Оснащение производства
Промышленный контроль
Лаборатория и Тестирование
Связь и Телекоммуникации
Безопасность и Спецтехника
Энергетика и Электротехника
Что делает антенна в радиолокационной станции
Основная задача радиолокационной станции (РЛС) — найти объект и определить его координаты: дальность — по времени задержки или сдвигу частоты эха, угловое положение — по направлению луча, радиальную скорость — по доплеровскому сдвигу. Две из этих величин напрямую зависят от антенны. Она концентрирует излучение передатчика в заданном направлении, собирает слабое отражение и отсекает то, что приходит с других направлений.
Поэтому радиолокационные антенны оценивают не так, как связные. В линии связи важен сигнал на одном конце трассы; в радиолокаторе волна проходит путь дважды, и энергия падает пропорционально четвёртой степени дальности. Дальность обнаружения пропорциональна корню четвёртой степени из произведения P·G²·λ²·σ, где P — мощность, G — усиление, λ — длина волны, σ — эффективная площадь рассеяния объекта. Усиление входит в квадрате, так как работает и на передачу, и на приём: прибавка 3 дБ при той же мощности увеличивает дальность примерно в 1,41 раза, а чтобы получить то же самое одной мощностью, её пришлось бы поднять в 4 раза.
Гражданских задач у радиолокации много: метеорология, управление воздушным движением, обнаружение несанкционированных беспилотников над объектами, автомобильные и промышленные радары, контроль периметра. Им нужны антенны разной формы и размера — от зеркала в несколько метров до плоской панели размером с книгу. Ниже разбираем главные виды и подробно — фазированную антенную решётку (ФАР), самый частый предмет поиска в этой теме.
Фазированная антенная решётка простыми словами
Антенная решётка — это много одинаковых излучателей, расположенных с постоянным шагом и работающих согласованно. Если подать на все элементы сигнал одной фазы, волны сложатся по нормали к полотну. Если же задержать сигнал в каждом следующем элементе на одну и ту же величину, фронт волны наклонится, и луч уйдёт в сторону. В этом вся идея: полотно неподвижно, а направление меняется числами, которые управляющая схема записывает в фазовращатели. Поворотное устройство для этого не нужно.
Принцип работы ФАР: формула отклонения луча
Направление луча связано с разностью фаз соседних каналов простым соотношением: sin θ = Δφ·λ/(2π·d), где d — шаг решётки. При шаге в половину длины волны и Δφ = 90° получаем sin θ = 0,5, то есть θ = 30°. Шаг обычно выбирают около λ/2: на 24 ГГц (λ = 12,5 мм) это примерно 6 мм, на 40 ГГц (λ = 7,5 мм) — менее 4 мм. Поэтому решётки миллиметрового диапазона так компактны и так требовательны к точности изготовления.
Шаг нельзя увеличивать произвольно: при слишком большом d в рабочий сектор приходят дифракционные лепестки — паразитные лучи в других направлениях. Для сектора ±60° условие d/λ не более 1/(1 + sin 60°) даёт предел около 0,54 λ на верхней частоте рабочей полосы. Отсюда прямая связь между сектором сканирования, шириной полосы и числом каналов на единицу площади.
Что происходит с лучом на краю сектора
При отклонении проекция полотна на направление луча уменьшается пропорционально cos θ. Для идеальной решётки на 60° это снижение усиления на 3 дБ от самого косинуса и расширение луча в 2 раза; на практике к ним добавляется спад диаграммы самого элемента. Поэтому сравнивать решётки надо не по усилению по нормали, а по значениям на краю сектора: в паспорте решётки должно быть указано, при каком угле отклонения гарантировано заявленное усиление.
Устройство ФАР: излучатели, каналы и управление лучом
Элемент антенной решётки состоит из излучателя и тракта до него. Излучатели бывают микрополосковые (печатная плата, малая высота, удобны в массовых панелях), щелевые и рупорные (больше мощность и ниже потери, сложнее механика). Щелевая антенная решётка в волноводном исполнении — отдельный класс с низкими потерями тракта: её ищут как волноводно-щелевую; такие модели собраны в разделе волноводно-щелевых антенн.
По расположению решётки бывают линейные (луч управляется в одной плоскости, в другой задан конструкцией), плоские (управление в двух плоскостях) и кольцевые (круговой обзор). Например, кольцевая решётка KADAMM АПЛ-300/18000-0-SMA(р)-К служит для пеленгации при круговом обзоре в полосе 0,3–18 ГГц.
