Диссертация (Широкополосные антенные решетки с широким сектором обзора), страница 3

Работа содержит 276 страниц машинописного текста, основноесодержание диссертации изложено на 253 страницах. Список литературывключает 143 наименования на 13 страницах.161 СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ БОРТОВЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ1.1 Антенные системы интегрированных радиоэлектронных комплексовСоздание новогопоколениясамолетов,вертолетов идистанционнопилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА) требует разработки РЭС,совмещающих несколько функций в единой системе. Как известно, на ЛА внастоящее время устанавливаются РЛС, доплеровские измерители скорости исноса (ДИСС), GPS, системы определения государственной принадлежности(ОГП) и др. Для этих целей используют разные частоты (в основном СВЧдиапазона) и антенны различных типов, устанавливаемые в специальноотведенных местах на борту ЛА. Причем одна радиосистема может иметьнесколько антенн.

Как, например, система ОГП или инструментальной посадки.Каждая бортовая РЭС представляет собой аппаратурный блок с пилотажнымисистемами индикации и экранированными фидерными линиями. Все это приводитк значительным габаритам, весам и стоимости. Возникают также проблемы сэлектромагнитной совместимостью (ЭМС). Аналогичные проблемы имеют местотакже в радиосистемах, устанавливаемых на наземных мобильных объектах. Ктаким радиосистемам относятся системы спутниковой связи с подвижнымиобъектами, а также мобильные радиолокационные комплексы.Для создания нового поколения ЛА необходима модернизация бортовойрадиоэлектронной аппаратуры в направлении интеграции функций различныхрадиосистем.

Все эти факторы более 10 лет назад привели к исследованию иразработке интегрированной радиоэлектронной аппаратуры. Уже тогда появилисьволоконно-оптические линии передачи информации (ВОЛПИ), обеспечивающиеЭМС и существенно снижающие массогабаритные и стоимостные характеристикилиний передач, элементов фидерного тракта и т.д.На тот период развития радиоэлектроники и ее технической базы возниклитрудности практической реализации интегрированных РЭС (ИРЭС). Так,например, немаловажным был вопрос создания центрального процессора,17ведущего обработку информации в реальном масштабе времени, а такжевозможность отображения всей необходимой информации на дисплее.Особо следует выделить проблему построения антенной системы ИРЭС.Общий путь построения давно был ясен – конформная выпуклая широкополоснаяФАР с широкоугольным сканированием, однако в тот период были только начатыработы по созданию ППМ для решеток СВЧ диапазона.

Наиболее широкоеприменение нашли плоские ФАР с ограниченным сектором сканирования. Однакои такие решетки могут иметь сектор сканирования 360̊ по азимуту и около 40̊ поуглу места без существенных потерь в усилении. Такая возможность выявленапри исследовании характеристик ККАР [29-31].Последние работы в области создания антенн ИРЭС – это разработка теориицифровых активных фазированных антенных решеток (ЦАФАР) [34-37]. Внастоящее время ведутся активные работы по созданию цифровой элементнойбазы, а также налажен выпуск ППМ СВЧ диапазона.

Таким образом, можносчитать, что создана элементная база для практической реализации антенныхрешеток ИРЭС.Немаловажнымэлементомантеннойсистемыявляютсяизлучатели.Последние работы в области создания излучателей для многофункциональныхантенных систем показывают возможность широкополосной работы. Вплоть дооктавы для отдельного излучателя антенного полотна [40-52].Хорошо известны достижения вычислительной техники за последние годы –быстродействие, объем памяти, снижение стоимости, применение легкихжидкокристаллических дисплеев для индикации большого объема информации.Подводя итог вышесказанному, можно сделать заключение о наличии внастоящее время предпосылок и материально-технической базы для созданияИРЭС для ЛА различных классов.181.2 Антенные решетки с широкоугольным сканированием на приемопередающих модуляхОдной из важнейших составных частей ИРЭС является антенная решетка,определяющая основные характеристики всей системы в целом.

Поэтому антеннадолжнаобеспечиватьсборизокружающегопространстванеобходимойинформации, обеспечение ЭМС, фокусировку излучателей на всех рабочихчастотах (литерах) диапазонах, выделяемых для соответствующей радиосистемы.Одним из возможных вариантов построения антенной системы ИРЭС может бытьконформная антенная решетка из широкополосных излучателей, соединенных сППМ,аналого-цифровымпреобразователем(АЦП)ицифро-аналоговымпреобразователем (ЦАП) в каждом канале. Это дает возможность одновременноформировать несколько лучей с независимым управлением и моноимпульснымрежимом работы на различных частотах (литерах) или выполнять различныедругие функциональные назначения.

