מפרבולואיד למערך פאזי: היסטוריה קצרה של פיתוח אנטנות מכ"ם מוטסות

ככל שצורכי המלחמה משתנים והמדע והטכנולוגיה מתקדמים, "תכולת הזהב" של קרב אווירי עולה ויותר ויותר. פיתוח מכ"ם אווירי של מטוסי קרב הוא דוגמה אופיינית. מבחינת המראה, החלק האינטואיטיבי ביותר ב"אבולוציה" של ציוד מכ"ם הוא השינוי באנטנה. בואו נדבר בקצרה על פיתוח אנטנות מכ"ם אוויריות.

מכ"ם אווירי התפתח מחיפוש אווירי פשוט ופונקציות מרחק בימים הראשונים, וכיום הוא לא רק לוקח בחשבון הנחיות חיפוש, מעקב ובקרת אש באזור גדול, אלא גם מדידות ומיפוי קרקעיים, הדמיית SAR ופונקציות רב-תכליתיות אחרות. באופן כללי, מכ"ם אווירי דורש אנטנות בעלות מאפיינים כמו הגבר גבוה (להגדלת טווח הגילוי), קרן צרה (להגדלת דיוק מדידת הזווית) ואונות צד נמוכות (כדי להתנגד להפרעות). כדי להשיג קרן צרה עם הגבר גבוה. הפשוטה ביותר היא להשתמש באנטנות כיווניות, כגון אנטנות יאגי ואנטנות פרבוליות (מחזיר אור יחיד). אנטנת היאגי גדולה מדי ואנטנה פרבולית קלה יותר להשיג אונות צד נמוכות מאשר אנטנת היאגי. לכן, מכ"מים אוויריים מוקדמים לאחר המלחמה הקרה אימצו בדרך כלל את צורתן של אנטנות פרבוליות.

אנטנה פרבולית (אנטנה מחזירת אור יחידה).אנטנה מסוג זה משתמשת בפרבולואיד גדול יותר כמשטח עיקרי, ובקרן במרכז לפני המשטח העיקרי כמקור הזנה (הזנה קדימה) (ניתן גם לסטות את הקרן ממיקום המרכז, מה שנקרא הזנה אופסטת). עקרון הפעולה שלה דומה למדי לזה של מראה פרבולית באופטיקה. עקרון הפעולה הוא שכאשר האנטנה פועלת במצב קרינה, הגלים הכדוריים המוקרנים על ידי הקרן פוגעים בפרבולואיד, והפרבולואיד הופך את הגל הכדורי הפוגע מהקרן לגל מישורי, וגורם לו להקרין למרחב הפנוי. במצב עבודה וקליטה, המשטח המחזיר הראשי מתכנס את הגלים המישוריים המשודרים במרחב הפנוי, הנקראים גלים כדוריים, ו"מחזיר" אותם לרמקול ההזנה. צורת אנטנה זו אינה קשה לעיבוד בתחום ה-x ומטה, בעלת מבנה פשוט ועלות נמוכה. עם זאת, גם החסרונות ברורים. מכיוון שבדרך כלל אנטנות פרבוליות קלות להשגת ביצועים גבוהים כאשר יחס קוטר המוקד (היחס בין המרחק מהקרן למשטח המחזיר לגודל המשטח המחזיר הראשי) גבוה, הפרופיל הכללי של האנטנה גבוה יותר והנפח גדול יותר. במיוחד כאשר האנטנה מסובבת וסורקת כולה, היא תתפוס מקום רב בראש המכונה, כך שגם זווית הסריקה שלה מוגבלת יחסית. על מנת לפתור קשיים אלה, נוצר משטח מחזיר אור כפול הנקרא צורת "קסגריין".

