Dari paraboloid hingga susunan bertahap: sejarah singkat perkembangan antena radar udara

Seiring dengan perubahan kebutuhan perang dan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi, "nilai utama" pertempuran udara semakin tinggi. Pengembangan radar udara pesawat tempur adalah contoh tipikalnya. Dari segi penampilan, bagian yang paling intuitif dari "evolusi" peralatan radar adalah perubahan pada antena. Mari kita bahas secara singkat perkembangan antena radar udara.

Radar udara telah berevolusi dari fungsi pencarian dan penentuan jarak udara sederhana di masa awal hingga sekarang tidak hanya mempertimbangkan pencarian, pelacakan, dan panduan pengendalian tembakan di area yang luas, tetapi juga survei dan pemetaan darat, pencitraan SAR, dan berbagai fungsi lainnya. Secara umum, radar udara membutuhkan antena dengan karakteristik seperti gain tinggi (untuk meningkatkan jangkauan deteksi), pancaran sempit (untuk meningkatkan akurasi pengukuran sudut), dan sidelobe rendah (untuk menahan interferensi). Untuk mencapai gain tinggi dan pancaran sempit, cara paling sederhana adalah menggunakan antena terarah, seperti antena Yagi dan antena parabola (reflektor tunggal). Antena Yagi terlalu besar dan antena parabola lebih mudah mencapai sidelobe rendah daripada antena Yagi. Oleh karena itu, radar udara awal setelah Perang Dingin umumnya mengadopsi bentuk antena parabola.

Antena parabola (antena reflektor tunggal).Antena jenis ini menggunakan paraboloid yang lebih besar sebagai permukaan utama, dan sebuah horn di tengah di depan permukaan utama sebagai sumber umpan (umpan maju) (horn juga dapat digeser dari posisi tengah, yang disebut umpan offset). Prinsip kerjanya cukup mirip dengan cermin parabola dalam optik. Prinsip kerjanya adalah ketika antena bekerja dalam mode radiasi, gelombang bola yang dipancarkan oleh horn mengenai paraboloid, dan paraboloid mengubah gelombang bola yang datang dari horn menjadi gelombang bidang, menyebabkannya memancar ke ruang bebas. Ketika bekerja dalam mode penerimaan, permukaan pemantul utama mengkonvergensi gelombang bidang yang ditransmisikan di ruang bebas, yang disebut gelombang bola, dan "mengembalikannya" ke sumber umpan. Bentuk antena ini tidak sulit diproses pada pita x dan di bawahnya, memiliki struktur yang sederhana dan biayanya rendah. Namun, kekurangannya juga jelas. Karena biasanya antena parabola mudah mencapai kinerja tinggi ketika rasio diameter fokus (rasio jarak dari tanduk ke permukaan pemantul terhadap ukuran permukaan pemantul utama) tinggi, profil keseluruhan antena lebih tinggi dan volumenya lebih besar. Terutama ketika antena diputar dan dipindai secara keseluruhan, antena akan menempati banyak ruang di kepala mesin, sehingga sudut pemindaiannya juga relatif terbatas. Untuk mengatasi kesulitan ini, permukaan pemantul ganda yang disebut bentuk "Cassegrain" pun muncul.

Komposisi dasar dan diagram cara kerja antena parabola

Komposisi dasar dan diagram cara kerja antena parabola

Antena radar SL1 (tiruan tipe РП-1/5 Soviet) yang dilengkapi dengan versi segala cuaca J-5A.

Antena Cassegrain.Ini adalah antena yang disempurnakan dari bentuk antena reflektor tunggal. Dibandingkan dengan antena reflektor tunggal, penambahan sub-reflektor dapat mengoptimalkan gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh speaker dan memberikan distribusi yang lebih ideal, memantulkannya kembali ke reflektor utama. Reflektor utama kemudian mengubah gelombang bola yang telah dibentuk menjadi gelombang bidang dan memancarkannya ke ruang bebas. Keuntungannya adalah dapat meningkatkan efisiensi bukaan antena, meningkatkan gain, sangat mengurangi rasio diameter fokus, mengurangi profil keseluruhan antena, dan mengurangi ukurannya. Setelah receiver dan feeder juga berada di permukaan utama, hal ini lebih memudahkan tata letak pengkabelan sistem dan mengurangi noise sistem. Namun, penambahan sub-reflektor juga akan menimbulkan masalah peningkatan perisai pada permukaan utama, yang pada gilirannya akan mengurangi gain keseluruhan antena dan meningkatkan tingkat sidelobe.

