Разработка сложных СВЧ систем, таких как активные и пассивные антенные решетки, трудоемкий и дорогостоящий процесс с при-влечением современных технологий. С це-лью снижения издержек разработчик стремит-ся минимизировать объем работ, связанных с макетированием и проведением натурных экспериментов. В настоящее время одним из способов минимизации является всесто-роннее использование средств математиче-ского моделирования на всех этапах разра-ботки, изготовления, настройки и испытаний. Причем чем сложнее разрабатываемое устрой-ство, тем больше эффективность от исполь-зования средств математического моделиро-вания. В АО ？НИИП им. В. В. Тихомирова？ широко используются математические модели, описывающие излучающую и распределитель-ные системы антенной решетки (АР) с исполь-зованием принципа декомпозиции. Антенная система (АС) разбивается на несколько более простых узлов, которые можно промодели-ровать численными методами с учетом неко-торых 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, 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).

       Рис. 1. Структурная схема декомпозиции математической модели ФАР

       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 прогнози-ровать параметры АС, но и проводить анализ экспериментальных данных. Наши коллеги, являющиеся ее непосредственными авторами, неоднократно публиковали материалы об осо-бенностях и возможностях разработанной ма-тематической модели для проектирования ФАР и АФАР [1]. В данной статье на примере ФАР с электронным управлением лучом для беспи-лотного летательного аппарата (БЛА) (рис. 2) рассматривается применение математической модели для получения требуемых по ТЗ ха-рактеристик ФАР на этапе ее настройки и ис-пытаний.

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

       Рассматриваемая ФАР отличается от большинства известных ФАР своими ма-лыми 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 азимуталь-ной плоскости и 20,5 мм в угломестной. Сис-тема распределения энергии - волноводная. Система фазирования - на основе феррито- вых фазовращателей типа Реджиа - Спенсера [2, 3] с использованием устройства управ-ления, построенного на основе ПЛИС, со-ставных транзисторных ключах и мощных MOSFET-транзисторах для управления индук-тивной нагрузкой.

       Перечисленная совокупность техничес-ких решений обеспечивает малые габариты, максимальный КУ, низкий уровень фонового излучения, однако ставит задачу повышения точности реализации фазового фронта до еди-ниц градусов путем устранения всех возмож-ных причин появления амплитудных и фазо-вых ошибок в раскрыве ФАР.

       Не менее значимыми являются конструк-тивные 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 элемен-тов 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 сожа-лению, не удалось избежать этого эффекта на первом образце ФАР.

       При измерении излучающих характери-стик антенны было выявлено такое увеличе-ние бокового лепестка на верхних частотах в диаграмме направленности (ДН) азимуталь-ной плоскости в области от 70 до 90 и от -70 до -90° (рис. 3).

       Рис. 3. Диаграмма направленности в плоскости азиму-та опытного образца ФАР для БЛА

       Для выявления природы появления этого лепестка была использована математическая модель малогабаритной ФАР [5]. С помощью численного метода определения эквивалент-ного фазового распределения антенны по из-меренным ДН было спрогнозировано высо-кое значение ошибок фазового распределения в плоскости раскрыва ФАР коррелированного характера (рис. 4).

       Рис. 4. Смоделированная эквивалентная линейка фазо-вого распределения ФАР по измеренной ДН

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

       Рис. 6. Эквивалентная линейка фазового распределе-ния ФАР по измеренному фазовому распределению

       Рис. 7. Измеренное фазовое распределение раскрыва ФАР

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

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

       Рис. 9. Конструкция излучающей панели ФАР для БЛА

       С целью упрощения технологии изготов-ления в рассматриваемой антенне была исполь-зована двурядная конструкция излучающей панели, в которой широкие стенки волноводов по внешним сторонам излучающих панелей имеют изгиб. Этот изгиб приводит к увеличе-нию размера узкой стенки излучателя в области раскрыва антенны и, как следствие, к смеще-нию фазовых центров излучающей панели от-носительно геометрических центров элементов

       ФАР. Скорректированная математическая мо-дель ФАР, в которой были учтены особенности конструкции излучающей панели (рис. 10), под-тверждает то, что основной причиной увели-чения бокового лепестка в области от 70 до 90 и от -70 до -90° является смещение фазовых центров излучающей панели относительно гео-метрических. Следовательно, для дальнейшего использования двурядной конструкции излуча-ющей панели требуется ее доработка.

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

       Рассматриваемая ФАР имеет на fср коэф-фициент усиления более 28 дБ и глубину нуля менее -30 дБ, остальные характеристики при-ведены в таблице 1, а ДН представлены на ри-сунках 11 и 12 и в формате 3D на рисунке 13.

       Таблица 1. Характеристики излучения на fср 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°

       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

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

       Подводя итог, нельзя не отметить, что благодаря применению математическо-го моделирования уже на первом опытном образце малогабаритной ФАР удалось полу-чить 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

       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.

       23.09.2020