הרכב בסיסי ותרשים עבודה של אנטנה פרבולית

הרכב בסיסי ותרשים עבודה של אנטנה פרבולית

האנטנה של מכ"ם SL1 (חיקוי של הסוג הסובייטי RP-1/5) המצוידת בגרסת J-5A לכל מזג אוויר

אנטנת קסגריין.זוהי אנטנה משופרת מצורה של אנטנת מחזיר יחיד. בהשוואה לאנטנה מחזיר יחיד, תת-המחזיר הנוסף יכול בתחילה לייעל את הגלים האלקטרומגנטיים הנפלטים מהרמקול ולתת לו פיזור אידיאלי יותר, על ידי החזרתם חזרה למחזיר הראשי. לאחר מכן, המחזיר הראשי הופך את הגל הכדורי המעוצב לגל מישורי ומקרין אותו לחלל הפנוי. היתרון בכך הוא שהוא יכול לשפר את יעילות צמצם האנטנה, להגדיל את ההגבר, להפחית משמעותית את יחס קוטר המוקד, להפחית את הפרופיל הכולל של האנטנה ולהקטין את הגודל. לאחר שהמקלט והמזין נמצאים גם הם על המשטח הראשי, זה נוח יותר לתכנון חיווט המערכת ומפחית את רעש המערכת. עם זאת, הכנסת תת-המחזיר תביא גם לבעיה של מיגון מוגבר של המשטח הראשי, מה שבתורו יפחית את ההגבר הכולל של האנטנה ויגדיל את רמת האונה הצדדית.

הרכב בסיסי ועקרון פעולה של אנטנת קסגריין

מכ"ם "נשר" של מטוס היירוט Su-15 (РП-11)

מכ"ם "נשר" של מטוס היירוט Su-15 (РП-11)

על מנת לפתור את בעיית חסימת תת-המחזיר, הוצעה אנטנה הנקראת אנטנת קאסגריין הפוכה, אשר נמצאת בשימוש נרחב במכ"ם מוטס. אנטנת קאסגריין הפוכה, המכונה גם אנטנת קאסגריין מעוותת, היא משנה את מיקום תת-המחזיר לפרבולואיד רשת מקוטב ואת מיקום המשטח הראשי ללוח מקוטב ומפותל. (למעשה, באנטנת כרטיס הפוכה, מיקומם של המשטחים הראשיים והמשניים שונה באופן ברור מאלה של אנטנות קאסגריין רגילות.) עקרון הפעולה שונה למדי מזה של אנטנות קאסגריין: הזנת הצופר הממוקמת בגרסה המפותלת של הקיטוב פולטת גלים אלקטרומגנטיים מקוטבים ליניאריים אופקיים הנעים קדימה. רשת הקיטוב מחזירה כמעט לחלוטין לאחור, והופכת את הגל הכדורי לגל מישורי, הפוגע בלוח הקיטוב המפותל מאחור, ו"מסובב" את גל הקיטוב האופקי לגל אלקטרומגנטי מקוטב ליניארי אנכי, המועבר מרשת הקיטוב הקדמית ומקרין לחלל הפנוי. בקיצור, למרות שהקרן הנפלטת מהזנת הכרטיס ההפוך מוחזרת פעמיים, היא שונה מאנטנת קסגריין רגילה בכך שיש תהליך פיתול קיטוב במרכז. רשת הקיטוב הממוקמת מול האנטנה חוסמת רק גלים אלקטרומגנטיים מקוטבים אופקית וכמעט ואינה משפיעה על גלים מקוטבים ליניאריים אנכיים. אגב, על מנת להילחם בעומס קרקעי, אנטנות מכ"ם מוטסות הן בעיקר אנטנות מקוטבות ליניאריות אנכיות. היא משיגה סריקת קרן על ידי סיבוב מתאים של לוח פיתול הקיטוב. לכן, אנטנת הכרטיס ההפוך פותרת את בעיית חסימת תת-המחזיר, ויכולה גם לקזז מעט את רשת ההזנה והקיטוב, ובכך להפחית עוד יותר את פרופיל האנטנה הכולל. בשל יתרונותיה הייחודיים, אנטנות נפתחות פופולריות מאוד בטלפונים מהדור השני.

עקרון הפעולה של אנטנת כרטיס ההיפוך הוא שהפס האופקי הקדמי הוא רשת קיטוב. לוחית הפיתול המקוטבת מסודרת בזווית של 45 מעלות בחלק האחורי.

