الصفحة الرئيسية أخبار اتجاهات الصناعة من القطع المكافئ إلى المصفوفة الطورية: تاريخ موجز لتطور هوائيات الرادار المحمولة جواً

من القطع المكافئ إلى المصفوفة الطورية: تاريخ موجز لتطور هوائيات الرادار المحمولة جواً

2021-12-28 804

مع تغير متطلبات الحرب وتقدم العلوم والتكنولوجيا، تزداد أهمية القتال الجوي. ويُعد تطوير رادارات الطائرات المقاتلة المحمولة جواً مثالاً نموذجياً على ذلك. ومن حيث الشكل، فإن أبرز ما يميز تطور معدات الرادار هو تغيير الهوائي. دعونا نتحدث بإيجاز عن تطور هوائيات الرادار المحمولة جواً.

تطورت الرادارات المحمولة جواً من وظائف البحث الجوي وتحديد المدى البسيطة في بداياتها إلى وظائف متعددة تشمل البحث والتتبع وتوجيه النيران في مناطق واسعة، بالإضافة إلى المسح الأرضي ورسم الخرائط، والتصوير الراداري ذي الفتحة التركيبية (SAR)، وغيرها. وبشكل عام، تتطلب الرادارات المحمولة جواً هوائيات ذات خصائص مثل الكسب العالي (لزيادة مدى الكشف)، والحزمة الضيقة (لزيادة دقة قياس الزاوية)، وانخفاض الفصوص الجانبية (لمقاومة التداخل). ولتحقيق الكسب العالي والحزمة الضيقة، يُعد استخدام الهوائيات الاتجاهية، مثل هوائيات ياغي والهوائيات المكافئة (ذات العاكس الأحادي)، أبسط الطرق. إلا أن هوائي ياغي كبير الحجم، بينما يسهل على الهوائي المكافئ تحقيق فصوص جانبية منخفضة. لذلك، اعتمدت الرادارات المحمولة جواً في بداياتها بعد الحرب الباردة على الهوائيات المكافئة.

هوائي مكافئ (هوائي عاكس واحد).يستخدم هذا النوع من الهوائيات سطحًا رئيسيًا على شكل قطع مكافئ كبير، وبوقًا في مركزه أمام السطح الرئيسي كمصدر تغذية (تغذية أمامية) (يمكن أيضًا إزاحة البوق عن المركز، وهو ما يُسمى التغذية الجانبية). مبدأ عمله مشابه لمبدأ عمل المرآة المكافئة في علم البصريات. فعندما يعمل الهوائي في وضع الإشعاع، تصطدم الموجات الكروية المنبعثة من البوق بالقطع المكافئ، فيحوّل القطع المكافئ الموجة الكروية الساقطة من البوق إلى موجة مستوية، مما يؤدي إلى إشعاعها في الفضاء الحر. أما في وضعَي التشغيل والاستقبال، فيقوم السطح العاكس الرئيسي بتجميع الموجات المستوية المنتشرة في الفضاء الحر، والتي تُسمى الموجات الكروية، ويعيدها إلى مكبر الصوت. يتميز هذا النوع من الهوائيات بسهولة تصنيعه في نطاق التردد X وما دونه، وببنيته البسيطة وتكلفته المنخفضة. ومع ذلك، فإن عيوبه واضحة. نظرًا لأن الهوائيات المكافئة عادةً ما تحقق أداءً عاليًا عندما تكون نسبة قطر البؤرة (نسبة المسافة من البوق إلى السطح العاكس إلى حجم السطح العاكس الرئيسي) عالية، فإن المظهر الجانبي الكلي للهوائي يكون أعلى وحجمه أكبر. خاصةً عند تدوير الهوائي ومسحه كوحدة واحدة، فإنه يشغل مساحة كبيرة في رأس الجهاز، مما يحدّ من زاوية المسح نسبيًا. وللتغلب على هذه الصعوبات، ظهر تصميم ذو سطح عاكس مزدوج يُعرف باسم "كاسجرين".

