خانه اخبار روندهای صنعت از سهموی تا آرایه فازی: تاریخچه مختصری از توسعه آنتن‌های رادار هوایی

از سهموی تا آرایه فازی: تاریخچه مختصری از توسعه آنتن‌های رادار هوایی

2021-12-28 804

با تغییر نیازهای جنگ و پیشرفت علم و فناوری، «ارزش‌های طلایی» نبرد هوایی روز به روز بیشتر و بیشتر می‌شود. توسعه رادارهای هوایی هواپیماهای جنگنده نمونه بارزی از این امر است. از نظر ظاهری، شهودی‌ترین بخش «تکامل» تجهیزات رادار، تغییر در آنتن است. بیایید به طور خلاصه در مورد توسعه آنتن‌های رادار هوایی صحبت کنیم.

رادارهای هوایی از عملکردهای ساده جستجوی هوایی و مسافت‌یابی در روزهای اولیه تاکنون تکامل یافته‌اند و نه تنها جستجو، ردیابی و هدایت کنترل آتش در یک منطقه بزرگ را در نظر می‌گیرند، بلکه نقشه‌برداری و نقشه‌برداری زمینی، تصویربرداری راداری و سایر عملکردهای چندمنظوره را نیز انجام می‌دهند. به طور کلی، رادارهای هوایی به آنتن‌هایی با ویژگی‌هایی مانند بهره بالا (برای افزایش برد تشخیص)، پرتو باریک (برای افزایش دقت اندازه‌گیری زاویه) و لوب‌های جانبی کم (برای مقاومت در برابر تداخل) نیاز دارند. و دستیابی به بهره بالا و پرتو باریک. ساده‌ترین راه استفاده از آنتن‌های جهت‌دار، مانند آنتن‌های یاگی و آنتن‌های سهموی (تک بازتابنده) است. آنتن یاگی بسیار بزرگ است و دستیابی به لوب‌های جانبی کم در آنتن سهموی آسان‌تر از آنتن یاگی است. بنابراین، رادارهای هوایی اولیه پس از جنگ سرد عموماً شکل آنتن‌های سهموی را اتخاذ کردند.

آنتن سهموی (آنتن تک بازتابنده).این نوع آنتن از یک سهموی بزرگتر به عنوان سطح اصلی و یک شیپور در مرکز جلوی سطح اصلی به عنوان منبع تغذیه (تغذیه رو به جلو) استفاده می‌کند (شاخک همچنین می‌تواند از موقعیت مرکزی منحرف شود که به آن تغذیه جبرانی می‌گویند). اصل کار آن کاملاً شبیه به آینه سهموی در اپتیک است. اصل کار این است که وقتی آنتن در حالت تابش کار می‌کند، امواج کروی ساطع شده توسط شیپور به سهموی برخورد می‌کنند و سهموی موج کروی فرودی از شیپور را به یک موج صفحه‌ای تبدیل می‌کند و باعث می‌شود که در فضای آزاد تابش کند. هنگام کار و حالت دریافت، سطح بازتابنده اصلی، امواج صفحه‌ای منتقل شده در فضای آزاد، به نام امواج کروی، را همگرا می‌کند و آنها را به بلندگوی تغذیه "باز می‌گرداند". پردازش این شکل از آنتن در باند x و پایین‌تر دشوار نیست، ساختار ساده‌ای دارد و کم‌هزینه است. با این حال، معایب آن نیز آشکار است. از آنجا که معمولاً آنتن‌های سهموی به راحتی به عملکرد بالا دست می‌یابند، زمانی که نسبت قطر کانونی (نسبت فاصله از شاخک تا سطح بازتابنده به اندازه سطح بازتابنده اصلی) بالا باشد، پروفیل کلی آنتن بلندتر و حجم آن بزرگتر است. به خصوص هنگامی که آنتن به طور کلی چرخانده و اسکن می‌شود، فضای زیادی را در سر دستگاه اشغال می‌کند، بنابراین زاویه اسکن آن نیز نسبتاً محدود است. به منظور حل این مشکلات، یک سطح بازتابنده دوگانه به نام "Cassegrain" به وجود آمد.