אנטנת הכרטיס ההפוכה המשמשת את מכ"ם Sapphire-21 המצויד ב-MiG-21BIS. שימו לב שרשת הקיטוב אינה מותקנת.

אנטנת הקאסגריין ההפוכה ששימשה במערכת המכ"ם AI-24 של מטוס הקרב טורנדו

לאנטנה ההפוכה של הכרטיס המשמשת את מכ"ם ה- Mig25 Tornado A אין רשת קיטוב מותקנת.

ראוי לציין גם כי אנטנת הכרטיס ההפוכה שבה משתמש מכ"ם n001 של Su27 אינה מותקנת על גבי משטח רשת הקיטוב שלה.

אנטנת הכרטיס ההפוכה בה השתמש מכ"ם n001 של Su27. שימו לב שזה במצב שלם, עם רשת קיטוב מותקנת.

עקרונות העבודה הבסיסיים של האנטנות שהוזכרו לעיל מבוססים כולם על צורת המשטחים המחזירי אור, הנבדלים בפרטים כגון האם הם משטחים מחזירי אור יחידים או משטחים מחזירי אור כפולים, האם יש פיתול קיטוב או לא. על ידי שליטה במרחק הרמקול מהמשטח הראשי, כוונון מתח התאורה וכו', קל להשיג הגבר גבוה ואונות צד נמוכות. ניתן להשיג ביצועים משביעי רצון גם בשלבים המוקדמים. עם זאת, למרות שדרישות העיבוד לאנטנות הפועלות בצורה של משטחים מחזירי אור אינן גבוהות (פס ה-X טוב יחסית, אך הקושי עולה בחדות בפסי תדר גבוהים יותר), גם העלות מקובלת. עם זאת, עם שיפור ביצועי המכ"ם המוטס, הועלו גם דרישות חדשות לחלק האנטנה, כגון זווית סריקה גדולה יותר, אונות צד נמוכות יותר ומימוש אלומות מעוצבות. הפגמים הטבועים באנטנות כרטיס הפוך כוללים שתמיד תהיה דליפת אנרגיה (שתגרום לירידה ביעילות הצמצם ולאובדן הגבר), עיוות קרן חמור במהלך הסריקה (הגבר האונה הראשית יורד, הקרן הראשית מתרחבת ואונות הצד עולות), ותמיד קיימת בעיית משקל כבד של האנטנה. לכן, כולם חושבים שמטוסי הדור השלישי שרוצים לתפוס עליונות אווירית: מיג 29 וסו 27, שניהם השתמשו באנטנות קסגריין הפוכות בימים הראשונים, מה שנראה קצת עלוב.

אנו יודעים שכדי לעמוד בדרישות של מכ"ם מוטס עם הגבר גבוה, קרן צרה ואונות צד נמוכות, אנטנות פרבוליות שימשו קודם לכן בגלל המבנה הפשוט שלהן. ישנה גם אנטנה מורכבת מעט יותר בצורתה אך בעלת ביצועים טובים יותר, והיא אנטנת מערך מישורי. אנטנת מערך מישורי היא אנטנת מערך טיפוסית. מעשרות עד מאות, או אפילו אלפי אנטנות יחידה קטנות, הן מסודרות באופן שווה על פני המערך בהתאם לכללים ומרווחים מסוימים. לאנטנה יחידה אחת עשויה להיות קרן רחבה מאוד והגבר נמוך, אך בהסתמך על אנטנות יחידה רבות במערך האנטנות שיעבדו יחד, ניתן להשיג קרן צרה עם הגבר גבוה מאוד, ואפילו אונות צד נמוכות במיוחד (ניתן אפילו לשדרג אותה למערך פאזה מישורי בהמשך). לכן, בשל ביצועיהן המצוינים, אנטנות מערך מישורי החליפו במהירות אנטנות משטח מחזירות אור והפכו למיינסטרים במערכות מכ"ם מוטסות שונות מדור שלישי, דור שלישי משופר ודור רביעי. מכ"מי המים המוטסים המתקדמים של ימינו, מכ"מי מערך פאזה, כמעט כולם משתמשים באנטנות מערך מישורי.

