Фазовращатели сканирующих антенн для радаров обзора территорий

В статье рассмотрено несколько новых типов фазовращателей для антенн со сканированием луча, имеющих малую стоимость. Такие недорогие сканирующие антенны могут быть использованы в обзорных радарах сантиметровых и миллиметровых диапазонов волн.

Введение

В настоящее время целый ряд радарных станций нуждаются в антеннах с электронным движением луча. И хотя существует множество разработок плоских антенных решеток с электрическим управлением, главной преградой на пути применения таких систем остается их высокая стоимость. Необходимость обеспечения больших углов качания при сравнительно высоком уровне коэффициента усиления 30–35 дБ неизбежно приводит к увеличению количества элементов антенны, которое, для разных систем, может достигать от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч единиц и, как следствие этого, к увеличению числа фазовращателей, формирующих фазовый фронт волн, излучаемых антенной. При применении традиционных систем управления на основе p-i-n-диодных фазовращателей их стоимость по оценкам специалистов может достигать от $100 до $200 за штуку при массовом производстве. Естественно, такая цена фазовращателей делает антенны с электронным движением луча неконкурентоспособными по сравнению с механическими системами. Поэтому весьма важная задача — поиск нового типа фазовращателей, имеющих значительно меньшую стоимость, нежели существующие аналоги.

Для решения этой проблемы могут быть использованы следующие пути:

1. Использование полупроводниковых фазовращателей нового типа — отражательных излучателей-фазовращателей.
2. Использование сегнетоэлектрических фазовращателей.

Фазовращатели сантиметрового и миллиметрового диапазонов

Базовым компонентом антенны с электрическим управлением диаграммой направленности является фазовращатель. Если не принимать в расчет ферритовые фазовращатели из-за сложности их реализации для коммерческих применений и большого потребления энергии в цепях управления (единицы Вт), то сегодня можно выделить несколько типов электрически управляемых фазовращателей, экспериментально реализованных и отличающихся типом элемента управления: на полевых транзисторах, p-i-n-диодах, варакторных диодах, микроэлектромеханических системах (МЭМС) и сегнетоэлектриках.

Фазовращатели на полупроводниковых управляющих элементах, несомненно, занимают значительную позицию, главным образом, благодаря возможности реализации монолитной схемы СВЧ на основе GaAs или Si, включающей в себя малошумящие усилители, и имеющие при этом сравнительно малые массо-габаритные параметры и малое потребление мощности по цепям управления (несколько сотен мВт). Между тем, фазовращатели на полупроводниковых элементах сравнительно дороги при массовом производстве, а, кроме того, на частотах более 30 ГГц уступают по потерям своим сегнетоэлектрическим и МЭМС аналогам.

Сейчас лидерами по характеристикам считаются фазовращатели на основе микроэлектромеханических систем, сочетающие в себе как малые вносимые потери (менее 1 дБ) практически во всем частотном диапазоне СВЧ (до 100 ГГц) при пренебрежимо малом потреблении мощности по цепям управления (единицы мВт), так и возможности монолитной технологии. Конечно, эти приборы не лишены недостатков, основной из которых — сравнительно низкое быстродействие. Наилучшим является время срабатывания порядка 10 мкс. Другим недостатком является ограниченное число механических переключений, то есть ограниченный срок службы, существенно меньший, чем у полупроводниковых ключей. Кроме того, остается неясным, какова будет себестоимость фазовращателей на МЭМС при массовом производстве, поскольку технология изготовления МЭМС усложняется изготовлением воздушного мостика, подвешенного на расстоянии 1,5 мкм над поверхностью подложки.

К преимуществам фазовращателей на основе сегнетоэлектрика можно отнести: малое время переключения (десятки нс), малое потребление энергии в цепях управления (единицы мВт) низкие фазовые шумы, меньшую, по сравнению с полупроводниковыми аналогами, себестоимость, а также возможность интегрального исполнения устройств на основе сегнетоэлектрика. Особое внимание следует обратить на малые величины зазоров порядка 10 мкм планарного конденсатора или линии передачи, которые необходимы для получения требуемой напряженности управляющего поля при умеренной величине приложенного напряжения. Помимо низкой себестоимости, сегнетоэлектрические материалы обладают рядом преимуществ, которые позволяют расширить возможности приборов и устройств, построенных на иных материалах и физических явлениях. Все перечисленные факты открывают очевидную перспективу использования сегнетоэлектрических материалов в качестве активных элементов современных ФАР. К сожалению, ни в России, ни за рубежом нет массового производства сегнетоэлектрических элементов для СВЧ-приложений.

Отражательная антенная решетка

Одной из перспективных, с точки зрения снижения цены, схемы построения фазированной решетки является отражательная схема. В такой схеме (рис. 1) используется печатная плата с полупроводниковыми фазовращателями, совмещенными с микрополосковыми излучателями, и облучатель для освещения СВЧ-полем. Такая структура приводит к объединению в топологию нескольких компонентов, что и дает значительное упрощение схемы и, в конечном итоге, приводит к снижению стоимости.

На рис. 2 показано взаимное расположение элементов «излучатель–фазовращатель» на печатной плате, при котором шаг L1 и L2 по Х и по У определяется из соображений получения необходимого сектора сканирования и бокового излучения. Принцип действия элемента «излучатель–фазовращатель» заключается в том, что в микрополосковый диполь вводится электрически управляемый конденсатор. При изменении емкости меняется электрическая длина диполя и, как следствие, фаза коэффициента отражения переизлученной волны. Устанавливая с помощью управляющих напряжений в каждом варикапе свою фазу, полученную по расчету антенной решетки, можно сформировать луч в нужном направлении. Фазоуправляемым элементом в такой антенне является варактор, в котором электрически перестраивается емкость обратно смещенного р-n-перехода.

Преимущества такой конструкции следующие: во-первых, использование стандартной технологической линии изготовления печатных плат и поверхностного монтажа электронных компонентов, во-вторых, отсутствие потерь в распределителе мощности, так как не используется линия передач, и, в-третьих, технологические возможности современного оборудования для печатного монтажа позволяют использовать эту технологию вплоть до Ku (10–14 ГГц) и Ka (26–40 ГГц) диапазонов.

Для расчета элемента «излучатель–фазовращатель» была создана аналитическая методика проектирования по математической модели в программе MathCAD и эквивалентная электрическая схема, которую можно рассчитать, например, с помощью программы Ansoft Designer. На рис. 3 показаны результаты расчета фазы в частотном диапазоне Ku, для крайних значений емкостей варактора 0,15 и 0,9 пФ, а на рис. 4, 5 показано, каковы будут потери в фазовращателе данного типа. Эти графики приведены для варикапа МА46Н120 (фирмы МАСОМ). Экспериментальные данные дают возможность установить, что фаза изменяется от 0° до 310°, а средние потери составляют 2,2 дБ. Рис. 6 представляет собой фотографии печатных плат с элементами «излучатель–фазовращатель» для диапазона 12 ГГц (варикап МА46Н120, ячейка размером 18N18 мм), а также для диапазона 33 ГГц (ячейка размером 6N6 мм с варикапом MV39001). Стоимостные (ориентировочные) характеристики для фазовращателей и для ФАР (рис. 7), построенных по этому принципу, сведены в таблицах 1 и 2.