Komposisi dasar dan prinsip kerja antena Cassegrain

Radar "Elang" pada pesawat pencegat Su-15 (РП-11)

Radar "Elang" pada pesawat pencegat Su-15 (РП-11)

Untuk mengatasi masalah oklusi subreflektor, antena yang disebut antena Cassegrain terbalik diusulkan dan banyak digunakan dalam radar udara. Cassegrain terbalik, juga dikenal sebagai antena Cassegrain yang dimodifikasi. Berdasarkan antena Cassegrain, antena ini mengubah posisi sub-reflektor menjadi paraboloid grid terpolarisasi dan posisi permukaan utama menjadi pelat terpilin terpolarisasi. (Sebenarnya, pada antena Cassegrain terbalik, posisi permukaan utama dan sekunder jelas berbeda dari antena Cassegrain biasa.) Prinsip kerjanya sangat berbeda dari antena Cassegrain: umpan tanduk yang terletak pada versi terpilin polarisasi memancarkan gelombang elektromagnetik terpolarisasi linier horizontal yang hampir sepenuhnya dipantulkan kembali oleh grid polarisasi, dan mengubah gelombang bola menjadi gelombang bidang, yang mengenai pelat terpilin polarisasi di belakang, "memutar" gelombang polarisasi horizontal menjadi gelombang elektromagnetik terpolarisasi linier vertikal, yang ditransmisikan dari grid polarisasi depan dan dipancarkan ke ruang bebas. Singkatnya, meskipun berkas yang dipancarkan oleh antena kartu terbalik telah dipantulkan dua kali, antena ini berbeda dari antena Cassegrain biasa karena terdapat proses puntiran polarisasi di tengahnya. Kisi polarisasi yang terletak di depan antena hanya menghalangi gelombang elektromagnetik terpolarisasi horizontal dan hampir tidak berpengaruh pada gelombang terpolarisasi linier vertikal. Selain itu, untuk mengatasi gangguan dari permukaan tanah, antena radar udara sebagian besar merupakan antena terpolarisasi linier vertikal. Pemindaian berkas dicapai dengan memutar pelat puntiran polarisasi secara tepat. Oleh karena itu, antena kartu terbalik memecahkan masalah oklusi sub-reflektor, dan juga dapat sedikit menggeser posisi antena dan kisi polarisasi, sehingga semakin mengurangi profil antena secara keseluruhan. Karena keunggulan uniknya, antena kartu terbalik sangat populer di ponsel generasi kedua.

Prinsip kerja antena flip-card adalah bahwa batang horizontal depan merupakan kisi polarisasi. Pelat puntir terpolarisasi disusun pada sudut 45 derajat di bagian belakang.

Antena kartu terbalik yang digunakan oleh radar Sapphire-21 yang dipasang pada MiG-21BIS. Perhatikan bahwa grid polarisasi tidak terpasang.

Antena Cassegrain terbalik yang digunakan dalam sistem radar AI-24 pesawat tempur Tornado.

Antena kartu terbalik yang digunakan oleh radar Mig25 Tornado A tidak memiliki grid polarisasi yang terpasang.

Antena kartu terbalik yang digunakan oleh radar n001 Su27 juga patut diperhatikan karena permukaan kisi polarisasinya tidak terpasang.

Antena kartu terbalik yang digunakan oleh radar n001 Su27. Perhatikan bahwa ini dalam kondisi lengkap, dengan grid polarisasi terpasang.

Prinsip kerja dasar antena yang disebutkan di atas semuanya didasarkan pada bentuk permukaan pemantul, yang berbeda dalam detail seperti apakah itu permukaan pemantul tunggal atau ganda, ada atau tidaknya puntiran polarisasi. Dengan mengontrol jarak speaker dari permukaan utama, menyesuaikan kemiringan iluminasi, dll., mudah untuk mencapai gain tinggi dan sidelobe rendah. Kinerja yang memuaskan juga dapat dicapai pada tahap awal. Meskipun demikian, meskipun persyaratan pemrosesan untuk antena yang bekerja dalam bentuk permukaan pemantul tidak tinggi (pita X relatif baik, tetapi kesulitan meningkat tajam pada pita frekuensi yang lebih tinggi), biayanya juga dapat diterima. Namun, dengan peningkatan kinerja radar udara, persyaratan baru juga telah diajukan untuk bagian antena, seperti sudut pemindaian yang lebih besar, sidelobe yang lebih rendah, dan realisasi berkas yang dibentuk. Kelemahan bawaan pada antena flip-card meliputi selalu adanya kebocoran energi (yang akan menyebabkan penurunan efisiensi aperture dan kehilangan gain), distorsi beam yang serius selama pemindaian (gain lobe utama menurun, beam utama melebar, dan sidelobe meningkat), dan selalu ada masalah berat antena yang berlebihan. Oleh karena itu, semua orang berpikir bahwa pesawat generasi ketiga yang ingin merebut supremasi udara: MiG-29 dan Su-27, keduanya menggunakan antena Cassegrain terbalik di masa-masa awal, yang tampaknya agak kurang memadai.