Активная, пассивная, цифровая и адаптивная решётка
Эти четыре запроса часто путают, а разница определяет цену и возможности системы:
| Вид решётки | Где формируется луч | Что это даёт |
|---|---|---|
| Пассивная ФАР | Общий передатчик, делитель и фазовращатель на элемент | Проще и дешевле в производстве, но потери делителя и фазовращателей снижают мощность и чувствительность |
| Активная ФАР | Приёмопередающий модуль у каждого элемента или подрешётки | Потери тракта до излучателя малы, выход из строя модуля не останавливает систему, мощность складывается в пространстве |
| Цифровая решётка | Отдельный АЦП или ЦАП на канал, луч считается в процессоре | Несколько одновременных лучей, но большой поток данных и энергопотребление |
| Адаптивная решётка | Весовые коэффициенты вычисляются по принятому сигналу | Ставит провалы диаграммы на источники помех; пример в навигации — CRPA |
В нашем каталоге явно активная архитектура указана у антенной системы KADAMM АФР-17700/31000-СС-КП — это терминал связи Ka-диапазона, а не радиолокационная антенна: приём 17,7–21,2 ГГц, передача 27,5–31 ГГц, размер класса 0,45 м. Плоская решётка тоже не обязательно ФАР: KADAMM АРП-26500/40000-35-ДКП — плоская антенна спутниковой связи Ka-диапазона 26,5–40 ГГц с фиксированным лучом, её наводят на геостационарный спутник положением полотна. Про архитектуру других решёток (активная или пассивная) уточняйте у менеджера вместе с составом поставки. Как работает адаптивная решётка в приёмнике ГНСС, разобрано в статье про CRPA-антенну.
Виды антенн для РЛС: чем ФАР отличается от зеркала
ФАР не вытесняет зеркальные антенны, а занимает свою область. На низких частотах и при большой апертуре зеркало с опорно-поворотным устройством остаётся намного проще. Там, где нужно быстро переключать направление, поддерживать несколько лучей или уместить антенну в плоский корпус без механики, преимущество за решёткой.
| Вид антенны | Как формируется и управляется луч | Где уместна | Модель KADAMM |
|---|---|---|---|
| Параболическая (зеркальная) | Узкий луч зеркала, наведение поворотным устройством | Слежение, метеорология, контрольные трассы | ASR-18-S |
| С косекансной диаграммой | Узкий луч по азимуту, веер в угле места, вращение | Обзор воздушного пространства, аэродромные радиолокаторы | АПР-ФД |
| Фазированная решётка | Электронное отклонение без механики | Быстрый обзор, малые объекты, компактные РЛС | АФР-24000/24250-РЛ-В |
| Пеленгационная | Только приём, сравнение амплитуд или фаз | Радиоконтроль, поиск источника излучения | АПЛ |
Параболическая антенна РЛС
Для зеркала усиление и луч легко оценить заранее: G = η·(πD/λ)², ширина луча около 70·λ/D градусов. У KADAMM ASR-18-S зеркало 1,8 м, полоса 2998 ± 10 МГц: при λ = 0,1 м получается примерно 3,9° и 32 дБи, карточка даёт 32,0 дБи и 3,6° по уровню −3 дБ. Это офсетная схема с облучателем вне раскрыва, КСВН 1,15, потери облучателя 0,25 дБ, первый боковой лепесток −14 дБ, кроссполяризационная развязка 30 дБ на оси, волноводный фланец CPR-284F. Наведение — азимут 0–360°, угол места 0–90°. Такая антенна подходит для S-диапазона, где дождь почти не ослабляет сигнал. Подробнее о зеркалах — в статье о выборе параболической антенны.
Косекансная диаграмма: почему у обзорного радара луч — веер
Радар кругового обзора вращает антенну по азимуту и должен одновременно видеть объекты на разных высотах. Если в угле места сделать диаграмму косеканс-квадрат, эхо от объекта на постоянной высоте остаётся примерно одинаковым на любой дальности: приёмнику не приходится работать в огромном динамическом диапазоне, а воздушное пространство просматривается без провалов. Такую форму получают зеркалом двойной кривизны, цилиндрическим отражателем с облучателем или плоской решёткой с амплитудно-фазовым синтезом.
