ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ МАЛОГАБАРИТНЫХ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК НА ФЕРРИТОВЫХ ФАЗОВРАЩАТЕЛЯХ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-19-25 УДК 621.396.676

Особенности разработки малогабаритных фазированных антенных решеток на ферритовых фазовращателях для беспилотных летательных аппаратов

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

Акционерное общество «Научно-исследовательский институт приборостроения им. В. В. Тихомирова», Жуковский, Московская область, Российская Федерация

Рассмотрены особенности разработки малогабаритных фазированных антенных решеток на ферритовых фазовращателях. Приведены примеры прогнозирования характеристик излучения фазированной антенной решетки и обработки измеренных характеристик фазированной антенной решетки с помощью математической модели. На примере фазированной антенной решетки для беспилотного летательного аппарата показано влияние конструктивных особенностей антенны на излучающие характеристики. Приведены характеристики излучения разработанной и изготовленной в АО «НИИП им. В. В. Тихомирова» фазированной антенной решетки для беспилотного летательного аппарата.

Ключевые слова: математическая модель фазированной антенной решетки, малогабаритная фазированная антенная решетка, уровень фонового излучения, фазовое распределение, фазовый центр, фазированная антенная решетка

Для цитирования: Бушкин С. С., Головин С. А., Сорока Н. Н. Особенности разработки малогабаритных фазированных антенных решеток на ферритовых фазовращателях для беспилотных летательных аппаратов // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2020. № 1. С. 19-25. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-19-25

For citation: Bushkin S. S., Golovin S. A., Soroka N. N. Development of small-sized phased antenna arrays on ferrite phase shifters for unmanned aerial vehicles // Vestnik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2020. No. 1. P. 19-25. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-1-19-25

Поступила 29.11.2018 Одобрена 26.03.2020 Опубликована 21.05.2020

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»

© Бушкин С. С., Головин С. А., Сорока Н. Н., 2020

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 слиш- — ком трудной для расчета, если не сделать до- | пущение, что все излучатели АР идентичны, о 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). ц

0)

о см о см

Рис. 1. Структурная схема декомпозиции математической модели ФАР

Рис. 2. Внешний вид разработанной и изготовленной в АО «НИИП им. В. В. Тихомирова» ФАР для беспилотного летательного аппарата

< I

со (О 5

с <

О т

О Я X

О

о ф

т

см ^

ю о

см

ю см

(Я (И

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 волновод-ных 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].

т2

р -21

Ф N

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

В то же время если в силу каких-либо конструктивных или методологических реше-

ний 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).

о

-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50

У

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

20

-20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 x, №

Рис. 3. Диаграмма направленности в плоскости азимута опытного образца ФАР для БЛА

Рис. 4. Смоделированная эквивалентная линейка фазового распределения ФАР по измеренной ДН

0 -5 -10 -15 -20 33-25

^-30 -35 -40 -45 -50

5г

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

12 16 20 24 28 32 x, №

36

Рис. 5. Прогнозируемые ДН по измеренному амплитудно-фазовому распределению: - в азимутальной плоскости;--в угломестной плоскости

Рис. 6. Эквивалентная линейка фазового распределения ФАР по измеренному фазовому распределению

та

X ф

ч

та о.

та

О

О.

£

V

ц

(Ч

0

4

8

| Электроника. Радиотехника|

Т^Г -

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.

Рис. 7. Измеренное фазовое распределение раскрыва ФАР

о сч о сч

ш н

х

<

1

м га

2

С <

О ы т

га х о.

ш ^

X

о ы

I-

о ш т

сч ^

ю о

сч ^

ю сч

(О (О

Рис. 8. Фазовое распределение фрагмента апертуры опытного образца ФАР для БЛА

16

А

А

Рис. 9. Конструкция излучающей панели ФАР для БЛА

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.

0 -10 -20

и

^ -30 -40 -50 -60

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

x°

Рис. 10. ДН в азимутальной плоскости со смещенными фазовыми центрами: --измеренная;--прогнозируемая;--ДН сканирования

0 -5 -10 -15 -20 ^-25

^-30 -35 -40 -45 -50

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 x°

а

о

-5 -10 -15 -20 ^-25

^-30 -35 -40 -45 -50

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 x°

б

Рис. 11. а - ДН на fcp в плоскости азимута опытного образца ФАР для БЛА; б - ДН на fcp в плоскости угла места

опытного образца ФАР для БЛА --SUM,--RAZ,--Komp

Таблица 1

Характеристики излучения на f.p ФАР для БЛА

Название параметра Азимут Угол места

Ширина луча (по уровню -3 дБ) 3,8° 8°

УБЛ -28,5 дБ -28 дБ

СКО реализованного фазового распределения 4,3°

та

X ф

ч

та Q.