Kita tahu bahwa untuk memenuhi persyaratan radar udara dengan gain tinggi, beam sempit, dan sidelobe rendah, antena parabola digunakan sebelumnya karena strukturnya yang sederhana. Ada juga antena yang bentuknya sedikit lebih kompleks tetapi memiliki kinerja yang lebih baik, yaitu antena susunan planar. Antena susunan planar adalah antena susunan tipikal. Dari puluhan hingga ratusan, atau bahkan ribuan antena unit kecil, antena-antena tersebut disusun secara merata pada permukaan susunan sesuai dengan aturan dan jarak tertentu. Satu antena unit mungkin memiliki beam yang sangat lebar dan gain rendah, tetapi dengan mengandalkan banyak antena unit pada susunan antena untuk bekerja bersama, gain yang sangat tinggi, beam sempit, dan bahkan sidelobe ultra-rendah dapat dicapai (bahkan dapat ditingkatkan menjadi susunan fasa planar di kemudian hari). Oleh karena itu, karena kinerjanya yang sangat baik, antena susunan planar dengan cepat menggantikan antena permukaan reflektif dan menjadi arus utama dalam berbagai sistem radar udara generasi ketiga, generasi ketiga yang dimodifikasi, dan generasi keempat. Radar udara canggih saat ini, radar susunan fasa, hampir semuanya menggunakan antena susunan planar.

Antena susunan planar yang umum meliputi susunan slot pandu gelombang (pelat datar), susunan pandu gelombang terbuka, susunan dipol, susunan antena Vivaldi, susunan antena patch mikrostrip, dan lain sebagainya.

Susunan slot pandu gelombang adalah struktur transmisi gelombang mikro yang umum. Celah (slot) dibuka pada permukaan pandu gelombang, memungkinkan slot kecil tersebut menjadi antena untuk memancarkan gelombang elektromagnetik. Struktur ini memiliki keunggulan dalam hal kesesuaian struktur umpan dan memiliki kapasitas daya yang besar. Slot pandu gelombang udara tampak seperti dipotong pada pelat datar, sehingga kadang-kadang disebut susunan slot datar.

Radar APY1 yang digunakan oleh E3 menggunakan susunan antena slot pandu gelombang.

Susunan slot pelat datar yang digunakan oleh radar APG63 F15 memiliki antena elemen IFF (susunan) yang menonjol dari bagian tepinya.

 Susunan slot pelat datar yang digunakan oleh radar APG63 F15 memiliki antena elemen IFF (susunan) yang menonjol dari bagian tepinya.

Susunan slot pelat datar yang digunakan oleh radar APG66 F16A/B.

Mirip dengan ini adalah antena susunan pandu gelombang terbuka. Pandu gelombang terbuka juga menggunakan struktur pandu gelombang, tetapi alih-alih menggunakan celah dan lubang, ia langsung menggunakan permukaan mulut pandu gelombang untuk memancarkan gelombang elektromagnetik. Karena jenis pandu gelombang terbuka ini memiliki penampang yang sedikit lebih besar dan lebih berat, ia lebih umum digunakan pada radar berbasis darat atau kapal, dan jarang digunakan pada radar udara.

Struktur di atas yang menggunakan pandu gelombang untuk pengumpanan dan radiasi sangat mendukung pencocokan antena, dan kapasitas dayanya yang besar merupakan keunggulan utamanya. Namun, bandwidth antena seringkali terbatas dan beratnya sulit dikendalikan. Selanjutnya, banyak desain baru secara bertahap digunakan dalam sistem radar udara.

