Dal paraboloide all'array di antenne a fase controllata: una breve storia dello sviluppo delle antenne radar aviotrasportate

Con l'evolversi delle esigenze belliche e il progresso scientifico e tecnologico, il "contenuto di oro" del combattimento aereo sta diventando sempre più elevato. Lo sviluppo dei radar aviotrasportati per aerei da combattimento ne è un tipico esempio. In termini estetici, l'aspetto più evidente dell'"evoluzione" delle apparecchiature radar è la modifica dell'antenna. Analizziamo brevemente lo sviluppo delle antenne radar aviotrasportate.

Il radar aviotrasportato si è evoluto dalle semplici funzioni di ricerca e misurazione della distanza in aria degli albori fino a comprendere oggi non solo la ricerca, il tracciamento e la guida del tiro su una vasta area, ma anche il rilevamento e la mappatura del terreno, l'imaging SAR e altre funzioni multiple. In generale, il radar aviotrasportato richiede antenne con caratteristiche quali alto guadagno (per aumentare il raggio di rilevamento), fascio stretto (per aumentare la precisione della misurazione angolare) e lobi laterali bassi (per resistere alle interferenze). Per ottenere un alto guadagno e un fascio stretto, la soluzione più semplice è utilizzare antenne direzionali, come le antenne Yagi e le antenne paraboliche (a riflettore singolo). Tuttavia, l'antenna Yagi è troppo grande e con l'antenna parabolica è più facile ottenere lobi laterali bassi. Pertanto, i primi radar aviotrasportati dopo la Guerra Fredda adottarono generalmente la forma di antenne paraboliche.

Antenna parabolica (antenna a riflettore singolo).Questo tipo di antenna utilizza un paraboloide di grandi dimensioni come superficie principale e una tromba al centro, davanti alla superficie principale, come sorgente di alimentazione (alimentazione diretta) (la tromba può anche essere deviata dalla posizione centrale, in tal caso si parla di alimentazione decentrata). Il suo principio di funzionamento è piuttosto simile a quello di uno specchio parabolico in ottica. Il principio di funzionamento è il seguente: quando l'antenna opera in modalità di radiazione, le onde sferiche irradiate dalla tromba colpiscono il paraboloide, che trasforma l'onda sferica incidente in un'onda piana, irradiandola nello spazio libero. In modalità di ricezione, la superficie riflettente principale fa convergere le onde piane trasmesse nello spazio libero, chiamate onde sferiche, e le "rimanda" all'altoparlante di alimentazione. Questa forma di antenna è facile da realizzare nella banda X e inferiori, ha una struttura semplice e un costo contenuto. Tuttavia, presenta anche degli svantaggi evidenti. Poiché solitamente le antenne paraboliche raggiungono prestazioni elevate quando il rapporto tra il diametro focale (il rapporto tra la distanza dal corno alla superficie riflettente e la dimensione della superficie riflettente principale) è elevato, il profilo complessivo dell'antenna risulta più alto e il volume maggiore. In particolare, quando l'antenna viene ruotata e scansionata nella sua interezza, occupa molto spazio nella testa della macchina, limitando di conseguenza l'angolo di scansione. Per ovviare a queste difficoltà, è stata sviluppata una configurazione a doppia superficie riflettente chiamata "Cassegrain".

Composizione di base e schema di funzionamento di un'antenna parabolica

Composizione di base e schema di funzionamento di un'antenna parabolica

L'antenna del radar SL1 (imitazione del tipo sovietico РП-1/5) equipaggiata con la versione per tutte le stagioni J-5A

Antenna Cassegrain.Si tratta di un'antenna migliorata rispetto a un'antenna a singolo riflettore. Rispetto a un'antenna a singolo riflettore, il sub-riflettore aggiunto ottimizza inizialmente le onde elettromagnetiche emesse dall'altoparlante, conferendo loro una distribuzione più ideale e riflettendole verso il riflettore principale. Quest'ultimo trasforma quindi l'onda sferica in un'onda piana e la irradia nello spazio libero. Il vantaggio di questa configurazione risiede nel miglioramento dell'efficienza dell'apertura dell'antenna, nell'aumento del guadagno, nella significativa riduzione del rapporto tra diametro focale e diametro, nella riduzione dell'ingombro complessivo e delle dimensioni. Poiché anche il ricevitore e il cavo di alimentazione si trovano sulla superficie principale, la disposizione dei cablaggi risulta più agevole e il rumore di sistema viene ridotto. Tuttavia, l'introduzione del sub-riflettore comporta anche un aumento della schermatura della superficie principale, che a sua volta riduce il guadagno complessivo dell'antenna e aumenta l'intensità dei lobi laterali.

