Разработка сложных СВЧ систем, таких как активные и пассивные антенные решетки, трудоемкий и дорогостоящий процесс с при­влечением современных технологий. С це­лью снижения издержек разработчик стремит­ся минимизировать объем работ, связанных с макетированием и проведением натурных экспериментов. В настоящее время одним из способов минимизации является всесто­роннее использование средств математиче­ского моделирования на всех этапах разра­ботки, изготовления, настройки и испытаний. Причем чем сложнее разрабатываемое устрой­ство, тем больше эффективность от исполь­зования средств математического моделиро­вания. В АО «НИИП им. В. В. Тихомирова» широко используются математические модели, описывающие излучающую и распределитель­ные системы антенной решетки (АР) с исполь­зованием принципа декомпозиции. Антенная система (АС) разбивается на несколько более простых узлов, которые можно промодели­ровать численными методами с учетом неко­торых упрощений. Математическая модель такой сложной системы, как фазированная антенная решетка (ФАР), становится слиш­ком трудной для расчета, если не сделать до­пущение, что все излучатели АР идентичны, металлы обладают идеальной проводимостью, а в диэлектрике отсутствуют потери.

Разработанная А. Н. Грибановым в АО «НИИП им. В. В. Тихомирова» математическая модель антенной системы имеет следующую структурную схему декомпозиции (рис. 1).

Указанная выше математическая модель оригинальна, разрабатывается и развивается в стенах АО «НИИП им. В. В. Тихомирова» на протяжении нескольких десятилетий. Ее функционал позволяет не только прогнози­ровать параметры АС, но и проводить анализ экспериментальных данных. Наши коллеги, являющиеся ее непосредственными авторами, неоднократно публиковали материалы об осо­бенностях и возможностях разработанной ма­тематической модели для проектирования ФАР и АФАР [1]. В данной статье на примере ФАР с электронным управлением лучом для беспи­лотного летательного аппарата (БЛА) (рис. 2) рассматривается применение математической модели для получения требуемых по ТЗ ха­рактеристик ФАР на этапе ее настройки и ис­пытаний.

Рассматриваемая ФАР отличается от большинства известных ФАР своими ма­лыми электрическими размерами, порядка 10-15 длин волн, и небольшим количеством излучающих элементов. Система излучения антенны выполнена в виде решетки волновод­ных излучателей с шагами 16 мм в азимуталь­ной плоскости и 20,5 мм в угломестной. Сис­тема распределения энергии - волноводная. Система фазирования - на основе феррито- вых фазовращателей типа Реджиа - Спенсера [2, 3] с использованием устройства управ­ления, построенного на основе ПЛИС, со­ставных транзисторных ключах и мощных MOSFET-транзисторах для управления индук­тивной нагрузкой.

Перечисленная совокупность техничес­ких решений обеспечивает малые габариты, максимальный КУ, низкий уровень фонового излучения, однако ставит задачу повышения точности реализации фазового фронта до еди­ниц градусов путем устранения всех возмож­ных причин появления амплитудных и фазо­вых ошибок в раскрыве ФАР.

Не менее значимыми являются конструк­тивные особенности и точность изготовления антенной системы и ее элементов. Известно, что при случайном распределении фазовых ошибок в раскрыве ФАР уровень фонового излучения можно оценить по формуле 1 [4].

где σ - ср. кв. ошибка реализации фазового распределения в радианах; N - число элемен­тов ФАР.

В то же время если в силу каких-либо конструктивных или методологических реше­ний ошибки носят периодический характер, то уровень боковых лепестков за счет этой периодики возрастает в десятки раз. К сожа­лению, не удалось избежать этого эффекта на первом образце ФАР.

При измерении излучающих характери­стик антенны было выявлено такое увеличе­ние бокового лепестка на верхних частотах в диаграмме направленности (ДН) азимуталь­ной плоскости в области от 70 до 90 и от -70 до -90° (рис. 3).

Для выявления природы появления этого лепестка была использована математическая модель малогабаритной ФАР [5]. С помощью численного метода определения эквивалент­ного фазового распределения антенны по из­меренным ДН было спрогнозировано высо­кое значение ошибок фазового распределения в плоскости раскрыва ФАР коррелированного характера (рис. 4).

В результате анализа полученной с по­мощью математического моделирования ДН (рис. 5) и построенной эквивалентной линейки (рис. 6) по измеренному поканально амплитуд­но-фазовому распределению (рис. 7) версия об ошибках фазового распределения раскрыва ФАР не подтвердилась.

Следующим шагом для выявления при­роды появления лепестка в диапазоне 70—90 и -70...-90° в плоскости азимута стало снятие амплитудно-фазового распределения в плоско­сти апертуры ФАР с помощью сканера ближне­го поля (рис. 8). Эти данные позволили опре­делить и измерить смещение фазовых центров излучающей панели (рис. 9) относительно их геометрических центров.

С целью упрощения технологии изготов­ления в рассматриваемой антенне была исполь­зована двурядная конструкция излучающей панели, в которой широкие стенки волноводов по внешним сторонам излучающих панелей имеют изгиб. Этот изгиб приводит к увеличе­нию размера узкой стенки излучателя в области раскрыва антенны и, как следствие, к смеще­нию фазовых центров излучающей панели от­носительно геометрических центров элементов

ФАР. Скорректированная математическая мо­дель ФАР, в которой были учтены особенности конструкции излучающей панели (рис. 10), под­тверждает то, что основной причиной увели­чения бокового лепестка в области от 70 до 90 и от -70 до -90° является смещение фазовых центров излучающей панели относительно гео­метрических. Следовательно, для дальнейшего использования двурядной конструкции излуча­ющей панели требуется ее доработка.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФАР ДЛЯ БЛА В АО «НИИП ИМ. В. В. ТИХОМИРОВА»

Рассматриваемая ФАР имеет на fср коэф­фициент усиления более 28 дБ и глубину нуля менее -30 дБ, остальные характеристики при­ведены в таблице 1, а ДН представлены на ри­сунках 11 и 12 и в формате 3D на рисунке 13.

Подводя итог, нельзя не отметить, что благодаря применению математическо­го моделирования уже на первом опытном образце малогабаритной ФАР удалось полу­чить характеристики излучения, отвечающие всем требованиям ТЗ, несмотря на сложность как в техническом, так и в технологическом плане разработанной в АО «НИИП им. В. В. Тихомирова» антенной системы.

Авторы: Бушкин С.С., Головин С.А., Сорока Н.Н.

Материал предоставлен для публикации журналом "Вестник концерна ВКО "Алмаз - Антей