В серии KADAMM АПР-ФД пять исполнений. АПР-ФД-2700/2900-27 — фиксированная полоса 2,7–2,9 ГГц, не менее 27 дБ, не менее 500 Вт, КСВН 1,5, боковые лепестки по азимуту лучше −25 дБ, угол места 0–80°, азимут не менее 2°. У АПР-ФД-19 и АПР-ФД-27 частота задаётся при заказе, полоса ±1 ГГц относительно центральной, боковые лепестки лучше −13 дБ. АПР-ФД-9-Ц — не менее 9 дБ на угле 5,7°, полоса ±0,2 ГГц. АПР-ФД-34-Р — не менее 34 дБ в максимуме и 17 дБ на 45°, косеканс-квадрат 0–45°, вертикальная поляризация, КСВН 1,8.
Гражданские задачи и какая антенна для них нужна
Метеорологический радиолокатор
Метеорадару нужен узкий симметричный луч: он просматривает атмосферу по углу места и азимуту и отделяет слои осадков. Частоту выбирают компромиссом: в S-диапазоне дождь почти не ослабляет сигнал, но нужны крупные зеркала; в C- и X-диапазонах антенна меньше, а ослабление в сильном дожде заметнее. Доплеровский метеорологический радиолокатор дополнительно измеряет радиальную скорость частиц и требует малых боковых лепестков, чтобы отражения от застройки не попадали в данные. Вид зеркала и фланец для конкретной полосы — вопрос инженеру; в S-диапазоне база для расчёта — зеркало 1,8 м ASR-18-S.
Управление воздушным движением
Первичный обзорный радиолокатор аэродрома вращает антенну с косекансной диаграммой и обновляет картинку за каждый оборот. Полоса 2,7–3,1 ГГц выделена радионавигации и широко используется такими станциями. Именно здесь уместна АПР-ФД: узкий луч по азимуту разделяет близкие воздушные суда, веер в угле места держит сигнал стабильным от подхода до дальней границы зоны. Нужно учесть, что вращающейся антенне требуются опорно-поворотное устройство и вращающееся сочленение тракта, а также защита от ветра.
Обнаружение несанкционированных БПЛА
Малый беспилотник рассеивает мало энергии и летит низко, на фоне зданий и деревьев. Поэтому такие радары работают на коротких волнах и с доплеровской обработкой: при λ = 12,5 мм объект, движущийся со скоростью 15 м/с, даёт сдвиг 2v/λ = 2,4 кГц, на 3 ГГц — только 300 Гц. Радару нужны быстрый повторный обзор и определение угла, поэтому электронное сканирование ему подходит лучше механики.
Как выбрать радар для обнаружения дронов? Начинать надо с высоты и зоны контроля, застройки, требуемой дальности и того, что считается тревогой, а затем подбирать антенну, поскольку приёмник и обработка определяют итог не меньше неё. В гражданских комплексах радар обычно дополняют оптикой и радиоконтролем: радар даёт координаты, камера подтверждает тип объекта, пеленгатор находит источник радиосигнала. Для последней роли подходит KADAMM АПЛ-2000/40000-15-SMA(р): 2–40 ГГц, не менее 15 дБи, луч не уже 30°. Антенны для самих беспилотников — другая тема, см. статью об антеннах для БПЛА и FPV.
Правовая сторона. РЛС — излучающее радиоэлектронное средство: на объекте нужно заранее проверить условия использования полосы частот и регистрацию оборудования, а также соблюдать санитарные зоны. Антенна сама по себе этот вопрос не решает.
Контроль периметра, автомобильные и промышленные радары
Периметр предприятия, склад или площадка — задача для малогабаритных радаров с непрерывным сигналом, часто ставят несколько панелей, каждая на свой сектор. Автомобильные радары работают преимущественно в полосах 24 и 76–81 ГГц, промышленные (измерение уровня, расстояния, движения) — в тех же и соседних полосах миллиметрового диапазона. В этих серийных изделиях антенна обычно выполнена на плате вместе с приёмопередатчиком и индивидуально не покупается; решётка как самостоятельный узел нужна разработчикам и интеграторам малых серий.
FMCW-радар и решётка на 24 ГГц
FMCW-радар излучает не импульс, а непрерывный сигнал с линейно меняющейся частотой. Отражённый сигнал сдвинут во времени, поэтому при смешении с излучаемым даёт разностную частоту, пропорциональную дальности. Разрешение по дальности определяется полосой: ΔR = c/(2B). Для полосы 170 МГц это около 0,88 м. Такой радар работает при небольшой мощности и не имеет мёртвой зоны импульсных систем, но ему нужна высокая развязка между передачей и приёмом: сигнал передатчика не должен забивать приёмник.