التركيب الأساسي ومخطط عمل الهوائي المكافئ

هوائي رادار SL1 (تقليد للنوع السوفيتي РП-1/5) مزود بنسخة J-5A لجميع الأحوال الجوية

هوائي كاسجرين.هو هوائي مُحسَّن من هوائي العاكس الأحادي. بالمقارنة مع هوائي العاكس الأحادي، يُحسِّن العاكس الفرعي المُضاف الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة من السماعة، ويمنحها توزيعًا أكثر مثالية، ويعكسها عائدةً إلى العاكس الرئيسي. يقوم العاكس الرئيسي بعد ذلك بتحويل الموجة الكروية المُشكَّلة إلى موجة مستوية، ويشعها في الفضاء الحر. تتمثل ميزة هذا التصميم في تحسين كفاءة فتحة الهوائي، وزيادة الكسب، وتقليل نسبة قطر البؤرة بشكل كبير، وتقليل الحجم الكلي للهوائي. وبما أن جهاز الاستقبال ووحدة التغذية موجودان أيضًا على السطح الرئيسي، فإن ذلك يُسهِّل تصميم أسلاك النظام ويُقلِّل من ضوضاء النظام. مع ذلك، فإن إضافة العاكس الفرعي تُؤدي إلى زيادة حجب السطح الرئيسي، مما يُقلِّل بدوره من الكسب الكلي للهوائي، ويزيد من مستوى الفصوص الجانبية.

التركيب الأساسي ومبدأ عمل هوائي كاسجرين

رادار "النسر" الخاص بطائرة الاعتراض Su-15 (РП-11)

لحل مشكلة حجب العاكس الفرعي، تم اقتراح هوائي يُسمى هوائي كاسغرين المقلوب، والذي شاع استخدامه في الرادارات المحمولة جواً. يُعرف هوائي كاسغرين المقلوب أيضاً باسم هوائي كاسغرين المشوه. وهو يعتمد على هوائي كاسغرين، حيث يُغير موضع العاكس الفرعي إلى شكل قطع مكافئ شبكي مستقطب، وموضع السطح الرئيسي إلى صفيحة ملتوية مستقطبة. (في الواقع، في هوائي البطاقة المقلوبة، تختلف مواقع السطحين الرئيسي والثانوي اختلافًا واضحًا عن تلك الموجودة في هوائيات كاسغرين العادية). يختلف مبدأ عمل هذا الهوائي تمامًا عن مبدأ عمل هوائيات كاسغرين: إذ يُصدر مُغذّي البوق الموجود في النسخة ذات الاستقطاب الملتوي موجات كهرومغناطيسية مستقطبة خطيًا أفقيًا. تعكس شبكة الاستقطاب هذه الموجات بالكامل تقريبًا، محولةً الموجة الكروية إلى موجة مستوية، والتي تصطدم بلوحة التواء الاستقطاب في الخلف، فتُحوّل الموجة المستقطبة أفقيًا إلى موجة كهرومغناطيسية مستقطبة خطيًا رأسيًا، والتي تنتقل من شبكة الاستقطاب الأمامية وتُشعّ في الفضاء الحر. باختصار، على الرغم من أن الشعاع المنبعث من مُغذّي البطاقة المقلوبة ينعكس مرتين، إلا أنه يختلف عن هوائي كاسغرين العادي في وجود عملية التواء استقطاب في المنتصف. شبكة الاستقطاب الموجودة أمام الهوائي تحجب فقط الموجات الكهرومغناطيسية المستقطبة أفقيًا، ولا تكاد تؤثر على الموجات المستقطبة خطيًا رأسيًا. بالمناسبة، وللتغلب على التشويش الأرضي، فإن هوائيات الرادار المحمولة جواً هي في الغالب هوائيات رأسية ذات استقطاب خطي. ويتحقق مسح الحزمة من خلال تدوير لوحة الاستقطاب بشكل مناسب. وبالتالي، يحل هوائي البطاقة القلابة مشكلة حجب العاكس الفرعي، ويمكنه أيضاً إزاحة شبكة التغذية والاستقطاب قليلاً، مما يقلل من حجم الهوائي الإجمالي. وبفضل مزاياه الفريدة، تحظى الهوائيات القلابة بشعبية كبيرة في هواتف الجيل الثاني.

يعتمد مبدأ عمل هوائي البطاقة القلابة على أن الشريط الأفقي الأمامي عبارة عن شبكة استقطاب. أما الصفيحة الملتوية المستقطبة فتُوضع بزاوية 45 درجة في الخلف.

هوائي البطاقة المقلوب المستخدم في رادار Sapphire-21 المجهز بطائرة MiG-21BIS. لاحظ أن شبكة الاستقطاب غير مثبتة.