Оцифровка принятого сигнала проводится вкаждом ППМ с помощью АЦП, а в передающем канале от цифрового синтезаторачастот с помощью ЦАП. Хотя современная вычислительная техника обладаетАЦП сантиметрового диапазона волн, но их значительная стоимость заставляетприменять децимацию или субдискретизацию для того, чтобы снизить затратыбез существенных потерь в приемном канале. Цифровой сигнал с каждогоэлемента АР поступает на цифровое устройство формирования луча.ПриинтегрированииРЭСвозникаетнеобходимостьработыостронаправленных сканирующих антенн в широкой полосе или в несколькихдиапазонах частот. Как известно, существующие плоские ФАР и АФАРузкополосны,чтозатрудняетихприменениедлясозданиябортовыхинтегрированных РЭС. Размещение излучателей в решетке с малым шагом такжеисключает применение плоских антенных решеток.

Как показано в ряде работ[32-34], эта задача решена с помощью конформных ФАР, АФАР и ЦАФАР.Переход к цифровым методам формирования ДН и управления лучомпереносит эти задачи в область цифровой обработки информации, хорошо19освоенной и применяемой в вычислительной технике. Замена выполненныхотдельно РЭС одной ИРЭС позволяет: уменьшить в разы массогабаритные характеристики за счет примененияЦАФАР, устраняющих использование в своем составе таких элементов какмеханические сканеры с приводами, электродвигателями, вращающимисясочленениями и т.д. одновременно или последовательно принимать и излучать сигналы спомощью широкополосного антенного полотна; увеличить объем информации, получаемой ИРЭС, ее достоверность иточность, что достигается объединением информационных потоков от РЛС,навигационной системы, метеорологической системы, GPS, ОГП и т.д.

дляобработки центральным процессором; перестроить, видоизменить, или отказаться от радиотехнических устройств,применяемых на борту в последние десятки лет. Так например, Можноисключитьнасамолетахавтоматическийрадиокомпас(АРК),воспользовавшись системой GPS.Также могут быть перестроены системы аэродромной диспетчерской связи идругой связи за счет сотовой и спутниковой связи.

Возможны глобальныеперестройки всей радиоэлектроники с изменением выделяемых диапазоновчастот. Это в основном относится к ИРЭС для гражданской авиации. Для авиациидвойного применения возможны и другие решения.Сближение рабочих диапазонов частот интегрируемых систем существенноупрощает решение антенных задач, снижает стоимость ИРЭС, но требуетувеличения размеров апертуры антенны для сохранения характеристик РЛС.Существенные различия характеристик бортовых совмещенных РЭС и ихминимальный набор зависят от типа ЛА и приводят к разделению общей задачипо построению ИРЭС на ряд задач для самолетов, вертолетов, ДПЛА и т.д.Однако общим для всех этих решений является антенна, обеспечивающаяусиление в десятки дБ для каждого из рабочих диапазонов волн и электрическое20управление лучом в заданных секторах обзора.

Антенна должна бытьсовмещенной или широкополосной. Существующие апертурные антенны СВЧдопускают одновременную работу в X,K и L – диапазонах, но исключаютэлектрическое сканирование, независимое управление лучом и не обеспечиваютЭМС. Применяемы е ФАР и АФАР имеют необходимое усиление, обеспечиваютЭМС и электрическое сканирование, но обладают рабочей полосой порядкаединиц процента и не позволяют независимо управлять несколькими лучами какна одной частоте, так и на нескольких частотах без потери усиления.В ФАР и АФАР не решены задачи ЭМС для различных радиосистем. Такимобразом, возникает проблема изыскания путей построения антенн и антенныхсистем для бортовых ИРЭС различных классов ЛА.

Для этого в первую очередьнеобходимо определить последовательность интегрирования РЛС с другимирадиосистемами, провести ранжирование характеристик и совмещаемых систем.Стоимостныеограничения,местаразмещения,масса,габариты,энергопотребление – должны быть исходными.В настоящее время представляется несколько путей создания бортовыхинтегрированных РЭС.

Первый – поэтапное объединение 2-3 существующихразличных бортовых радиосистем в единую. Второй путь – коренная перестройкавсей бортовой радиоаппаратуры для создания единой системы.На настоящем этапе создания бортовых ИРЭС в области антенн необходиммассив характеристик совмещенных антенн: характеристики направленности,управления,энергетики,частотныехарактеристики,общетехническиеиэкономические требования.

Причем ограничение по стоимости являетсяважнейшим в наше время показателем. Далее следует ряд итерационных этаповприближения к желаемым характеристикам.Возможный путь построения бортовой ИРЭС – опытно-конструкторскаяразработка (ОКР) РЛС для перспективного самолета нового поколения на основеширокополосной ЦАФАР с широкоугольным сканированием. Для такой РЛСнеобходимо разработать алгоритмы функционирования, получения и обработки21информации, а также программы режимов работы сигнального процессора.