Невидимая сила управления лучом: как электронные фазовращатели меняют антенную технику

Когда я впервые столкнулся с задачей быстрого переключения направления радиолуча, передо мной встал классический выбор: механически поворачивать тяжёлую антенну или найти способ управлять излучением электронным путём. Механика проста, но медлительна. Электроника сложнее, зато невероятно быстра. Именно этот выбор определил развитие современных радиолокационных и телекоммуникационных систем, а в его центре оказалось устройство, о котором знают далеко не все, - электронный фазовращатель.

Зачем нужен сдвиг фазы

Фазированная антенная решётка (ФАР) представляет собой антенную систему, в которой направление излучения или приёма сигнала управляется без физического поворота антенны, а путём изменения фаз сигналов, подаваемых на каждый излучающий элемент. Честно говоря, когда осознаёшь простоту этого принципа, удивляешься, почему человечество не пришло к нему раньше. ФАР состоит из определённого количества излучающих элементов, каждый из которых имеет свой фазовращатель. Луч формируется путём сдвига фазы сигнала, излучаемого каждым элементом, так, чтобы возникала их интерференция для поворота луча в желаемом направлении.

По сути, мы заставляем волны работать сообща. Сигналы от отдельных излучателей складываются в нужном направлении и гасят друг друга там, где излучение нежелательно. Принцип антенны основан на эффекте интерференции, то есть фазозависимой суперпозиции двух или нескольких источников излучения. Синфазные сигналы усиливают друг друга, а противофазные взаимно компенсируются. Когда два излучателя работают с одинаковым фазовым сдвигом, достигается суперпозиция: сигнал усиливается в главном направлении и ослабляется в побочных.

Архитектура устройства: что внутри фазовращателя

Фазовращатель направляет сверхвысокочастотный сигнал к каждому излучающему элементу по отрезкам линии передачи, имеющим разную длину. Сигналы, прошедшие разные пути, будут иметь разные задержки во времени и, соответственно, разные относительные фазы. Это как если бы несколько бегунов стартовали одновременно, но по дорожкам разной длины: кто-то прибежит раньше, кто-то позже.

На практике используется, например, четырёхбитный переключающий фазовращатель. В нём происходит переключение нескольких отрезков линии передачи сигнала, каждый из которых имеет определённую электрическую длину. Таким способом формируется 16 разных фазовых сдвигов в диапазоне от 0 до 337,5 градусов с шагом 22,5 градуса. Каждый бит добавляет свой квант задержки, а вместе они образуют нужную комбинацию.

Переключатели реализованы на быстродействующих PIN-диодах. Центральный компьютер рассчитывает требуемую фазовую задержку для каждого излучающего элемента и включает соответствующую комбинацию путей фазовращателя. Вся магия происходит за микросекунды, а иногда и быстрее.

Типы электронных фазовращателей

За десятилетия развития техники инженеры создали несколько принципиально разных подходов к электронному управлению фазой. Каждый обладает своими достоинствами и ограничениями, и выбор конкретного типа определяется задачей.

В современной аппаратуре используются фазовращатели с электронным управлением на основе ферритов. Ферритовые устройства могут работать с мощными сигналами, имеют низкие потери и обеспечивают низкую погрешность установки фазы. Однако у них высокая стоимость, большие габариты, они требуют высокой мощности в цепях управления и более инерционны по сравнению со всеми остальными типами.

Полупроводниковые фазовращатели строятся на PIN-диодах и полевых транзисторах. Они отличаются невысокой стоимостью, малыми габаритами и весом. Именно полупроводниковые решения открыли дорогу к массовому применению ФАР в компактных системах. В настоящее время значительное распространение получили фазовращатели на полупроводниковых диодных структурах (p-n, p-i-n, n-i-p-i-n). Это обусловлено их малыми массогабаритными показателями и технологической простотой изготовления.

Фазовращатели на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) имеют более низкие потери по сравнению с полупроводниковыми, у них малые габариты и вес, а также низкая стоимость при условии массового производства. МЭМС-технология, по моему мнению, представляет собой золотую середину между традиционными подходами, хотя и требует специфических условий эксплуатации.

Ферритовые фазовращатели продолжают оставаться рабочей лошадкой военных ФАР. Между тем в последнее десятилетие созрели три типа фазовращателей: на основе монолитных микроволновых интегральных схем GaAs MESFET, микроэлектромеханических систем и тонкоплёночных сегнетоэлектрических устройств.

Основные типы электронных фазовращателей:

• Ферритовые (волноводные, с магнитной памятью): высокая мощность, низкие потери, но большие габариты и инерционность
• Полупроводниковые (на PIN-диодах, варакторах, полевых транзисторах): компактность, быстродействие, технологичность
• На основе МЭМС: минимальные потери, совместимость с CMOS-процессами, потенциально низкая стоимость
• Сегнетоэлектрические: непрерывное управление фазой, перспективы миниатюризации
• На жидких кристаллах: высокочастотные применения, низкие вставные потери

Пассивные и активные решётки: две философии построения

Следует разделять два основных вида систем на фазированных антенных решётках: пассивные и активные. Основное различие таково: в пассивных антенных решётках имеется один мощный приёмопередатчик, чей сигнал делится на все каналы, содержащие только элемент поворота фазы.

