Любая антенна имеющая диаграмму направленности (ДН) отличную от круговой требует соответствующую ориентацию либо на излучающую либо принимающую антенну. Домашняя телевизионная на телецентр. Спутниковая стало быть на спутник. Направили куда надо, закрепили и спи спокойно! Но не все и не всегда антенны так существуют. Так в недалёком прошлом система «Орбита» должна была всё время отслеживать спутники мотающиеся по высокоорбитальной траектории. Приёмные станции всё время крутили своими тарелками. А уж шпионские низкоорбитальные тем более без остановки! Как Вы уже догадались разговор пойдёт именно об антеннах находящихся в движении с ДН перемещающиеся в пространстве.
Вот на рис.1 условно спутниковая тарелка. Традиционно облучатель в фокусе тарелки. Вот только для перемещения ДН (СКАНИРОВАНИЯ) нужно было перемещать всю тарелку вокруг оси С. Хорошо если такую размером с Вашего стола, а если метров 20-40 в диаметре? Да, придумали потом вращать не всю тарелку, а облучатель, как показано на рис.1а. Вот только это решило задачу лишь отчасти и то в небольшом секторе. Да где-то кого-то это устраивало?.. Так лежачий радиотелескоп («земляная чаша») в Пуэрто-Рико направлен в зенит и ни-ни более... Вот там-то и применяют перемещающийся облучатель. Кому интересно, это здесь: http://proza.ru/2019/02/25/714 Но это всего лишь частный случай...
Всё перемещение (сканирование) осуществляется: механическим способом, электромеханическим и чисто электрическим. В начале нашей эры существовали только два первых способа. В большинстве случаев происходило вращение антенн в одной плоскости. Вы наверняка видели радиолокационные антенны в аэропортах или на кораблях. Крутятся себе и крутятся... Вращение с помощью электромоторов. Примерно так было и с самолётами. Правда несколько сложнее. Водилам «еропланов» более всего нужно было иметь обзор в определённом секторе и главное перед собой. Антенны само-собой должны вращаться возвратно-поворотным способом или тупо вкруговую. Вполне возможно не только по горизонтали, но по вертикали. Пока скорости были так себе, всех это устраивало... Но вот пришла реактивная авиация и военная в том числе, остро встал вопрос о ускорении сканирования, что электромеханика дать не могла. Ещё хуже стало военным для обнаружения цели, да не одной а множественных. Так, что электрический способ был обречён, быть применим! И началось...
Как Вы догадались, осталось дело за малым найти то, что и чем управлять? Поискали, поискали, и? И остановились на решётках. Хотя они, решётки не совсем похожи на решётки. Это всего лишь цепь элементарных излучателей. Если расстояние между ними равно нулю, то это обычная проволока, линейный излучатель. Если между излучателями расстояние величина постояная, то такие называются эквидистантными. В противном случае, когда расстояние изменяется по определённому закону или случайным образом, то такие решётки — неэквидистантные. Решётки могут быть: линейными, поверхностными и объёмными. На рис.2 показаны (сверху-вниз), линейные: прямолинейные, дуговые и кольцевые. Из поверхностных, только плоскостная. Но объёмные используются довольно редко. Нас же будут интересовать в основном поверхностные решётки. Вот такая изображена на рис.2, внизу. Точки, это и есть как бы точечные излучатели. Линии же, это лишь виртуальные, как бы связи...
Какая задача стоит перед нами? ДН плоскостной решётки будет направлена вдоль перпендикуляра к плоскости. Это произойдёт только в том случае если излучатели будут возбуждаться синфазно (одновременно). Нам же нужно отклонить ДН в направление отличным от первоначального, под некоторыми углами к плоскости. Как это сделать? Вот на рис.3 схематически изображена линейная решётка. передатчик (ТХ) возбуждает одновременно все излучатели. Если возбуждение синфазно, то решётка излучает волну в направление штриховой линии. В нашем случае фазовращатели (Ф) никак не влияют на питающие токи. Но вот фазовращатели с помощью системы управления (С) начинают задерживать токи причём по линейному закону. Самый нижний (1) не оказывает влияния (задержка 0!). Зато у верхнего (8) самая большая задержка. Отчего в момент времени когда на верхний излучатель придёт начало волны тока, электромагнитная волна нижнего излучателя успеет пройти некоторый путь. Соединив точки в пространстве получим линию под некоторым углом к линии излучателей. Излучение остальных излучателей будет происходить со сдвигами фаз по линейному закону. В итоге фронт волны от излучателей будет выглядеть как на рис.3 красным цветом. Аналогично и все последующие фронты. Зелёным подсвечивается линия фронта. Это и означает, что ДН отклонилась на некоторый угол (а). Управляя электрическим путём фазовращателями мы будем отклонять ДН в нужном нам направлении. Также будем управлять ДН и в случае с поверхностной решёткой на рис.2. И не только по оси Х но и Y и вообще в любом направлении. В итоге мы сможем проводить сканирование в некотором телесном угле. Всё так получилось хорошо... Да вот ничего хорошего... Много нюансов возникло по разным моментам, и в частности с питанием решёток.