ترکیب اولیه و نمودار کاری آنتن سهموی

آنتن رادار SL1 (تقلیدی از نوع РП-1/5 شوروی) مجهز به نسخه تمام آب و هوایی J-5A

آنتن کاسگرین.این آنتن، آنتنی است که از شکل یک آنتن بازتابنده تکی بهبود یافته است. در مقایسه با یک آنتن بازتابنده تکی، بازتابنده فرعی اضافه شده می‌تواند در ابتدا امواج الکترومغناطیسی ساطع شده توسط بلندگو را بهینه کرده و توزیع ایده‌آل‌تری به آن بدهد و آن را به بازتابنده اصلی بازگرداند. سپس بازتابنده اصلی، موج کروی شکل را به یک موج صفحه‌ای تبدیل کرده و آن را به فضای آزاد تابش می‌دهد. مزیت این امر این است که می‌تواند کارایی دهانه آنتن را بهبود بخشد، بهره را افزایش دهد، نسبت قطر کانونی را تا حد زیادی کاهش دهد، پروفیل کلی آنتن را کاهش دهد و اندازه را کاهش دهد. پس از اینکه گیرنده و تغذیه‌کننده نیز روی سطح اصلی قرار گرفتند، برای طرح سیم‌کشی سیستم مناسب‌تر است و نویز سیستم را کاهش می‌دهد. با این حال، معرفی بازتابنده فرعی همچنین مشکل افزایش محافظ سطح اصلی را به همراه خواهد داشت که به نوبه خود بهره کلی آنتن را کاهش داده و سطح لوب جانبی را افزایش می‌دهد.

ترکیب اساسی و اصل کار آنتن کاسگرین

رادار "عقاب" هواپیمای رهگیر Su-15 (РП-11)

برای حل مشکل انسداد زیربازتابنده، آنتنی به نام آنتن کاسگرین معکوس پیشنهاد شد و به طور گسترده در رادارهای هوایی مورد استفاده قرار گرفت. کاسگرین معکوس، که به عنوان آنتن کاسگرین تغییر شکل یافته نیز شناخته می‌شود. بر اساس آنتن کاسگرین، موقعیت زیربازتابنده را به یک سهموی شبکه‌ای قطبی شده و موقعیت سطح اصلی را به یک صفحه پیچ خورده قطبی شده تغییر می‌دهد. (در واقع، در آنتن کارتی معکوس، موقعیت سطوح اصلی و فرعی به وضوح با آنتن‌های کاسگرین معمولی متفاوت است.) اصل کار کاملاً متفاوت از آنتن‌های کاسگرین است: تغذیه شیپوری واقع در نسخه پیچ خورده قطبش، امواج الکترومغناطیسی با قطبش خطی افقی را که به سمت جلو هستند، ساطع می‌کند. شبکه قطبش تقریباً به طور کامل به عقب بازتاب می‌کند و موج کروی را به یک موج صفحه‌ای تبدیل می‌کند که به صفحه پیچش قطبش در پشت برخورد می‌کند و موج قطبش افقی را به یک موج الکترومغناطیسی با قطبش خطی عمودی "می‌پیچند" می‌کند که از شبکه قطبش جلویی منتقل شده و به فضای آزاد تابش می‌شود. به طور خلاصه، اگرچه پرتو ساطع شده توسط تغذیه معکوس کارت دو بار منعکس شده است، اما با آنتن معمولی کاسگرین متفاوت است زیرا یک فرآیند پیچش قطبش در وسط وجود دارد. شبکه قطبش واقع در جلوی آنتن فقط امواج الکترومغناطیسی با قطبش افقی را مسدود می‌کند و تقریباً هیچ تاثیری بر امواج قطبی شده خطی عمودی ندارد. ضمناً، برای مقابله با تداخل زمینی، آنتن‌های رادار هوایی عمدتاً آنتن‌های قطبی شده خطی عمودی هستند. این آنتن با چرخاندن مناسب صفحه پیچش قطبش، اسکن پرتو را انجام می‌دهد. بنابراین، آنتن کارت فلیپ مشکل انسداد زیر بازتابنده را حل می‌کند و همچنین می‌تواند شبکه تغذیه و قطبش را کمی جابجا کند و باعث کاهش بیشتر مشخصات کلی آنتن شود. به دلیل مزایای منحصر به فرد آن، آنتن‌های فلیپ آپ در تلفن‌های نسل دوم بسیار محبوب هستند.

اصل کار آنتن فلیپ‌کارت این است که میله افقی جلویی یک شبکه قطبش است. صفحه پیچشی قطبی شده با زاویه ۴۵ درجه در پشت قرار گرفته است.