هوائي كاسغرين المقلوب المستخدم في نظام رادار AI-24 الخاص بطائرة تورنادو المقاتلة

لا يحتوي هوائي البطاقة المقلوب المستخدم في رادار طائرة ميغ 25 تورنادو أ على شبكة استقطاب مثبتة.

ومن الجدير بالذكر أيضاً أن هوائي البطاقة المقلوب المستخدم في رادار n001 الخاص بطائرة Su27 لم يتم تركيب سطح شبكة الاستقطاب الخاص به.

هوائي البطاقة المقلوب المستخدم في رادار n001 الخاص بطائرة Su-27. لاحظ أن هذا الهوائي في حالة كاملة، مع تركيب شبكة الاستقطاب.

تعتمد المبادئ الأساسية لعمل الهوائيات المذكورة أعلاه على شكل الأسطح العاكسة، والتي تختلف في تفاصيل مثل ما إذا كانت أسطحًا عاكسة مفردة أو مزدوجة، وما إذا كان هناك انحراف في الاستقطاب أم لا. ومن خلال التحكم في بُعد السماعة عن السطح الرئيسي، وضبط مخروط الإضاءة، وما إلى ذلك، يُمكن بسهولة تحقيق كسب عالٍ وفصوص جانبية منخفضة. كما يُمكن تحقيق أداء مُرضٍ في المراحل المبكرة. ومع ذلك، فعلى الرغم من أن متطلبات تصنيع الهوائيات التي تعمل على شكل أسطح عاكسة ليست عالية (نطاق X جيد نسبيًا، لكن الصعوبة تزداد بشكل حاد في نطاقات التردد الأعلى)، إلا أن التكلفة مقبولة. ومع ذلك، مع تحسن أداء الرادار المحمول جوًا، ظهرت متطلبات جديدة لجزء الهوائي، مثل زاوية مسح أكبر، وفصوص جانبية أقل، وتحقيق حزم مُشكّلة. تشمل العيوب المتأصلة في هوائيات البطاقات القلابة تسرب الطاقة الدائم (مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الفتحة وفقدان الكسب)، وتشوه الحزمة بشكل كبير أثناء المسح (انخفاض كسب الفص الرئيسي، واتساع الحزمة الرئيسية، وارتفاع الفصوص الجانبية)، بالإضافة إلى مشكلة وزن الهوائي الثقيل. لذلك، يعتقد الجميع أن طائرات الجيل الثالث التي سعت إلى السيطرة على الأجواء، مثل ميغ 29 وسو 27، استخدمت في بداياتها هوائيات كاسغرين المقلوبة، والتي تبدو غير عملية.

نعلم أنه لتلبية متطلبات الرادارات المحمولة جواً ذات الكسب العالي والحزمة الضيقة والفصوص الجانبية المنخفضة، استُخدمت الهوائيات المكافئة سابقاً لبساطة تركيبها. يوجد أيضاً نوع من الهوائيات أكثر تعقيداً في الشكل ولكنه يتمتع بأداء أفضل، وهو هوائي المصفوفة المستوية. هوائي المصفوفة المستوية هو نوع نموذجي من هوائيات المصفوفات، حيث يتكون من عشرات إلى مئات، بل آلاف من وحدات الهوائي الصغيرة، مرتبة بانتظام على سطح المصفوفة وفقاً لقواعد ومسافات محددة. قد تتميز وحدة الهوائي الواحدة بحزمة واسعة وكسب منخفض، ولكن بالاعتماد على العديد من وحدات الهوائي في مصفوفة الهوائيات للعمل معاً، يمكن تحقيق كسب عالٍ جداً وحزمة ضيقة، وحتى فصوص جانبية منخفضة للغاية (بل يمكن ترقيته لاحقاً إلى مصفوفة طورية مستوية). لذلك، وبفضل أدائه الممتاز، حلت هوائيات المصفوفة المستوية محل هوائيات السطح العاكس بسرعة، وأصبحت هي السائدة في مختلف أنظمة الرادار المحمولة جواً من الجيل الثالث، والجيل الثالث المعدل، والجيل الرابع. تستخدم جميع الرادارات المحمولة جواً المتقدمة اليوم، ورادارات المصفوفة الطورية، تقريباً هوائيات المصفوفة المستوية.