Решётки были названы ФАЗИРУЮЩИМИ АНТЕННЫМИ РЕШЁТКАМИ или сокращённо, — ФАР! Они традиционно питались посредством кабелей либо волноводов. Все схемы были построены по разному: параллельная схема, либо последовательная... Но это все в общем виде назывались ПАССИВНЫМИ ФАР, на рис.3 именно такая. Один передатчик и куча «проводов»! Вот только фазовращатели в таком варианте работали в жёстком режиме! Ведь вся мощность сигнала проходила через них! Так потихоньку пришла идея создать АКТИВНЫЕ ФАР.
Активные ФАР, они же АФАР строились по совершенно другому принципу. Вот на рис.4 Вы и видите вариант. Задающий генератор (Г) небольшой мощности и те же провода по передаче фазовращателям и излучателям. Вот только в отличие от пассивных ФАР на каждый излучатель свой усилитель мощности (зелёный прямоугольник с красным треугольником внутри). Кроме АФАР были придуманы и ПОЛУАКТИВНЫЕ ФАР. Я сделал к аббревиатуре приставку в виде буквы П. После чего и получилась ПАФАР, в смысле комбинированная ФАР. На рис.4 она внизу. Это смесь двух вариантов. Вместо излучателей в ФАР используются так называемые ПОДРЕШЁТКИ естественно пассивные. Как обычно каждый излучатель подрешётки связан со своим фазовращателем, а вся система подрешёток ещё один общий фазовращатель... Конечно на рис.4 всё показано сжато... Но нам главное принцип!
Помните: «Лучшее, — враг хорошего!» Вот и в нашем случае появились те же заморочки, — избавиться от кучи «проводов». В результате родов и появились ФАР несколько другого принципа построения. Такой общий принцип называется ОПТИЧЕСКИМ. Это ПРОХОДНАЯ (рефракционная) схема и ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ (рефлекторная). Первая работает по принципу ЛИНЗЫ, а вторая ЗЕРКАЛА. Вот схематически Вы это и видите это на рис.5. Слева проходная, а справа отражательная. Некоторые хонурики в интернете называют принципы, «Через эфир», в смысле через пространство.
В обеих схемах используют как источник сигнала рупор со слабонаправленной ДН. Сферический фронт (красного цвета) одновременно (без всяких «проводов») попадает на приёмные облучатели связанные с излучателями через фазовращатели. В итоге система работает как линза. Излучатели формируют прямой фронт с остронаправленной ДН, поворачивающийся с помощью фазовращателей. По сути та же пассивная ФАР. Аналогичная история с отражательной схемой. Сигнал получается с такого же рупора. Затем пройдя через фазовращатель отражается от экрана и возвращается в излучатель. Вся система аналогично превращает сферический фронт рупора в прямой (плоский). Вот пожалуй и всё?!
Под занавес произвольная программа! На рис.7 «старинный» «Бук — М1», Зенитно-ракетный комплекс, ЗРК. Да, вот таким самым украинские подонки отправили на тот свет пассажиров и экипаж Боинга в небе над Донбассом! В первоначальном варианте сам Бук не мог, что-то сделать без помощи, но в этом варианте уже автономно может сделать всё! Потому как имел свою РЛС и зеркальную антенну, запрятанную под обтекатель. Но вот были разработанные ФАР и вместо зеркало теперь впереди находится ФАР рис.8. На рисунке экспортный вариант новой железяки Бук — М2Э и уже на колёсном ходу! На рис.9 Вы видите «Имбирь» с погонялом 9С19М2. Это РЛС секторного обзора. Точных данных у меня нет, но я полагаю, что здесь проходная схема. То есть ФАР оптическая облучатель светит сквозь решётку под углом к горизонту. На рис.10 РЛС обзора 64Н6Е. ФАР отражательной схемы. Похоже, что ФАР две по разную сторону антенны. Стало быть и два облучателя. На врезке с увеличением показано как элементы решётки находятся по разные стороны антенной плоскости. Один из элементов я подкрасил для лучшего восприятия.
До сих пор мы говорили только о решётках работающих на облучение, а как же на приём? Всё так же, но только в обратном направлении. Переход осуществляется коммутирующей системой с использованием одной и той же антенны. Но бывает РЛС с использованием помимо антенн на излучение, отдельно и на приём. Конечно это сложнее, но если такая схема существует, значит это кому-нибудь очень и очень нужно?! Вот теперь всё!!!