آنتن کارتی معکوس مورد استفاده توسط رادار Sapphire-21 مجهز به MiG-21BIS. توجه داشته باشید که شبکه قطبش نصب نشده است.

آنتن کاسگرین معکوس مورد استفاده در سیستم رادار AI-24 جنگنده تورنادو

آنتن کارتی معکوس مورد استفاده در رادار Mig25 Tornado A هیچ شبکه قطبش نصب شده‌ای ندارد.

آنتن کارتی معکوس مورد استفاده توسط رادار n001 جنگنده Su27 نیز قابل توجه است که سطح شبکه قطبش آن نصب نشده است.

آنتن کارتی معکوس مورد استفاده توسط رادار n001 جنگنده Su27. توجه داشته باشید که این آنتن در حالت کامل و با شبکه قطبش نصب شده است.

اصول کار اساسی آنتن‌های فوق همگی مبتنی بر شکل سطوح بازتابنده هستند که در جزئیاتی مانند اینکه آیا سطوح بازتابنده تکی هستند یا سطوح بازتابنده دوگانه، آیا پیچش قطبش وجود دارد یا خیر، متفاوت هستند. با کنترل فاصله بلندگو از سطح اصلی، تنظیم شیب روشنایی و غیره، دستیابی به بهره بالا و لوب‌های جانبی کم آسان است. عملکرد رضایت‌بخش نیز می‌تواند در مراحل اولیه حاصل شود. با این وجود، اگرچه الزامات پردازش برای آنتن‌هایی که به شکل سطوح بازتابنده کار می‌کنند زیاد نیست (باند X نسبتاً خوب است، اما دشواری در باندهای فرکانسی بالاتر به شدت افزایش می‌یابد)، هزینه نیز قابل قبول است. با این حال، با بهبود عملکرد رادارهای هوایی، الزامات جدیدی نیز برای بخش آنتن مطرح شده است، مانند زاویه اسکن بزرگتر، لوب‌های جانبی کمتر و تحقق پرتوهای شکل‌دار. نقص‌های ذاتی آنتن‌های کارتی شامل این موارد است که همیشه نشت انرژی وجود خواهد داشت (که باعث کاهش راندمان دیافراگم و از دست رفتن بهره می‌شود)، اعوجاج شدید پرتو در حین اسکن (کاهش بهره لوب اصلی، پهن شدن پرتو اصلی و بالا رفتن لوب‌های جانبی) و همیشه مشکل وزن زیاد آنتن وجود دارد. بنابراین، همه فکر می‌کنند که هواپیماهای نسل سوم که می‌خواهند برتری هوایی را به دست بگیرند: میگ ۲۹ و سوخو ۲۷، هر دو در روزهای اولیه از آنتن‌های کاسگرین معکوس استفاده می‌کردند که تا حدودی بی‌کیفیت به نظر می‌رسد.

می‌دانیم که برای برآورده کردن الزامات رادارهای هوایی با بهره بالا، پرتو باریک و لوب‌های جانبی کم، آنتن‌های سهموی به دلیل ساختار ساده‌شان، قبلاً مورد استفاده قرار می‌گرفتند. همچنین آنتنی وجود دارد که از نظر شکل کمی پیچیده‌تر است اما عملکرد بهتری دارد و آن آنتن آرایه مسطح است. آنتن آرایه مسطح یک آنتن آرایه‌ای معمولی است. از ده‌ها تا صدها یا حتی هزاران آنتن واحد کوچک، آنها طبق قوانین و فاصله‌های خاص به طور مساوی روی سطح آرایه چیده شده‌اند. یک آنتن واحد ممکن است پرتو بسیار پهن و بهره کمی داشته باشد، اما با تکیه بر آنتن‌های واحد متعدد روی آرایه آنتن برای همکاری، می‌توان به بهره بسیار بالا، پرتو باریک و حتی لوب‌های جانبی فوق‌العاده کم دست یافت (حتی می‌توان بعداً آن را به یک آرایه فازی مسطح ارتقا داد). بنابراین، به دلیل عملکرد عالی آن، آنتن‌های آرایه مسطح به سرعت جایگزین آنتن‌های سطحی بازتابنده شدند و به جریان اصلی در سیستم‌های مختلف رادار هوایی نسل سوم، نسل سوم اصلاح‌شده و نسل چهارم تبدیل شدند. رادارهای هوایی پیشرفته امروزی، رادارهای آرایه فازی، تقریباً همگی از آنتن‌های آرایه مسطح استفاده می‌کنند.