Faktanya, pada akhir Perang Dingin, untuk mencapai kecepatan pemindaian yang lebih cepat dan kinerja radar udara yang lebih kuat (seperti pencarian simultan, pelacakan, pengendalian tembakan, panduan, deteksi darat, dll.), para insinyur menggunakan antena susunan bertahap (phased array antenna) untuk radar udara, dan teknologi ini masih dianggap sebagai teknologi canggih. Penampilan antena susunan bertahap tidak jauh berbeda dari antena susunan planar biasa. Bahkan dapat dipahami secara sederhana sebagai modifikasi struktur umpan berdasarkan antena susunan planar yang dipindai mesin biasa (pemancar/penerima bagian belakang dan algoritma pemrosesan sinyal tentu akan banyak berubah). Dengan menambahkan penggeser fasa ke bagian belakang unit antena, Anda dapat memperoleh antena susunan bertahap pasif (PESA). Jika Anda tidak menyukai penggeser fasa dan menambahkan komponen TR, Anda dapat memperoleh antena susunan bertahap aktif (AESA). Bagi para insinyur antena, susunan antena yang sama dapat digunakan untuk AESA atau PESA. Oleh karena itu, antena susunan planar memiliki potensi besar untuk ditingkatkan menjadi antena susunan bertahap.

Untuk radar yang ditingkatkan dengan antena AESA, radar tersebut memiliki daya pancar yang lebih besar, jangkauan deteksi yang lebih panjang, pemindaian berkas yang lebih sensitif, dan fungsi pembentukan berkas yang lebih kuat. Selain itu, lebih mudah untuk mendapatkan rata-rata sidelobe sebesar -50 atau -60 dB.

Ambil contoh F22. Radar AESA dari generasi baru pesawat tempur siluman ini cenderung menggunakan susunan dipol (gambar menunjukkan susunan dipol berbentuk payung yang digunakan oleh radar APG77 F22). Unit ini menggunakan antena dipol, yang memiliki karakteristik pita lebar. Pola unitnya lebar dan mudah untuk mencapai pemindaian sudut besar.

Antena radar APG77 F22

Bagian yang menonjol di depan mudah disalahartikan sebagai komponen TR. Sebenarnya, itu adalah permukaan antena. Komponen TR terhubung di belakang antena (meskipun sekarang komponen TR umumnya diproses menjadi satu dengan antena, namun tetap dibahas secara terpisah di sini).

Radar AESA RBE2 yang digunakan pada Rafale baru (seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah) menggunakan susunan antena Vivaldi. Jenis unit antena ini dicirikan oleh bandwidth yang sangat lebar, sehingga bandwidth dari seluruh susunan antena dapat diperluas.

RBE2 AESA

RBE2 AESA

Tentu saja ada beberapa yang lebih istimewa. Misalnya, radar APY9 yang digunakan oleh pesawat peringatan dini E2D di bawah ini menggunakan antena Yagi sebagai unitnya. Karena panjang gelombang gelombang elektromagnetik dalam pita UHF yang digunakannya panjang, ukuran antenanya sangat terbatas. Untuk mendapatkan berkas sempit yang lebih ideal dan penguatan tinggi, berkas unit antenanya harus dipersempit, sehingga antena Yagi menjadi pilihan yang ideal. Sebagai unit, antena Yagi dengan penguatan tinggi dapat secara signifikan meningkatkan penguatan susunan antena. Tetapi semuanya selalu relatif. Berkas unit antena Yagi yang sempit sangat membatasi kemampuan pemindaian sudut lebar susunan antena. Ketika sudut pemindaian antena menyimpang jauh dari normal, penurunan penguatan dan distorsi bentuk gelombang akan sangat jelas. Oleh karena itu, APY9 menggunakan kombinasi pemindaian elektromekanik untuk mengatasi kekurangan tersebut.

Susunan antena garis Yagi 2*9 unit yang digunakan oleh radar E2D APY9

Perkembangan teknologi phased array-lah yang membawa antena udara ke tahap baru.

Pengembangan antena merupakan mikrokosmos dari keseluruhan perkembangan teknologi radar. Meskipun kita tidak dapat menarik kesimpulan tentang kinerja radar atau mengukur kinerja keseluruhan radar berdasarkan penampilan antena, rekayasa seringkali berfokus pada koordinasi dan keseimbangan antar sistem. Jika kinerja keseluruhan sistem radar maju, antena tidak boleh kalah. Di masa depan, para insinyur akan terus mengatasi masalah seperti pemindaian sudut lebar antena susunan bertahap (memperluas jangkauan pemindaian saat ini +60 derajat), ultra-wideband, bukaan umum, konformal, dll., untuk mendorong pengembangan sistem radar udara.

Artikel ini berasal dari "Internet". Jika terdapat pelanggaran atau masalah lain, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.Dukung perlindungan hak kekayaan intelektual, mohon sebutkan sumber dan penulis asli saat mencetak ulang.