تشمل هوائيات المصفوفة المستوية الشائعة مصفوفة الفتحة الموجية (اللوحة المسطحة)، ومصفوفة الموجة المفتوحة، ومصفوفة ثنائي القطب، ومصفوفة هوائي فيفالدي، ومصفوفة هوائي الرقعة الميكروستريب، وما إلى ذلك.

مصفوفة فتحات الدليل الموجي هي بنية شائعة لنقل الموجات الميكروية. تُفتح شقوق (فتحات) على سطح الدليل الموجي، مما يسمح لهذه الفتحات الصغيرة بأن تصبح هوائيًا لبث الموجات الكهرومغناطيسية. تتميز هذه المصفوفة بتوافقها مع بنية التغذية وقدرتها العالية على نقل الطاقة. تبدو فتحات الدليل الموجي المحمولة جوًا وكأنها مقطوعة في صفيحة مسطحة، ولذلك تُسمى أحيانًا بمصفوفات الفتحات المسطحة.

يستخدم رادار APY1 المستخدم من قبل E3 مصفوفة هوائيات ذات فتحة موجهة.

يحتوي مصفوفة الفتحات المسطحة المستخدمة في رادار APG63 الخاص بطائرة F15 على هوائي عنصر IFF (مصفوفة) بارز من المحيط.

مصفوفة الفتحات المسطحة المستخدمة في رادار APG66 الخاص بطائرة F16A/B

يشبه هذا النوع هوائي مصفوفة الموجات المفتوحة. يستخدم هذا النوع أيضًا بنية الموجات، ولكن بدلًا من الفتحات والشقوق، يستخدم سطح فتحة الموجة مباشرةً لإشعاع الموجات الكهرومغناطيسية. ولأن هذا النوع من الموجات المفتوحة يتميز بمقطع عرضي أكبر قليلًا ووزن زائد، فإنه أكثر شيوعًا في الرادارات الأرضية أو البحرية، ونادرًا ما يُستخدم في الرادارات المحمولة جوًا.

يُعدّ التصميم المذكور أعلاه، الذي يستخدم الموجهات الموجية للتغذية والإشعاع، مناسبًا لمطابقة الهوائي، وتُشكّل قدرته العالية على توليد الطاقة ميزةً بارزة. مع ذلك، غالبًا ما يكون عرض نطاق الهوائي محدودًا، ويصعب التحكم في وزنه. ونتيجةً لذلك، استُخدمت العديد من التصاميم المبتكرة تدريجيًا في أنظمة الرادار المحمولة جوًا.

في الواقع، خلال أواخر الحرب الباردة، ولتحقيق سرعة مسح أعلى وأداء أقوى للرادار المحمول جواً (مثل البحث المتزامن، والتتبع، والتحكم في النيران، والتوجيه، والكشف الأرضي، وما إلى ذلك)، استخدم المهندسون هوائيات المصفوفة الطورية، ولا تزال تُعتبر تقنية متقدمة. لا يختلف شكل هوائي المصفوفة الطورية كثيراً عن هوائي المصفوفة المستوية العادي. بل يمكن فهمه ببساطة على أنه تعديل لبنية التغذية استناداً إلى هوائي مصفوفة مستوية عادي يتم مسحه آلياً (بالطبع، سيختلف جهاز الإرسال/الاستقبال الخلفي وخوارزمية معالجة الإشارة بشكل كبير). بإضافة مُزحزح طور إلى الطرف الخلفي لوحدة الهوائي، يُمكن الحصول على هوائي مصفوفة طورية سلبي (PESA). في حال عدم الحاجة إلى مُزحزح الطور، يُمكن الحصول على هوائي مصفوفة طورية نشط (AESA) بإضافة مُكوّن الإرسال/الاستقبال. بالنسبة لمهندسي الهوائيات، يُمكن استخدام نفس مصفوفة الهوائي لكل من AESA وPESA. لذلك، تتمتع هوائيات المصفوفة المستوية بإمكانات كبيرة للتطوير إلى هوائيات مصفوفة طورية.

بالنسبة للرادارات المُطوّرة إلى هوائيات AESA، فإنها تتمتع بقدرة إرسال أكبر، ومدى كشف أطول، ومسح شعاعي أكثر حساسية، ووظائف تشكيل شعاعي أكثر فعالية. كما يسهل الحصول على متوسط فص جانبي يبلغ -50 أو -60 ديسيبل.