Под эту схему рассчитана KADAMM АФР-24000/24250-РЛ-В: 24–24,25 ГГц, мгновенная полоса не менее 170 МГц, микрополосковые излучатели, вертикальная поляризация, КСВН менее 1,8. Передача — 2 × 16 каналов, ЭИИМ не менее 52 дБм на 24,1 ГГц по нормали, то есть около 158 Вт в пересчёте на изотропный излучатель. Приём — 4 × 16 каналов, которые образуют 4 суммарно-разностных канала 1 × 16. Развязка передачи и приёма — не хуже 63 дБ, G/T не менее −19 дБ/К для суммарного канала 1 × 8 и не менее −16 дБ/К (расчётное значение) для 1 × 16, входная мощность при компрессии 1 дБ — не менее −25 дБм.
Суммарно-разностные каналы — основа моноимпульсного метода: угол определяется сравнением суммы и разности сигналов половин решётки уже за одно зондирование, без перебора положений луча. Габариты 158 × 140 × 45 мм, масса не более 0,85 кг, питание 12 В постоянного тока, потребление не более 38 Вт. Сектор сканирования, соединители, интерфейс управления и состав поставки (только панель или вместе с ВЧ-трактом и блоком обработки) уточняйте у менеджера.
Как выбрать радиолокационную антенну: порядок подбора
Подбор идёт от задачи радиолокатора к цифрам антенны. Ниже — последовательность, которая позволяет не пропустить существенный параметр.
- Частота и полоса. Сначала разрешённая и рабочая полоса передатчика: она должна целиком лежать внутри полосы антенны. Для FMCW важно ещё, чтобы полоса модуляции определяла требуемое разрешение по дальности.
- Режим обзора. Слежение за одним объектом — узкий луч с поворотным устройством; круговой обзор на вращении — косекансная диаграмма; быстрый обзор сектора без механики — ФАР; поиск источника излучения — пеленгационная антенна.
- Усиление и луч. Учитывайте значение на краю сектора, а не только по нормали. Для зеркала исходите из диаметра и частоты, для решётки — из ЭИИМ на передачу и G/T на приём.
- Поляризация и развязка. Круговая поляризация снижает отражения от дождя и упрощает разделение каналов, линейная проще и используется в большинстве малых радаров. Развязка передачи и приёма критична для непрерывного сигнала.
- Боковые лепестки. Определяют, сколько отражений от земли и зданий попадёт в приёмник. Лучшая цифра в серии АПР-ФД — лучше −25 дБ по азимуту у исполнения 2700/2900-27.
- Тракт и интерфейс. Волноводный фланец или коаксиальный разъём должны совпасть с трактом, КСВН считается вместе с ним: подробнее — в статье про КСВН, ослабление и развязку. У решётки дополнительно нужны питание и протокол управления лучом.
- Механика и среда. У ASR-18-S — защита IPX5, выживание при ветре 193 км/ч, −40…+50 °C. Для всех антенн ветровую нагрузку проверяйте по месту установки.
Что брать под задачу
| Задача | Модель | Ключевые цифры |
|---|---|---|
| Радиолокатор S-диапазона с узким лучом | KADAMM ASR-18-S | 2998 ± 10 МГц, 32,0 дБи, 3,6° |
| Обзор воздушного пространства на вращении | KADAMM АПР-ФД-2700/2900-27 | 2,7–2,9 ГГц, не менее 27 дБ, не менее 500 Вт |
| Малогабаритный FMCW-радар обнаружения БПЛА, контроль периметра | KADAMM АФР-24000/24250-РЛ-В | 24–24,25 ГГц, ЭИИМ не менее 52 дБм, 12 В |
| Радиоконтроль в секторе | KADAMM АПЛ-2000/40000-15-SMA(р) | 2–40 ГГц, не менее 15 дБи, луч не уже 30° |
| Пеленгация при круговом обзоре | KADAMM АПЛ-300/18000-0-SMA(р)-К | 0,3–18 ГГц, кольцевая решётка |
Все эти модели собраны в разделе радиолокационные антенны каталога.
Безопасность. Работы на антенне и в тракте ведут при выключенном передатчике, а зону перед излучающей антенной ограждают. Это относится и к компактным решёткам: высокая ЭИИМ создаётся узким лучом.
Модели