آنتن‌های آرایه مسطح رایج شامل آرایه شکاف موجبر (صفحه تخت)، آرایه موجبر باز، آرایه دوقطبی، آرایه آنتن ویوالدی، آرایه آنتن پچ میکرواستریپ و غیره هستند.

آرایه شکاف موجبر یک ساختار انتقال مایکروویو رایج است. شکاف‌ها (شکاف‌ها) روی سطح موجبر باز می‌شوند و به شکاف کوچک اجازه می‌دهند تا به آنتنی برای تابش امواج الکترومغناطیسی تبدیل شود. این مزیت را دارد که با ساختار تغذیه مطابقت دارد و ظرفیت توان بالایی دارد. شکاف‌های موجبر هوایی به نظر می‌رسد که به صورت یک صفحه صاف برش داده شده‌اند، بنابراین گاهی اوقات آرایه‌های شکاف تخت نامیده می‌شوند.

رادار APY1 که توسط E3 استفاده می‌شود، از یک آرایه آنتن شکافی موجبر استفاده می‌کند.

آرایه شکاف‌دار صفحه تخت مورد استفاده در رادار APG63 جنگنده F15 دارای یک آنتن (آرایه) عنصر IFF است که از حاشیه بیرون زده است.

آرایه شیاردار صفحه تخت مورد استفاده در رادار APG66 جنگنده‌های F16A/B

مشابه این، آنتن آرایه موجبر باز است. موجبر باز نیز از ساختار موجبر استفاده می‌کند، اما به جای شکاف‌ها و شیارها، مستقیماً از سطح دهانه موجبر برای تابش امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌کند. از آنجا که این نوع موجبر باز سطح مقطع کمی بزرگتری دارد و وزن بیشتری دارد، بیشتر در رادارهای زمینی یا کشتی‌پایه رایج است و به ندرت در رادارهای هوایی استفاده می‌شود.

ساختار فوق که از موجبرها برای تغذیه و تابش استفاده می‌کند، برای تطبیق آنتن مناسب است و ظرفیت توان بالای آن مزیت قابل توجه آن است. با این حال، پهنای باند آنتن اغلب محدود است و کنترل وزن آن دشوار است. متعاقباً، بسیاری از طرح‌های جدید به تدریج در سیستم‌های رادار هوایی مورد استفاده قرار گرفتند.

در واقع، در اواخر جنگ سرد، مهندسان برای دستیابی به سرعت اسکن سریع‌تر و عملکرد قدرتمندتر رادارهای هوایی (مانند جستجوی همزمان، ردیابی، کنترل آتش، هدایت، تشخیص زمین و غیره)، از آنتن‌های آرایه فازی برای رادارهای هوایی استفاده می‌کردند و هنوز هم به عنوان یک فناوری پیشرفته در نظر گرفته می‌شود. ظاهر یک آنتن آرایه فازی تفاوت چندانی با یک آنتن آرایه مسطح معمولی ندارد. حتی می‌توان آن را به سادگی به عنوان اصلاح ساختار تغذیه بر اساس یک آنتن آرایه مسطح اسکن شده با دستگاه معمولی درک کرد (فرستنده/گیرنده پشتی و الگوریتم پردازش سیگنال البته تغییر زیادی خواهند کرد). با اضافه کردن یک شیفت‌دهنده فاز به انتهای واحد آنتن، می‌توانید یک آنتن آرایه فازی غیرفعال (PESA) تهیه کنید. اگر شیفت‌دهنده فاز و اضافه کردن یک مؤلفه TR را دوست ندارید، می‌توانید یک آنتن آرایه فازی فعال (AESA) تهیه کنید. برای مهندسان آنتن، می‌توان از همان آرایه آنتن برای AESA یا PESA استفاده کرد. بنابراین، آنتن‌های آرایه مسطح پتانسیل زیادی برای ارتقا به آنتن‌های آرایه فازی دارند.

رادارهایی که به آنتن‌های AESA ارتقا یافته‌اند، قدرت انتقال بیشتر، برد تشخیص طولانی‌تر، اسکن پرتو حساس‌تر و توابع شکل‌دهی پرتو قدرتمندتری دارند. همچنین دستیابی به میانگین لوب جانبی -50 یا -60 دسی‌بل آسان‌تر است.

