Фазированная антенная решётка

Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения. Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы, часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов, щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны. Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР.

В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов:

• вдоль линии (прямой или дуги);
• по поверхности (например, плоской — в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической)
• в заданном объёме (объёмные ФАР).

Иногда форма излучающей поверхности ФАР — раскрыва, определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР. ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву (как в синфазной антенне) до направления вдоль раскрыва (как в антенне бегущей волны). Коэффициент направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах — вплоть до 4 стерадиан без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. Сканирование в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фазирования.

По характеру распределения излучателей в раскрыве различают эквидистантные и неэквидистантные ФАР. В эквидистантных ФАР расстояния между соседними элементами одинаковы по всему раскрыву. В плоских эквидистантных ФАР излучатели чаще всего располагают в узлах прямоугольной решётки (прямоугольное расположение) или в узлах треугольной сетки (гексагональное расположение). Расстояния между излучателями в эквидистантных ФАР обычно выбирают достаточно малыми (часто меньше рабочей длины волны), что позволяет формировать в секторе сканирования ДН с одним главным лепестком (без побочных дифракционных максимумов — т. н. паразитных лучей) и низким уровнем боковых лепестков; однако для формирования узкого луча (то есть в ФАР с большим раскрывом) необходимо использовать большое число элементов. В неэквидистантных ФАР элементы располагают на неодинаковых расстояниях друг от друга (расстояние может быть, например, случайной величиной). В таких ФАР даже при больших расстояниях между соседними излучателями можно избежать образования паразитных лучей и получать ДН с одним главным лепестком. Это позволяет в случае больших раскрывов сформировать очень узкий луч при сравнительно небольшом числе элементов; однако такие неэквидистантные ФАР с большим раскрывом при малом числе излучателей имеют более высокий уровень боковых лепестков и, соответственно, более низкий КНД, чем ФАР с большим числом элементов. В неэквидистантных ФАР с малыми расстояниями между излучателями при равных мощностях волн, излучаемых отдельными элементами, можно получать (в результате неравномерного распределения плотности излучения в раскрыве антенны) ДН с более низким уровнем боковых лепестков, чем в эквидистантных ФАР с таким же раскрывом и таким же числом элементов.

В качестве излучателей ФАР могут выступать[6]:

• ненаправленные;
• слабонаправленные;
• направленные антенны.

Примером использования слабонаправленных излучателей можно назвать антенны базовых станций GSM-стандарта, где в качестве излучателей используются патч-антенны. В качестве излучателей антенн LTE-стандарта используются диполи и монополи[7].

В качестве интересного примера использования направленных антенн в конфигурации антенных решеток можно назвать проект Allen Telescope Array, использующий в качестве элементов антенной решетки зеркальные антенны для целей радиотелескопии.

По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР:

• с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода;
• с частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например, за счёт длины фидера между соседними излучателями или дисперсии волн в радиоволноводе;
• с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей или фазовращателей, управляемых электрическими сигналами с плавным (непрерывным) или ступенчатым (дискретным) изменением фазовых сдвигов;
• со сканированием, основанным на принципах радиофотоники (например, на основе применения волоконной брэгговской решётки[8]).

Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. Они обеспечивают создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка микросекунд и потерями мощности ~ 20 %). Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных — каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всего радиоустройства, в которое входит ФАР.

Помехозащищённость системы зависит от уровня боковых лепестков антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решётка — необходимое звено для создания такого динамического пространственно-временного фильтра или просто для уменьшения УБЛ. Одной из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники является создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций, например радионавигации, РЛС, связи и т. д. Возникает необходимость создания антенной решётки с электрическим сканированием с несколькими лучами (многолучевой, моноимпульсной и т. д.), работающей на различных частотах (совмещённой) и имеющей различные характеристики. Эти задачи успешно решаются на основе цифрового формирования многолучевой диаграммы направленности в цифровых антенных решётках.

Существенным ограничением помехозащищённости ФАР является невысокая разрядность фазовращателей (5-7 бит), что не позволяет формировать глубокие «нули» в диаграмме направленности для защиты от помех[9]. Кроме того, помехозащищённость радиотехнических систем с ФАР ограничивается неидентичностью характеристик аналоговых фазовращателей.

Диаграмма направленности линейной фазированной антенной решетки, состоящей из 25 изотропных (${\displaystyle F_{1}(\theta )=1}$) элементов, для несущей частоты 2,4 ГГц (${\displaystyle \theta _{M}=0}$).

Нормированная диаграмма направленности линейной фазированной антенной решетки для одинаково ориентированных идентичных излучателей, расположенных на равных расстояния друг от друга, может быть описана следующей формулой[10]:

${\displaystyle F(\theta )=F_{1}(\theta ){\frac {\sin \left[{\frac {nkd}{2}}\left(sin\theta -\sin \theta _{M}\right)\right]}{n\sin \left[{\frac {kd}{2}}\left(\sin \theta -\sin \theta _{M}\right)\right]}}}$

где ${\displaystyle \theta }$ — диапазон углов (азимут), в которых ФАР может осуществлять сканирование, ${\displaystyle k={\frac {2\pi }{\lambda }}}$ — волновое число, ${\displaystyle \lambda }$ — длина волны (несущей), ${\displaystyle d={\frac {\lambda }{2}}}$ — шаг антенной решетки, ${\displaystyle F_{1}(\theta )}$ — диаграмма направленности единичного излучателя антенной решетки, а ${\displaystyle \theta _{M}}$ — направление, соответствующее максимуму главного лепестка.