Активные антенны обычно представляют собой ФАР, в которых, вместо одного мощного генератора или усилителя мощности, каждый излучающий элемент имеет свой небольшой усилитель непосредственно в антенне. Такая схема имеет преимущество, состоящее в том, что фазовращатели в этом случае работают с сигналами небольшой мощности.

Активная фазированная антенная решётка (АФАР) содержит в каждом антенном элементе аналоговый приёмопередающий модуль, который создаёт фазовый сдвиг, необходимый для электронного управления лучом антенны. Активные решётки представляют собой более продвинутую технологию второго поколения, способную одновременно излучать несколько лучей радиоволн на разных частотах в разных направлениях.

Наверняка возникает вопрос: если активные решётки столь совершенны, почему пассивные до сих пор используются? Ответ прост: стоимость. Фазовращатели представляют значительную долю общей стоимости антенны, по некоторым оценкам, до 40 процентов для приёмных решёток. Умножьте это на тысячи элементов активной решётки, и вы поймёте, почему экономические соображения играют ключевую роль.

Системы возбуждения: как сигнал достигает излучателей

При параллельном возбуждении питающие линии всех излучающих элементов одинаковы, поэтому излучаемая мощность подаётся на них с одинаковой фазой. Частным случаем антенной решётки с параллельным возбуждением является схема типа «ёлочка». Параллельная схема обеспечивает идентичность условий для всех каналов, но требует сложной разводки.

При последовательном возбуждении сигнал проходит от элемента к элементу, накапливая задержку. При изменении частоты излучения фаза сигналов на входе излучающих элементов изменяется пропорционально длине питающей линии так, что фазовый фронт на апертуре поворачивается и, таким образом, луч антенны сканирует. Этот эффект полезен для решёток с частотным сканированием, однако в остальных случаях он нежелателен. Увеличившаяся электрическая длина тракта до каждого излучающего элемента должна рассчитываться как функция от частоты и учитываться при управлении фазовращателями.

Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных вариантах управляет каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всей радиосистемы.

Практические применения: от локаторов до смартфонов

Фазированные антенные решётки используются в различных приложениях, включая радиолокационные системы, спутниковую связь, беспроводные сети 5G, системы наведения и даже медицинскую визуализацию. Честно говоря, меня поражает, насколько широко распространилась эта технология за последние десятилетия.

В сетях 5G фазированные антенные решётки критически важны для обеспечения высокоскоростной связи с малой задержкой. Они позволяют осуществлять точное формирование луча, что улучшает качество сигнала и снижает помехи, обеспечивая более эффективное использование доступного спектра и лучшее покрытие в густонаселённых районах.

Фазированная антенная решётка критически важна для 5G, чтобы достичь более широкой полосы пропускания, покрытия и большей ёмкости в миллиметровом диапазоне. Миллиметровые волны требуют точного наведения луча, потому что сильно затухают в атмосфере и плохо огибают препятствия.

Starlink представляет собой низкоорбитальную спутниковую группировку, доступную более чем в сотне стран. Она обеспечивает широкополосный доступ в интернет для потребителей, причём пользовательские терминалы системы используют фазированные антенные решётки. Плоская антенна на крыше дома отслеживает спутники, пролетающие по небу, без единого движущегося элемента.

Динамические фазированные решётки не требуют физического перемещения для наведения луча. Луч перемещается электронным способом. Это позволяет создать движение антенны, достаточно быстрое, чтобы использовать узкий карандашный луч для одновременного сопровождения нескольких целей при поиске новых целей одной радиолокационной станцией.

Перспективы и вызовы технологии

Современные фазовращатели обычно используют полупроводники и страдают от высоких потерь сигнала (вставных потерь) и относительно слабой способности работать с мощными сигналами. Идеальный фазовращатель должен обеспечивать стабильный и широкий диапазон изменения фазы с минимальной потерей сигнала во всей рабочей полосе частот.

Существенным ограничением помехозащищённости ФАР является невысокая разрядность фазовращателей (5-7 бит), что не позволяет формировать глубокие нули в диаграмме направленности для защиты от помех. Кроме того, помехозащищённость радиотехнических систем с ФАР ограничивается неидентичностью характеристик аналоговых фазовращателей.

Проектирование высокоразрешающих радиочастотных фазовращателей, которые составляют около 50 процентов общей стоимости системы, остаётся сложной задачей при создании компактных формирователей луча для фазированных решёток. Именно здесь лежит главный фронт работ для инженеров и исследователей.

Недостатки, присущие ранним фазированным антенным решёткам, были устранены с помощью передовых полупроводниковых технологий, позволивших значительно уменьшить размер, вес и энергопотребление этих решений. Прогресс в полупроводниковой технике продолжает двигать отрасль вперёд.

Каждый раз, когда я анализирую современные антенные системы, убеждаюсь: электронный фазовращатель стал тем невидимым звеном, которое связало теоретическую возможность управления радиолучом с практической реализацией сложнейших систем связи и локации. Без него мы бы до сих пор вращали громоздкие параболические зеркала, теряя драгоценное время на перенаведение. С ним мир получил антенны, способные мгновенно реагировать на изменение обстановки, одновременно работать с десятками целей и обеспечивать миллиарды людей быстрым мобильным интернетом. Технология, начавшаяся с лабораторных экспериментов, стала неотъемлемой частью повседневной жизни, и её развитие далеко не завершено.