Composizione di base e principio di funzionamento dell'antenna Cassegrain.

Radar "Eagle" del velivolo intercettore Su-15 (РП-11)

Radar "Eagle" del velivolo intercettore Su-15 (РП-11)

Per risolvere il problema dell'occlusione del subriflettore, è stata proposta e ampiamente utilizzata nei radar aviotrasportati un'antenna chiamata antenna Cassegrain invertita. L'antenna Cassegrain invertita, nota anche come antenna Cassegrain deformata, si basa sull'antenna Cassegrain, modificando la posizione del subriflettore in un paraboloide a griglia polarizzata e la posizione della superficie principale in una piastra elicoidale polarizzata. (In realtà, nell'antenna a scheda invertita, le posizioni delle superfici principale e secondaria sono ovviamente diverse da quelle delle normali antenne Cassegrain.) Il principio di funzionamento è piuttosto diverso da quello delle antenne Cassegrain: l'alimentatore a tromba situato nella versione con polarizzazione attorcigliata emette onde elettromagnetiche polarizzate orizzontalmente che vengono riflesse quasi completamente dalla griglia di polarizzazione in avanti, trasformando l'onda sferica in un'onda piana, che colpisce la piastra di torsione della polarizzazione sul retro, "attorcigliando" l'onda a polarizzazione orizzontale in un'onda elettromagnetica polarizzata verticalmente, che viene trasmessa dalla griglia di polarizzazione anteriore e irradiata nello spazio libero. In breve, sebbene il fascio emesso dall'alimentatore a scheda invertita sia stato riflesso due volte, si differenzia dalle normali antenne Cassegrain per la presenza di un processo di torsione della polarizzazione al centro. La griglia di polarizzazione situata davanti all'antenna blocca solo le onde elettromagnetiche polarizzate orizzontalmente e non ha quasi alcun effetto sulle onde polarizzate verticalmente. A proposito, per contrastare le interferenze del terreno, le antenne radar aviotrasportate sono per lo più antenne a polarizzazione lineare verticale. La scansione del fascio si ottiene ruotando opportunamente la piastra di torsione della polarizzazione. Pertanto, l'antenna a scheda ribaltabile risolve il problema dell'occlusione del sub-riflettore e può anche leggermente spostare l'alimentazione e la griglia di polarizzazione, riducendo ulteriormente il profilo complessivo dell'antenna. Grazie ai suoi vantaggi unici, le antenne ribaltabili sono molto diffuse nei telefoni di seconda generazione.

Il principio di funzionamento dell'antenna a scheda ribaltabile è che la barra orizzontale anteriore funge da griglia di polarizzazione. La piastra polarizzante a spirale è disposta sul retro con un angolo di 45 gradi.

Antenna a scheda invertita utilizzata dal radar Sapphire-21 di cui è dotato il MiG-21BIS. Si noti che la griglia di polarizzazione non è installata.

L'antenna Cassegrain invertita utilizzata nel sistema radar AI-24 del caccia Tornado.

L'antenna a scheda invertita utilizzata dal radar del Mig-25 Tornado A non ha griglia di polarizzazione installata.

È inoltre degno di nota il fatto che l'antenna a scheda invertita utilizzata dal radar n001 del Su-27 non presenta una superficie con griglia di polarizzazione installata.

Antenna a scheda invertita utilizzata dal radar n001 del Su-27. Si noti che si tratta di un'antenna completa, con griglia di polarizzazione installata.

I principi di funzionamento di base delle antenne sopra menzionate si basano tutti sulla forma di superfici riflettenti, che differiscono per dettagli quali la presenza o meno di una o due superfici riflettenti e la presenza di torsione di polarizzazione. Controllando la distanza dell'altoparlante dalla superficie principale, regolando la pendenza dell'illuminazione, ecc., è facile ottenere un guadagno elevato e lobi laterali ridotti. Prestazioni soddisfacenti possono essere raggiunte anche nelle fasi iniziali. Ciononostante, sebbene i requisiti di lavorazione per le antenne che funzionano con superfici riflettenti non siano elevati (la banda X è relativamente buona, ma la difficoltà aumenta bruscamente nelle bande di frequenza più alte), anche il costo è accettabile. Tuttavia, con il miglioramento delle prestazioni dei radar aviotrasportati, sono emersi nuovi requisiti per la parte relativa alle antenne, come un angolo di scansione maggiore, lobi laterali ridotti e la realizzazione di fasci sagomati. I difetti intrinseci delle antenne a scheda ribaltabile includono la costante dispersione di energia (che causa una riduzione dell'efficienza dell'apertura e una perdita di guadagno), una grave distorsione del fascio durante la scansione (il guadagno del lobo principale diminuisce, il fascio principale si allarga e i lobi laterali aumentano) e il problema costante del peso elevato dell'antenna. Pertanto, tutti pensano che gli aerei di terza generazione che mirano alla supremazia aerea, MiG-29 e Su-27, entrambi utilizzati nei primi tempi con antenne Cassegrain invertite, sembrino alquanto scadenti.

