Методика оценивания возможности применения активной фазированной антенной решетки в радиолокационных станциях специального назначения

№ 10’2015
PDF версия
В статье рассмотрены основные принципы построения активной фазированной антенной решетки (АФАР). Представлены результаты анализа применимости АФАР в радиолокационных станциях специального назначения.

Введение

Как показывает практика, эксплуатация технических средств космического базирования неизбежно приводит к появлению космического мусора. Увеличение количества указанных средств предполагает сокращение времени получения координатной информации с более высокими качественными показателями, что предопределяет требования к средствам специального назначения, в частности радиолокационным, по энергетическому потенциалу, гибкости управления характеристиками системы в целом, повышению надежности, расширению круга решаемых задач. В свою очередь требования, предъявляемые к антеннам специализированных РЛС, по формированию множества различных ДНА определяют структуру фазированных антенных решеток (ФАР) с использованием цифрового диаграммообразования.

 

Постановка и решение задачи

Исходя из вышеизложенного, требуется с технической точки зрения выяснить применимость активных ФАР в РЛС специального назначения.

С этой целью необходимо определить тип антенной системы, оптимальные размеры антенного полотна, количество излучателей и расстояние между ними, вычислить требуемую выходную мощность элементарных приемно-передающих модулей.

В качестве критерия оптимизации можно принять оценку верхней границы прогнозируемого энергетического потенциала радиолокационной станции (РЛС) ЭˆК в пределах зоны обзора:

Формула

где {fn}К — множество определяемых параметров РЛС, n — номер параметра, К — присвоенное значение n‑го параметра; ЭˆК — энергетический потенциал РЛС.

В качестве определяемых параметров РЛС используются: энергетический потенциал РЛС, надежность АФАР, потребляемая мощность и другие.

Однако условие (1) излишне оптимистично, поскольку зависит от множества факторов (или условий функционирования), распределение которых неизвестно, и отдать предпочтение какому-либо варианту — сложно. В этих условиях для принятия решения используют ряд критериев, рассмотрим некоторые из них.

Максиминный критерий Вальда, или критерий осторожного наблюдателя, оптимизирует ожидаемый результат в расчете на самые худшие условия функционирования системы, а выбор рационального варианта производится так:

Формула

Критерий минимаксного риска («минимизация сожалений»), или критерий Сэвиджа, также рассматривается для наихудших условий функционирования, однако минимизации подлежат потери эффективности (риск) относительно самого хорошего варианта для различных условий:

Формула

где 

Формула показатель риска («сожалений»).

Критерий Гурвица, или критерий «пессимизма-оптимизма», в отличие от предыдущих позволяет взвесить как наихудшие, так и наилучшие условия. Полагается, что наихудшие условия могут быть с вероятностью  Py, а наилучшие с вероятностью 1–Py, тогда критерий Гурвица можно представить в следующих формах:

Формула

При Py =1 критерий Гурвица вырождается в критерий Вальда, или:

Формула

при Py = 1 критерий Гурвица вырождается в критерий Сэвиджа.

Сложность определения вероятности Py предполагает использование критериев (1–3). Целесообразным для данной задачи является выбор критерия (2), поскольку критерий (1) излишне оптимистичен, а для (3) минимизации подлежат потери эффективности (риск) относительно самого хорошего варианта для различных условий.

Введем следующие ограничения и допущения:

  1. ЭК ЭК треб— энергетический потенциал РЛС должен быть не менее значений, заданных потребителем;
  2. NL NL доп— надежность функционирования ФАР должно быть не менее допустимых значений;
  3. Ωcons(τ) — область пространства, контролируемого в течение заданного времени;
  4. RВИ RВИ ТР— рубеж выдачи РЛИ должен быть не менее заданного потребителем;
  5. Р0 Р0 ТР— потребляемая мощность должна быть не более заданной потребителем;
  6. Z0 Z0 ТР— суммарные затраты эксплуатации РЛС.