لنأخذ طائرة إف-22 كمثال. يعتمد رادار AESA في هذا الجيل الجديد من المقاتلات الشبحية على مصفوفات ثنائية القطب (تظهر الصورة مصفوفة ثنائية القطب على شكل مظلة يستخدمها رادار apg77 الخاص بطائرة إف-22). يستخدم هذا الرادار هوائيًا ثنائي القطب، يتميز بنطاق ترددي واسع. كما يتميز بنمط إشعاع واسع، مما يسهل إجراء مسح بزاوية كبيرة.

هوائي رادار APG77 الخاص بطائرة F22

قد يُظنّ بسهولة أن الجزء البارز في المقدمة هو عنصر الإرسال والاستقبال (TR). في الواقع، هو سطح الهوائي. يتم توصيل عنصر الإرسال والاستقبال خلف الهوائي (مع أن عنصر الإرسال والاستقبال يُدمج عادةً مع الهوائي، إلا أنه سيُناقش بشكل منفصل هنا).

يستخدم رادار RBE2 AESA المستخدم في طائرة رافال الجديدة (كما هو موضح في الصورة أدناه) مصفوفة هوائيات فيفالدي. يتميز هذا النوع من وحدات الهوائيات بنطاق ترددي واسع للغاية، مما يسمح بتوسيع نطاق تردد مصفوفة الهوائيات بأكملها.

RBE2 إيسا

بالطبع، هناك بعض الأنواع الأكثر تميزًا. على سبيل المثال، يستخدم رادار APY9، المستخدم في طائرة الإنذار المبكر E2D الموضحة أدناه، هوائي ياغي كوحدة أساسية. نظرًا لطول الموجة الكهرومغناطيسية في نطاق الترددات العالية جدًا (UHF) الذي يستخدمه، فإن حجم هوائيه محدود للغاية. وللحصول على حزمة ضيقة مثالية وكسب عالٍ، يجب تضييق حزمة وحدة الهوائي، مما يجعل هوائي ياغي الخيار الأمثل. كوحدة واحدة، يمكن لهوائي ياغي عالي الكسب أن يحسن كسب المصفوفة بشكل ملحوظ. لكن الأمور تبقى نسبية. فالحزمة الضيقة لوحدة هوائي ياغي تحد بشكل كبير من قدرة المصفوفة على المسح بزاوية واسعة. فعندما تنحرف زاوية مسح الهوائي بشكل كبير عن الوضع الطبيعي، ينخفض الكسب ويصبح تشوه شكل الموجة واضحًا للغاية. لذلك، يستخدم رادار APY9 مزيجًا من المسح الكهروميكانيكي للتعويض عن هذه العيوب.

مصفوفة خطية لهوائي ياغي مكونة من 2*9 وحدة، تستخدمها رادار E2D APY9

إن تطوير تقنية المصفوفات المرحلية هو الذي نقل الهوائيات المحمولة جواً إلى مرحلة جديدة.

يُعدّ تطوير الهوائيات نموذجًا مصغرًا للتطور التكنولوجي الشامل للرادار. ورغم أنه لا يمكننا استخلاص استنتاجات حول أداء الرادار أو قياس أدائه الكلي بناءً على شكل الهوائي، إلا أن الهندسة غالبًا ما تركز على التنسيق والتوازن بين الأنظمة. فإذا كان الأداء الكلي لنظام الرادار متقدمًا، فلا بد أن يكون أداء الهوائي أقل كفاءة. وفي المستقبل، سيواصل المهندسون العمل على التغلب على تحديات مثل المسح بزاوية واسعة لهوائيات المصفوفة الطورية (توسيع نطاق المسح الحالي البالغ +60 درجة)، والنطاق العريض للغاية، والفتحة المشتركة، والتصميم المطابق، وغيرها، وذلك لتعزيز تطوير أنظمة الرادار المحمولة جوًا.

هذا المقال مأخوذ من الإنترنت. في حال وجود أي انتهاك أو مشكلة أخرى، يرجى التواصل معنا لحذفه.ادعموا حماية حقوق الملكية الفكرية، ويرجى ذكر المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة النشر.

كيفية معايرة أجهزة تحليل الشبكة وقياسات معاملات S بشكل صحيح

جرد شامل لنماذج النقص العالمي في المكونات في شهر مارس!