Sappiamo che, per soddisfare i requisiti dei radar aviotrasportati in termini di guadagno elevato, fascio stretto e lobi laterali ridotti, in passato si utilizzavano antenne paraboliche per la loro struttura semplice. Esiste anche un'antenna leggermente più complessa nella forma, ma con prestazioni migliori: l'antenna a schiera planare. Un'antenna a schiera planare è una tipica antenna a schiera. Da decine a centinaia, o persino migliaia di piccole antenne unitarie, sono disposte uniformemente sulla superficie della schiera secondo determinate regole e spaziature. Una singola antenna unitaria può avere un fascio molto ampio e un basso guadagno, ma affidandosi a numerose antenne unitarie sulla schiera, è possibile ottenere un guadagno molto elevato, un fascio stretto e persino lobi laterali estremamente ridotti (è anche possibile aggiornarla in un'antenna a schiera planare a fasi). Pertanto, grazie alle sue eccellenti prestazioni, le antenne a schiera planare hanno rapidamente sostituito le antenne a superficie riflettente e sono diventate la soluzione principale in vari sistemi radar aviotrasportati di terza generazione, terza generazione modificata e quarta generazione. I moderni radar aviotrasportati avanzati, in particolare i radar a schiera a fasi, utilizzano quasi tutti antenne a schiera planare.

Tra le antenne planari più comuni si annoverano le antenne a schiera planari a guida d'onda (a piastra piana), le antenne a schiera a guida d'onda aperta, le antenne a dipolo, le antenne a schiera Vivaldi, le antenne a patch microstrip, ecc.

L'array di fessure a guida d'onda è una struttura di trasmissione a microonde comune. Sulla superficie della guida d'onda vengono praticate delle fessure che fungono da antenne per irradiare onde elettromagnetiche. Presenta il vantaggio di adattarsi alla struttura di alimentazione e di avere un'elevata capacità di potenza. Le fessure delle guide d'onda aeree sembrano ricavate da una piastra piana, per questo a volte vengono chiamate array di fessure piatte.

Il radar APY1 utilizzato da E3 impiega un'antenna a schiera con guida d'onda.

L'array di antenne a piastra piana utilizzato dal radar APG63 dell'F-15 presenta un'antenna (array) con elemento IFF che sporge dalla periferia.

 L'array di antenne a piastra piana utilizzato dal radar APG63 dell'F-15 presenta un'antenna (array) con elemento IFF che sporge dalla periferia.

La matrice di fessure a piastra piana utilizzata dal radar APG66 dell'F-16A/B.

Simile a questa è l'antenna a schiera a guida d'onda aperta. Anche la guida d'onda aperta utilizza una struttura a guida d'onda, ma invece di fessure e scanalature, utilizza direttamente la superficie di apertura della guida d'onda per irradiare onde elettromagnetiche. Poiché questo tipo di guida d'onda aperta ha una sezione trasversale leggermente più grande ed è più pesante, è più comune nei radar terrestri o navali ed è raramente utilizzato nei radar aviotrasportati.

La struttura sopra descritta, che utilizza guide d'onda per l'alimentazione e la radiazione, è favorevole all'adattamento di impedenza dell'antenna e la sua elevata capacità di potenza rappresenta un vantaggio significativo. Tuttavia, la larghezza di banda dell'antenna è spesso limitata e il peso è difficile da controllare. Di conseguenza, molti nuovi progetti sono stati gradualmente impiegati nei sistemi radar aviotrasportati.