та

о

о.

£

ф ц

(Ч

о см о см

>5

ф

1-

X

<

I

со га г с; <1

О ьс Ой

га х а ф з

X

о

а £ х

I-

о ш Ой

см ^

ю о

I

см ^

ю см

(Л (Л

-80 -60 -40 -20 0 х°

а

20 40 60 80

-80 -60 -40 -20 0 х°

б

20 40 60 80

Рис. 12. а - ДН в плоскости азимута опытного образца ФАР для БЛА в разных угловых положениях; б — ДН в плоскости угла места опытного образца ФАР для БЛА в разных угловых положениях

аб Рис. 13. а — 3D ДН опытного образца ФАР для БЛА; б — пространственная ДН опытного образца ФАР для БЛА

Результаты разработки и изготовления ФАР для БЛА в АО «НИИП им. В. В. Тихомирова»

Рассматриваемая ФАР имеет на_/ср 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 3В 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.

Список литературы

1. Синани А. И. 50 лет Научно-исследовательскому институту приборостроения им. В. В. Тихомирова //Антенны. 2005. № 2.

2. Старшинова Е. И. Сверхвысокочастотный фазовращатель. Патентное изобретение № 2207666. 2002.

3. Фирсенков А. И., Чалых А. Е., Старшинова Е. И. Сверхвысокочастотный фазовращатель. Полезная модель № 142373. 2014.

4. Хансен Р. С. Фазированные антенные решетки. 2-е изд. М.: Техносфера, 2012. 560 с.

5. Грибанов А. Н., Гаврилова С. Е., Павленко Е. А., Чубанова О. А. Программа расчета пространственной диаграммы направленности плоской ФАР/АФАР. Программа ЭВМ № 2015610685. 2015.

Об авторах

Бушкин Сергей Сергеевич - начальник лаборатории Акционерного общества «Научно-исследовательский институт приборостроения им. В. В. Тихомирова», Жуковский, Московская область, Российская Федерация. Область научных интересов: АФАР, ФАР, математическое моделирование антенных систем, системы управления ФАР и АФАР, методы настройки ФАР.

Головин Сергей Александрович - инженер 1-й категории Акционерного общества «Научно-исследовательский институт приборостроения им. В. В. Тихомирова», Жуковский, Московская область, Российская Федерация. Область научных интересов: АФАР, ФАР, математическое моделирование антенных систем, системы управления ФАР и АФАР, методы настройки ФАР.

Сорока Николай Николаевич - инженер 2-й категории Акционерного общества «Научно-исследовательский институт приборостроения им. В. В. Тихомирова», Жуковский, Московская область, Российская Федерация. Область научных интересов: АФАР, ФАР, математическое моделирование антенных систем, системы управления ФАР и АФАР, методы настройки ФАР.

Development of small-sized phased antenna arrays on ferrite phase shifters for unmanned aerial vehicles

Bushkin S. S., Golovin S. A., Soroka N. N.

Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Design, JSC, Zhukovsky, Moscow Region, Russian Federation

In this paper, an approach to the development of small-sized phased antenna arrays on ferrite phase shifters is considered. The paper presents examples of predicting the radiation characteristics of phased antenna arrays and processing their measured characteristics using mathematical models. On the basis of a phased array antenna for an unmanned aerial vehicle, the influence of the design features of such an antenna on its radiation characteristics is shown. The radiation characteristics of a phased array antenna for an unmanned aerial vehicle developed at V. V. Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Design are presented.

Keywords: mathematical model of a phased antenna array, small-sized phased antenna array, background radiation level, phase distribution, phase centre, phased antenna array

Information about the authors

Bushkin Sergey Sergeevich - Head of the Laboratory, Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Design, JSC, Zhukovsky, Moscow Region, Russian Federation.

Research interests: antennaactive phased antenna arrays (APAA), phased antenna arrays (PAA), mathematical modelling of antenna systems, APAA and PAA control systems, PAA setup methods.

Golovin Sergey Alexandrovich - Engineer of the 1st category, Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Design, JSC, Zhukovsky, Moscow Region, Russian Federation.

Research interests: antennaactive phased antenna arrays (APAA), phased antenna arrays (PAA), mathematical modelling of antenna systems, APAA and PAA control systems, PAA setup methods.

Soroka Nikolay Nikolaevich - Engineer of the 2nd category, Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument |

Design, JSC, Zhukovsky, Moscow Region, Russian Federation. ==

Research interests: antennaactive phased antenna arrays (APAA), phased antenna arrays (PAA), mathematical modelling g

of antenna systems, APAA and PAA control systems, PAA setup methods. q

(0

о

о.

£

V

ц

(Ч