به عنوان مثال، F22 را در نظر بگیرید. رادار AESA این نسل جدید از جنگنده‌های رادارگریز، از آرایه‌های دوقطبی استفاده می‌کند (تصویر، آرایه دوقطبی چتری شکل مورد استفاده در رادار apg77 F22 را نشان می‌دهد). این واحد از یک آنتن دوقطبی استفاده می‌کند که دارای ویژگی‌های پهنای باند است. الگوی واحد پهن است و دستیابی به اسکن با زاویه دید بزرگ با آن آسان است.

آنتن رادار APG77 اف-۲۲

قطعه‌ای که در جلو بیرون زده است، به راحتی می‌تواند با قطعه TR اشتباه گرفته شود. به طور دقیق، این قطعه در واقع سطح آنتن است. قطعه TR به پشت آنتن متصل است (اگرچه اکنون قطعه TR به طور کلی با آنتن یکی شده است، اما هنوز هم در اینجا جداگانه مورد بحث قرار می‌گیرد).

رادار RBE2 AESA که در رافال جدید استفاده می‌شود (همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است) از یک آرایه آنتن Vivaldi استفاده می‌کند. این نوع واحد آنتن با پهنای باند بسیار وسیعی مشخص می‌شود، بنابراین پهنای باند کل آرایه آنتن قابل گسترش است.

RBE2 AESA

البته برخی موارد خاص‌تر هستند. به عنوان مثال، رادار APY9 که توسط هواپیمای هشدار اولیه E2D در زیر استفاده می‌شود، از یک آنتن یاگی به عنوان واحد استفاده می‌کند. از آنجا که طول موج موج الکترومغناطیسی در باند uhf که استفاده می‌کند بلند است، اندازه آنتن آن بسیار محدود است. برای دستیابی به پرتو باریک ایده‌آل‌تر و بهره بالا، پرتو واحد آنتن آن باید باریک شود، بنابراین آنتن یاگی به یک انتخاب ایده‌آل تبدیل شده است. به عنوان یک واحد، آنتن یاگی با بهره بالا می‌تواند بهره آرایه را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. اما همه چیز همیشه نسبی است. پرتو واحد باریک آنتن یاگی، قابلیت اسکن زاویه باز آرایه را تا حد زیادی محدود می‌کند. هنگامی که زاویه اسکن آنتن از حالت عادی بسیار منحرف می‌شود، بهره کاهش می‌یابد و اعوجاج شکل موج بسیار آشکار خواهد بود. بنابراین، APY9 از ترکیبی از اسکن الکترومکانیکی برای جبران کاستی‌ها استفاده می‌کند.

آرایه خطی آنتن یاگی ۲*۹ واحدی که توسط رادار E2D APY9 استفاده می‌شود

توسعه فناوری آرایه فازی، آنتن‌های هوایی را به مرحله جدیدی رسانده است.

توسعه آنتن‌ها، نمونه کوچکی از توسعه کلی فناوری رادار است. اگرچه نمی‌توانیم بر اساس ظاهر آنتن، در مورد عملکرد رادار نتیجه‌گیری کنیم یا عملکرد کلی رادار را اندازه‌گیری کنیم، اما مهندسی اغلب بر هماهنگی و تعادل بین سیستم‌ها تمرکز دارد. اگر عملکرد کلی یک سیستم رادار پیشرفته باشد، آنتن نمی‌تواند ضعیف باشد. در آینده، مهندسان به غلبه بر مشکلاتی مانند اسکن زاویه بزرگ آنتن‌های آرایه فازی (گسترش محدوده اسکن فعلی +60 درجه)، پهنای باند فوق وسیع، دیافراگم مشترک، تطبیقی و غیره ادامه خواهند داد تا توسعه سیستم‌های رادار هوایی را ارتقا دهند.

این مقاله از «اینترنت» گرفته شده است. در صورت وجود هرگونه تخلف یا موارد دیگر، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.برای حمایت از حقوق مالکیت معنوی، لطفاً هنگام چاپ مجدد، منبع اصلی و نویسنده را ذکر کنید.

قبلی

نحوه کالیبراسیون صحیح آنالیزورهای شبکه و اندازه‌گیری‌های پارامتر S

بعدی

فهرست جامعی از مدل‌های کمبود قطعات جهانی در ماه مارس!