אנטנות מערך מישוריות נפוצות כוללות מערך חריצים של מוליכי גל (פלטה שטוחה), מערך מוליכי גל פתוח, מערך דיפול, מערך אנטנות ויואלדי, מערך אנטנות טלאי מיקרוסtrip וכו'.

מערך חריצי מוליך הגל הוא מבנה שידור נפוץ במיקרוגל. חריצים (משבצות) נפתחים על פני מוליך הגל, מה שמאפשר לחריץ הקטן להפוך לאנטנה לקרינת גלים אלקטרומגנטיים. יש לו יתרון של התאמה למבנה ההזנה ובעל קיבולת הספק גדולה. חריצי מוליך הגל הנישאים באוויר נראים כאילו חתוכים ללוח שטוח, ולכן הם נקראים לפעמים מערכי חריצים שטוחים.

מכ"ם APY1 המשמש את E3 משתמש במערך אנטנות חריץ מוליך גל

מערך החריצים השטוחים המשמש את מכ"ם ה-APG63 של ה-F15 כולל אנטנת אלמנט IFF (מערך) הבולטת מהפריפריה.

 מערך החריצים השטוחים המשמש את מכ"ם ה-APG63 של ה-F15 כולל אנטנת אלמנט IFF (מערך) הבולטת מהפריפריה.

מערך החריצים השטוחים המשמש את מכ"ם ה-APG66 של ה-F16A/B

דומה לכך היא אנטנת מערך מוליך גלים פתוח. מוליך הגל הפתוח משתמש גם הוא במבנה מוליך גלים, אך במקום חריצים וחריצים, הוא משתמש ישירות בפני השטח של פתח מוליך הגל כדי להקרין גלים אלקטרומגנטיים. מכיוון שלסוג זה של מוליך גלים פתוח יש חתך רוחב מעט גדול יותר והוא בעל משקל עודף, הוא נפוץ יותר במכ"מים יבשתיים או ספינות, ומשתמשים בו לעיתים רחוקות במכ"מים מוטסים.

המבנה הנ"ל, המשתמש במוליכי גל לצורך הזנה וקרינה, תורם להתאמת אנטנות, וקיבולת ההספק הגדולה שלו היא יתרונו המשמעותי. עם זאת, רוחב הפס של האנטנה מוגבל לעיתים קרובות וקשה לשלוט במשקל. לאחר מכן, עיצובים חדשים רבים שימשו בהדרגה במערכות מכ"ם מוטסות.

למעשה, בסוף המלחמה הקרה, על מנת להשיג מהירות סריקה מהירה יותר וביצועים חזקים יותר של מכ"ם מוטס (כגון חיפוש סימולטני, מעקב, בקרת אש, הנחיה, גילוי קרקעי וכו'), מהנדסים השתמשו באנטנות מערך פאזה עבור מכ"ם מוטס, והיא עדיין נחשבת לטכנולוגיה מתקדמת. המראה של אנטנת מערך פאזה אינו שונה בהרבה מאנטנת מערך מישורית רגילה. ניתן אפילו להבין אותה בפשטות כשינוי של מבנה ההזנה המבוסס על אנטנת מערך מישורית רגילה הנסרקת על ידי מכונה (המשדר/מקלט האחורי ואלגוריתם עיבוד האותות ישתנו כמובן רבות). על ידי הוספת מעביר פאזה לקצה האחורי של יחידת האנטנה, ניתן לקבל אנטנת מערך פאזה פסיבית (PESA). אם אינך מרוצה מהמעביר פאזה והוספת רכיב TR, ניתן לקבל אנטנת מערך פאזה אקטיבית (AESA). עבור מהנדסי אנטנות, ניתן להשתמש באותו מערך אנטנות עבור AESA או PESA. לכן, לאנטנות מערך מישוריות יש פוטנציאל גדול לשדרוג לאנטנות מערך פאזה.