Стоит отметить, что данная формула справедлива только для случаев, когда амплитуды токов в излучателях равны, фазовый сдвиг изменяется по закону ${\displaystyle \psi _{i}=(i-1)\psi =(i-1)kd\sin \theta _{M}}$, где ${\displaystyle i}$ — номер фазовращателя.

Диаграмма направленности прямоугольной фазированной антенной решетки изотропных элементов, для несущей частоты 2,4 ГГц (${\displaystyle n_{x}=n_{y}=25}$, ${\displaystyle \theta _{Mx}=0}$, ${\displaystyle \theta _{My}=10}$).

Для моделирования луча в двух взаимоперпендикулярных плоскостях и обеспечения возможности моделирования управления им в некотором секторе пространства может быть использована следующая формула[11]:

${\displaystyle F(\theta _{x},\theta _{y})=F_{1}(\theta _{x},\theta _{y}){\frac {\sin \left[{\frac {n_{x}kd_{x}}{2}}\left(\sin \theta _{x}-\sin \theta _{Mx}\right)\right]}{n_{x}\sin \left[{\frac {kd_{x}}{2}}\left(\sin \theta _{x}-\sin \theta _{M}\right)\right]}}{\frac {\sin \left[{\frac {n_{y}kd_{y}}{2}}\left(\sin \theta _{y}-\sin \theta _{My}\right)\right]}{n_{y}\sin \left[{\frac {kd_{y}}{2}}\left(\sin \theta _{y}-\sin \theta _{My}\right)\right]}}}$

где ${\displaystyle \theta _{x}}$ и ${\displaystyle \theta _{y}}$ — диапазоны углов (азимут и элевация), в которых ФАР может осуществлять сканирование, ${\displaystyle \theta _{Mx}}$ и ${\displaystyle \theta _{My}}$ — направления максимума (азимут и элевация), ${\displaystyle d_{x}}$ и ${\displaystyle d_{y}}$ — расстояния между элементами по осям ${\displaystyle x}$ и ${\displaystyle y}$, а ${\displaystyle n_{x}}$ и ${\displaystyle n_{y}}$ — количество элементов по осям ${\displaystyle x}$ и ${\displaystyle y}$ соответственно.

В питающем антенную решётку тракте (фидере) возможна различная пространственно-временная обработка сигнала. Если к каждому излучателю ФАР или к группе подключается усилитель мощности, генератор сигналов или преобразователь частоты, то такие решётки называются активными фазированными антенными решётками (АФАР).

Приёмные антенные решётки с обработкой сигнала методами когерентной оптики называются радиооптическими. Приёмные антенные решётки, в которых обработка ведётся цифровыми процессорами, называются цифровыми антенными решётками[12].

Оценка пространственных частот (углов прихода ЭМ волн) на основе алгоритмов MUSIC и MVDR[13]. В качестве дополнения стоит также упомянуть алгоритм ESPRIT[14][15][16][17][18].

Приёмные антенные решётки с саморегулируемым в зависимости от помеховой обстановки амплитудно-фазовым распределением называют адаптивными[19]. В англоязычной литературе применяется термин smart-antenna[9]: «умной» антенную решётку делает, отчасти, её способность подстраивать свои параметры под текущие условия в целях достижения определённых выигрышей — её адаптивность. В литературе данный подход известен, как минимум, с середины 1970-х годов[20]. В целом, для адаптивных антенных решеток можно выделить несколько главных приложений:

• Определение угла прихода (направления) электромагнитной волны (DoA estimation);
• Самофокусировка (adaptive beamforming);
• Подстройка под состояние канала (channel equalization);
• Исследования параметров канала (channel sounding).

Совмещённые антенные решётки имеют в своём раскрыве два или более типа излучателей, каждый из которых работает в своём частотном диапазоне.

Иногда понятие антенной решетки смешивается с понятием MIMO-технологии. Строго говоря, такая постановка вопроса неверна: для реализации технологии MIMO необходимы, как минимум, две антенны на передающей стороне и две антенны на приёмной, в то время как под термином ФАР, в классическом понимании[21], подразумевается одна антенна, состоящая из нескольких элементов и формирующая один луч сканирования. Однако, существуют антенные решётки, формирующие несколько независимых (ортогональных) лучей с одного излучающего раскрыва и имеющие соответствующее число входов — многолучевые антенные решётки[22][23]. Более того, стоит уточнить, что современные smart-антенны[9], позволяющие применить в том числе и технологию MIMO, могут быть реализованы на базе ФАР[24][25].

В зависимости от соотношения амплитуд токов возбуждения различают решётки с:

• равномерным
• экспоненциальным
• симметрично спадающим относительно центра амплитудным распределением.

Если фазы токов излучателей изменяются вдоль линии их размещения по линейному закону, то такие решётки называют решётками с линейным фазовым распределением. Частным случаем таких решёток являются синфазные решётки, у которых фазы тока всех элементов одинаковы.