛС. Например, параллельно с обзором пространства можно сопровождать большое количество объектов, непрерывно получая информацию об их расположении. Для этого каждый излучатель снабжается фазовращателем, управляемым с помощью компьютера.

Рассмотренная модель одномерной решетки осуществляет сканирование луча антенны только в одной плоскости, проходящей через линию излучателей. В плоскости, перпендикулярной этой линии, вид диаграммы остается таким же, как для одиночного излучателя. Реальные ФАР строятся на базе двумерной решетки излучателей, что позволяет сузить луч и в другой плоскости и осматривать все полупространство в сторону от рефлектора, используя принцип электронного сканирования луча без поворота антенны.

Описанный принцип был известен давно, его пытались применить в радиолокационных системах с фазированной антенной решеткой. В них использовали мощный электровакуумный СВЧ генератор, сигнал которого делится на большое число парциальных когерентных сигналов, которые подаются к излучателям через управляемые фазовращатели. Несмотря на достоинства радиолокатора с ФАР, такой его вариант не получил распространения из-за исключительной громоздкости конструкции, в которой к большому числу антенных элементов должны подходить СВЧ тракты от устройства деления мощности. Помимо этого, мощный электровакуумный генератор с неизбежно применяемой системой охлаждения и громоздким высоковольтным блоком питания характеризуется значительными размерами и весом. К тому же такой генератор имеет обычно недостаточную надежность, а его деградация или выход из строя приводят к катастрофическому отказу ответственной системы.

Указанные принципиальные трудности удалось преодолеть, когда появилась возможность использовать малогабаритные и надежные полупроводниковые приборы, способные генерировать достаточно мощные сигналы в СВЧ диапазоне. При этом непосредственно на отражателе размещаются приемопередающие модули двумерной антенной решетки, к которым подводятся только низковольтные цепи питания и управления. Каждый модуль содержит синхронизируемый генератор, управляемый фазовращатель, антенный переключатель и приемник, полученная информация обрабатывается с помощью компьютера. Этот вариант называется активной фазированной антенной решеткой (АФАР). Теперь радиолокатору не требуется тяжелый и громоздкий электровакуумный генератор с системой охлаждения и высоковольтным блоком питания.

Мощность большого числа генераторов складывается в пространстве, их теплоотводы могут быть разнесены. Таким образом преодолевается основной недостаток полупроводниковых устройств – невысокая рабочая мощность одиночного прибора; число элементов решетки может достигать десятков тысяч, что позволяет получить достаточно высокую суммарную мощность. В такой системе выход из строя даже нескольких модулей сопровождается некоторой деградации характеристик РЛС, но не приводит к полному отказу системы, ее надежность многократно увеличивается. Потребность в большом количестве приборов даже для одной станции стимулирует развитие производства полупроводниковых приборов в промышленном масштабе и снижение их стоимости.

Мощные наземные РЛС с АФАР используются в комплексах противовоздушной обороны. Пример системы предупреждения о ракетном нападении на Аляске показан на рис. 1.10 [http://ru.wikipedia.org/wiki/].

Рис. 1.10. Наземная РЛС с АФАР

Помимо этого, РЛС подобного типа устанавливаются на кораблях и самолетах. Пример самолетной ФАР 2-см диапазона длин волн показан на рис. 1.11. Решетка с размерами 80 × 80 см содержит 16 × 16 щелевых излучателей.

Рис. 1.11. Самолет МИГ-31, снабженный фазированной антенной решеткой

Очень эффективны и полезны АФАР, установленные на спутниках. Описанные системы имеют большие перспективы дальнейшего совершенствования; одно из направлений связано с возможностью работы одновременно на нескольких частотах.

2. СВЧ диоды с переменной емкостью

Исходные положения

Важное место среди большого числа разнообразных полупроводниковых диодов СВЧ диапазона занимают диоды с переменной емкостью. По конструкции это могут быть диоды с pn-переходом или диоды с барьером Шоттки (ДБШ). Физические свойства базового нелинейного элемента многих полупроводниковых приборов – ступенчатого pn-перехода – качественно отображены на рис. 2.1 [6].

Рис. 2.1. Ступенчатый pn-переход

Здесь представлены распределения вдоль оси x, перпендикулярной плоскости pn-перехода, концентрации легирующих примесей и , свободных носителей заряда n и p , плотности объемного заряда r , напряженности электрического поля e и энергии краев запрещенной зоны , в структуре. Между этими кривыми в запрещенной зоне проведен уровень Ферми F (подразумевается контакт невырожденных полупроводников). Технологическая граница pn-перехода, на которой происходит скачкообразное изменение концентрации примесей, проходит через вертикальную ось.

Для рассматриваемой упрощенной модели приняты также следующие допущения:

· переход асимметричный: << ;

· внешнее напряжение отсутствует;

· в области пространственного заряда (ОПЗ) между штриховыми границами наблюдается полное обеднение ионов примеси;

· вне ОПЗ сохраняется нулевой объемный заряд (условие электронейтральности).

Вид вольтамперной характеристики (ВАХ) pn-перехода и упрощенное выражение для нее (без учета тока генерации–рекомбинации в ОПЗ) представлены на рис. 2.2. Там же приведена зависимость барьерной емкости перехода от напряжения с учетом принятых допущений [7].

I U

Рис. 2.2. ВАХ и емкость pn-перехода

Именно емкость перехода, которая определяет импеданс прибора на СВЧ при обратном смещении, является наиболее важным параметром диодов с управляемой (переменной) емкостью.