In effetti, alla fine della Guerra Fredda, per ottenere una maggiore velocità di scansione e prestazioni più elevate dei radar aviotrasportati (come ricerca simultanea, tracciamento, controllo del tiro, guida, rilevamento del terreno, ecc.), gli ingegneri utilizzarono antenne a schiera di fase per i radar aviotrasportati, e questa tecnologia è tuttora considerata avanzata. L'aspetto di un'antenna a schiera di fase non è molto diverso da quello di una comune antenna planare. Può essere semplicemente intesa come una modifica della struttura di alimentazione basata su una normale antenna planare a scansione meccanica (il trasmettitore/ricevitore e l'algoritmo di elaborazione del segnale cambieranno ovviamente in modo significativo). Aggiungendo uno sfasatore alla parte posteriore dell'unità antenna, si ottiene un'antenna a schiera di fase passiva (PESA). Se non si desidera utilizzare lo sfasatore e si aggiunge un componente TR, si ottiene un'antenna a schiera di fase attiva (AESA). Per gli ingegneri delle antenne, la stessa schiera di antenne può essere utilizzata sia per AESA che per PESA. Pertanto, le antenne planari hanno un grande potenziale per essere aggiornate in antenne a schiera di fase.

I radar aggiornati con antenne AESA offrono maggiore potenza di trasmissione, raggio di rilevamento più ampio, scansione del fascio più sensibile e funzioni di modellazione del fascio più efficaci. È inoltre più facile ottenere un lobo laterale medio di -50 o -60 dB.

Prendiamo ad esempio l'F-22. Il radar AESA di questa nuova generazione di caccia stealth predilige l'utilizzo di array di dipoli (l'immagine mostra l'array di dipoli a forma di ombrello utilizzato dal radar APG-77 dell'F-22). L'unità utilizza un'antenna a dipolo, che presenta caratteristiche a banda larga. Il diagramma di radiazione dell'unità è ampio ed è facile ottenere una scansione ad ampio angolo.

Antenna radar APG77 dell'F-22

La parte sporgente nella parte anteriore può essere facilmente scambiata per un componente TR. A rigor di termini, si tratta in realtà della superficie dell'antenna. Il componente TR è collegato dietro l'antenna (sebbene ora il componente TR sia generalmente integrato con l'antenna, qui viene comunque trattato separatamente).

Il radar AESA RBE2 utilizzato nel nuovo Rafale (come mostrato nell'immagine sottostante) impiega un'antenna a schiera Vivaldi. Questo tipo di antenna è caratterizzato da una larghezza di banda particolarmente ampia, che consente di estendere la larghezza di banda dell'intera antenna.

RBE2AESA

RBE2AESA

Naturalmente, ce ne sono alcuni più particolari. Ad esempio, il radar APY9 utilizzato dall'aereo di allerta precoce E2D, mostrato di seguito, utilizza un'antenna Yagi come unità. Poiché la lunghezza d'onda dell'onda elettromagnetica nella banda UHF utilizzata è elevata, le dimensioni dell'antenna sono molto limitate. Per ottenere un fascio stretto più ideale e un guadagno elevato, il fascio dell'unità antenna deve essere ristretto, e l'antenna Yagi si è rivelata la scelta ideale. Come unità, l'antenna Yagi ad alto guadagno può migliorare significativamente il guadagno dell'array. Ma tutto è relativo. Il fascio stretto dell'unità antenna Yagi limita notevolmente la capacità di scansione ad ampio angolo dell'array. Quando l'angolo di scansione dell'antenna si discosta notevolmente dalla posizione normale, la diminuzione del guadagno e la distorsione della forma d'onda saranno molto evidenti. Pertanto, l'APY9 utilizza una combinazione di scansione elettromeccanica per compensare queste limitazioni.

Antenna Yagi a schiera 2*9 unità utilizzata dal radar E2D APY9

È lo sviluppo della tecnologia phased array che ha portato le antenne aviotrasportate a un nuovo livello.

Lo sviluppo delle antenne è un microcosmo dell'evoluzione tecnologica complessiva del radar. Sebbene non sia possibile trarre conclusioni sulle prestazioni di un radar o misurarne le prestazioni complessive basandosi solo sull'aspetto dell'antenna, l'ingegneria si concentra spesso sul coordinamento e sull'equilibrio tra i sistemi. Se le prestazioni complessive di un sistema radar sono elevate, l'antenna non può essere inferiore. In futuro, gli ingegneri continueranno a superare problemi quali la scansione ad ampio angolo delle antenne phased array (estendendo l'attuale campo di scansione a +60 gradi), la banda ultralarga, l'apertura comune, la conformità, ecc., per promuovere lo sviluppo dei sistemi radar aviotrasportati.

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