עבור מכ"מים ששודרגו לאנטנות AESA, יש להם עוצמת שידור גדולה יותר, טווח גילוי ארוך יותר, סריקת קרן רגישה יותר ופונקציות עיצוב קרן חזקות יותר. כמו כן, קל יותר להשיג אונת צד ממוצעת של -50 או -60dB.

קחו לדוגמה את ה-F22. מכ"ם AESA של הדור החדש של מטוסי קרב חמקנים אוהב להשתמש במערכי דיפול (התמונה מציגה את מערך הדיפול בצורת מטריה המשמש את מכ"ם ה-apg77 של ה-F22). היחידה משתמשת באנטנת דיפול, בעלת מאפייני פס רחב. דפוס היחידה רחב וקל להשיג סריקה בזווית רחבה.

אנטנת המכ"ם APG77 של F22

את הבולט מלפנים ניתן בקלות לטעות ולחשוב שהוא רכיב TR. למען האמת, זהו למעשה פני השטח של האנטנה. רכיב ה-TR מחובר מאחורי האנטנה (למרות שכיום רכיב ה-TR בדרך כלל מעובד לאחד עם האנטנה, הוא עדיין נדון כאן בנפרד).

מכ"ם ה-RBE2 AESA המשמש ב-Rafale החדש (כפי שמוצג בתמונה למטה) משתמש במערך אנטנות של Vivaldi. יחידת אנטנה מסוג זה מאופיינת ברוחב פס רחב במיוחד, כך שניתן להרחיב את רוחב הפס של מערך האנטנות כולו.

RBE2 AESA

RBE2 AESA

כמובן שיש כמה שהם מיוחדים יותר. לדוגמה, מכ"ם APY9 המשמש את מטוס ההתרעה המוקדמת E2D שלהלן משתמש באנטנת יאגי כיחידה. מכיוון שאורך הגל של הגל האלקטרומגנטי בתחום ה-uHF בו הוא משתמש הוא ארוך, גודל האנטנה שלו מוגבל מאוד. על מנת להשיג קרן צרה אידיאלית יותר והגבר גבוה, יש לצמצם את קרן יחידת האנטנה שלה, כך שאנטנת יאגי הפכה לבחירה אידיאלית. כיחידה, אנטנת יאגי בעלת ההגבר הגבוה יכולה לשפר משמעותית את ההגבר של המערך. אבל הדברים תמיד יחסיים. קרן היחידה הצרה של אנטנת יאגי מגבילה מאוד את יכולת הסריקה בזווית רחבה של המערך. כאשר זווית סריקת האנטנה סוטה מאוד מהנורמלי, ההגבר יורד ועיוות צורת הגל יהיה בולט מאוד. לכן, APY9 משתמש בשילוב של סריקה אלקטרומכנית כדי לפצות על החסרונות.

מערך קווי אנטנות יאגי 2*9 יחידות המשמש את מכ"ם E2D APY9

פיתוח טכנולוגיית מערך פאזה הוא שהביא את האנטנות המוטסות לשלב חדש.

פיתוח אנטנות הוא מיקרוקוסמוס של הפיתוח הטכנולוגי הכולל של מכ"ם. למרות שאיננו יכולים להסיק מסקנות לגבי ביצועי מכ"ם או למדוד את הביצועים הכוללים של מכ"ם על סמך מראה האנטנה, הנדסה מתמקדת לעתים קרובות בתיאום ובאיזון בין מערכות. אם הביצועים הכוללים של מערכת מכ"ם מתקדמים, האנטנה לא יכולה להיות נחותה. בעתיד, מהנדסים ימשיכו להתגבר על בעיות כגון סריקה בזווית רחבה של אנטנות מערך פאזה (הרחבת טווח הסריקה הנוכחי של +60 מעלות), פס רחב במיוחד, צמצם משותף, קונפורמי וכו', כדי לקדם את פיתוח מערכות מכ"ם מוטסות.

מאמר זה מגיע מה"אינטרנט". אם יש הפרה כלשהי או בעיות אחרות, אנא צרו איתנו קשר כדי למחוק אותו.לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני, אנא ציין את המקור המקורי ואת המחבר בעת הדפסה חוזרת.