Анализ технических требований, предъявляемых к антенно-фидерному устройству радиолокационных станций специального назначения, показывает, что обеспечение изменения ориентации углового и азимутального секторов обзора РЛС специального назначения в полусферическом пространстве и одновременно безынерциальное качание луча в этом секторе целесообразно осуществлять антенным постом с механическим вращением в азимутальной и угломестной плоскостях антенного полотна фазированной антенной решетки.

Известны два варианта построения фазированных антенных решеток — пассивная ФАР и активная ФАР. В последнем варианте возбуждение излучателей и фазирование сигналов элементарных излучателей осуществляется на малом уровне мощности, кроме того, отсутствует ряд сверхвысокочастотных элементов — компаратор, вращающиеся сочленения и другие.

Активная фазированная антенная решетка содержит когерентные генераторы, процессор, делители мощности, n приемопередающих модулей, оперативное запоминающее устройство, программируемую логическую интегральную схему, перезаписываемое постоянное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, векторный модулятор, квадратурный демодулятор, полосовые фильтры, усилитель мощности, малошумящий усилитель, циркулятор, защитное устройство [1].

Типовая АФАР содержит приемопередающий модуль (ППМ) [1], построенный на базе гибридной и твердотельной микроволновой технологии. ППМ включает устройства управления мощностью и фазой излучаемых и принимаемых СВЧ-сигналов, амплитудой принимаемых сигналов, СВЧ-переключателями приема-передачи, модуляторами смещений, обеспечивающими регулировку потребления узлами ППМ при передаче и приеме, устройство интерфейса, обеспечивающего получение внешних управляющих сигналов и передачу на исполнительные узлы, устройства контроля мощности излучаемых и принимаемых сигналов в виде детекторов, подключенных к соответствующим СВЧ-фидерам через направленные ответвители, устройство отбора части мощности зондирующего сигнала.

Знание энергетического потенциала РЛС, выбранного согласно критерию (2), позволяет определить мощность, формируемую радиопередающим устройством, — Рвых.РПУ., определяемую выражением [2]:

Формула

где D — коэффициент направленного действия антенны, η — коэффициент полезного действия антенны.

Исходя из знания потенциала РЛС, выходная мощность одного ППМ определяется выражением [2]:

Формула

где N — количество ППМ в АФАР.

Оценку потребляемой мощности АФАР можно провести по формуле [2]:

Формула

где P1N/η — мощность, потребляемая в усилителях всех N модулей; ηФ — коэффициент полезного действия распределительного тракта; ηВ — коэффициент полезного действия возбудителя.

Оптимальное число излучателей антенны определяется, исходя из выбранного критерия, и в общем случае может быть различным. Расчеты показывают на достаточно близкие количественные значения.

Оценка стоимости АФАР ZˆОТР может быть произведена исходя из следующих предпосылок. Если за единицу стоимости АФАР принять долю стоимости ППМ — С1, приходящуюся на 1 Вт его выходной мощности, то расчет полной стоимости АФАР можно произвести по формуле [2]:

Формула

где  А = Сн+Сф+1,5Сд,

Формула 

где Сн = 0,1С1 — стоимость излучателя; Сф = 0,5С1 — стоимость фазовращателя; Сд = 0,01С1 — стоимость одного канала делителя; D1 — КНД одного излучателя решетки; ηФ, ηB — коэффициент полезного действия фазовращателя и делителя; К — коэффициент усиления ППМ.

Расчетная мощность усилителя СВЧ на полупроводниках, входящих в состав одного ППМ, приближенно равна 0,25–0,3 кВт. Анализ полупроводниковой элементной базы и проведенные расчеты усилителей СВЧ показывают возможность их реализации на отечественной элементной базе, но по многокаскадным схемам.

 

Заключение

Реализация АФАР позволит сравнительно простыми техническими средствами повысить надежность функционирования РЛС как системы за счет унификации ППМ и достаточно высоких показателей наработки на отказ полупроводниковых элементов, входящих в состав ППМ.

Литература
  1. Активная фазированная антенная решетка. Патент RU 2531562C2, 14.11.12 г.
  2. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д. И. Воскресенского и А. И. Канащенкова. М.: Радиотехника, 2004.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *