Dari paraboloid kepada tatasusunan berfasa: sejarah ringkas perkembangan antena radar udara

Seiring dengan keperluan perubahan perang dan kemajuan sains dan teknologi, "kandungan emas" pertempuran udara semakin tinggi. Perkembangan radar udara pesawat pejuang adalah contoh tipikal. Dari segi penampilan, bahagian "evolusi" peralatan radar yang paling intuitif ialah perubahan pada antena. Mari kita bincangkan secara ringkas tentang perkembangan antena radar udara.

Radar udara telah berkembang daripada fungsi pencarian dan jarak udara yang mudah pada zaman dahulu hingga kini bukan sahaja mengambil kira panduan pencarian, pengesanan dan kawalan tembakan di kawasan yang luas, tetapi juga tinjauan dan pemetaan darat, pengimejan sar dan pelbagai fungsi lain. Secara amnya, radar udara memerlukan antena dengan ciri-ciri seperti gandaan tinggi (untuk meningkatkan julat pengesanan), pancaran sempit (untuk meningkatkan ketepatan pengukuran sudut), dan cuping sisi rendah (untuk menahan gangguan). Dan mencapai gandaan tinggi, pancaran sempit. Yang paling mudah ialah menggunakan antena berarah, seperti antena Yagi dan antena parabola (pemantul tunggal). Antena Yagi terlalu besar dan antena parabola lebih mudah untuk mencapai cuping sisi rendah berbanding antena Yagi. Oleh itu, radar udara awal selepas Perang Dingin secara amnya menerima pakai bentuk antena parabola.

Antena parabola (antena pemantul tunggal).Antena jenis ini menggunakan paraboloid yang lebih besar sebagai permukaan utama, dan hon di tengah di hadapan permukaan utama sebagai sumber suapan (suapan hadapan) (hon juga boleh dipesongkan dari kedudukan tengah, yang dipanggil suapan ofset). Prinsip kerjanya agak serupa dengan cermin parabola dalam optik. Prinsip kerjanya ialah apabila antena berfungsi dalam mod sinaran, gelombang sfera yang dipancarkan oleh hon mengenai paraboloid, dan paraboloid mengubah gelombang sfera yang datang dari hon menjadi gelombang satah, menyebabkannya memancar ke ruang bebas. Semasa mod kerja dan penerimaan, permukaan pantulan utama menumpu gelombang satah yang dipancarkan di ruang bebas, yang dipanggil gelombang sfera, dan "mengembalikannya" kepada pembesar suara suapan. Bentuk antena ini tidak sukar untuk diproses dalam jalur-x dan ke bawah, mempunyai struktur yang mudah dan kosnya rendah. Walau bagaimanapun, kelemahannya juga jelas. Kerana biasanya antena parabola mudah mencapai prestasi tinggi apabila nisbah diameter fokus (nisbah jarak dari hon ke permukaan pantulan kepada saiz permukaan pantulan utama) adalah tinggi, profil keseluruhan antena adalah lebih tinggi dan isipadunya lebih besar. Terutamanya apabila antena diputar dan diimbas secara keseluruhan, ia akan menempati banyak ruang di kepala mesin, jadi sudut pengimbasannya juga agak terhad. Untuk menyelesaikan masalah ini, bentuk permukaan pantulan berganda yang dipanggil "Cassegrain" telah diwujudkan.

Komposisi asas dan gambarajah kerja antena parabola

Komposisi asas dan gambarajah kerja antena parabola

Antena radar SL1 (tiruan jenis РП-1/5 Soviet) dilengkapi dengan versi semua cuaca J-5A

Antena Cassegrain.Ia merupakan antena yang dipertingkatkan daripada bentuk antena pemantul tunggal. Berbanding dengan antena pemantul tunggal, sub-pemantul tambahan pada mulanya boleh mengoptimumkan gelombang elektromagnet yang dipancarkan oleh pembesar suara dan memberikannya taburan yang lebih ideal, memantulkannya kembali ke pemantul utama. Pemantul utama kemudiannya menukarkan gelombang sfera berbentuk itu kepada gelombang satah dan memancarkannya ke ruang bebas. Kelebihannya ialah ia boleh meningkatkan kecekapan apertur antena, meningkatkan gandaan, mengurangkan nisbah diameter fokus dengan ketara, mengurangkan profil keseluruhan antena, dan mengurangkan saiz. Selepas penerima dan pengumpan juga berada di permukaan utama, ia lebih kondusif untuk susun atur pendawaian sistem dan mengurangkan hingar sistem. Walau bagaimanapun, pengenalan sub-pemantul juga akan membawa masalah peningkatan perisai permukaan utama, yang seterusnya akan mengurangkan gandaan keseluruhan antena dan meningkatkan paras cuping sisi.

Komposisi asas dan prinsip kerja antena Cassegrain

Radar "Helang" pesawat pemintas Su-15 (RP-11)

Radar "Helang" pesawat pemintas Su-15 (RP-11)

Untuk menyelesaikan masalah oklusi subreflektor, antena yang dipanggil antena Cassegrain terbalik telah dicadangkan dan digunakan secara meluas dalam radar udara. Cassegrain terbalik, juga dikenali sebagai antena Cassegrain yang cacat. Berdasarkan antena Cassegrain, ia mengubah kedudukan sub-reflektor menjadi paraboloid grid terkutub dan kedudukan permukaan utama menjadi plat berpintal terkutub. (Malah, dalam antena kad terbalik, kedudukan permukaan utama dan sekunder jelas berbeza daripada antena Cassegrain biasa.) Prinsip kerja agak berbeza daripada antena Cassegrain: suapan hon yang terletak pada versi berpintal polarisasi memancarkan gelombang elektromagnet terkutub linear mendatar yang ke hadapan. Grid polarisasi hampir sepenuhnya memantulkan kembali, dan menukarkan gelombang sfera menjadi gelombang satah, yang mengenai plat berpintal polarisasi di bahagian belakang, "memusingkan" gelombang polarisasi mendatar menjadi gelombang elektromagnet terkutub linear menegak, yang dipancarkan dari grid polarisasi hadapan dan dipancarkan ke ruang bebas. Pendek kata, walaupun pancaran yang dipancarkan oleh suapan kad terbalik telah dipantulkan dua kali, ia berbeza daripada antena Cassegrain biasa kerana terdapat proses putaran polarisasi di tengah. Grid polarisasi yang terletak di hadapan antena hanya menyekat gelombang elektromagnet terkutub secara mendatar dan hampir tidak memberi kesan pada gelombang terkutub linear menegak. Secara kebetulan, untuk memerangi kekacauan di darat, antena radar udara kebanyakannya antena terkutub linear menegak. Ia mencapai pengimbasan pancaran dengan memutarkan plat putaran polarisasi dengan sewajarnya. Oleh itu, antena flip-card menyelesaikan masalah oklusi sub-reflektor, dan juga boleh mengimbangi sedikit grid suapan dan polarisasi, sekali gus mengurangkan profil antena keseluruhan. Disebabkan kelebihannya yang unik, antena flip-up sangat popular dalam telefon generasi kedua.

Prinsip kerja antena flip-card ialah bar mendatar hadapan ialah grid polarisasi. Plat putar terkutub disusun pada sudut 45 darjah di bahagian belakang.

Antena kad terbalik yang digunakan oleh radar Sapphire-21 yang dilengkapi dengan MiG-21BIS. Ambil perhatian bahawa grid polarisasi tidak dipasang.

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

Antena kad terbalik yang digunakan oleh radar Mig25 Tornado A tidak mempunyai grid polarisasi yang dipasang.

Antena kad terbalik yang digunakan oleh radar n001 Su27 juga perlu diberi perhatian bahawa permukaan grid polarisasinya tidak dipasang.

Antena kad terbalik yang digunakan oleh radar n001 Su27. Ambil perhatian bahawa ini berada dalam keadaan lengkap, dengan grid polarisasi dipasang.

Prinsip kerja asas antena yang dinyatakan di atas semuanya berdasarkan bentuk permukaan pantulan, yang berbeza dari segi perincian seperti sama ada ia permukaan pantulan tunggal atau permukaan pantulan berganda, sama ada terdapat putaran polarisasi atau tidak. Dengan mengawal jarak pembesar suara dari permukaan utama, melaraskan tirus pencahayaan, dan sebagainya, mudah untuk mencapai cuping sisi yang tinggi dan cuping sisi yang rendah. Prestasi yang memuaskan juga boleh dicapai pada peringkat awal. Walau bagaimanapun, walaupun keperluan pemprosesan untuk antena yang berfungsi dalam bentuk permukaan pantulan tidak tinggi (jalur-X agak baik, tetapi kesukaran meningkat mendadak dalam jalur frekuensi yang lebih tinggi), kosnya juga boleh diterima. Walau bagaimanapun, dengan peningkatan prestasi radar udara, keperluan baharu juga telah dikemukakan untuk bahagian antena, seperti sudut pengimbasan yang lebih besar, cuping sisi bawah dan realisasi pancaran berbentuk. Kelemahan yang wujud dalam antena flip-card termasuk sentiasa terdapat kebocoran tenaga (yang akan menyebabkan pengurangan kecekapan apertur dan kehilangan keuntungan), herotan pancaran yang serius semasa pengimbasan (keuntungan cuping utama berkurangan, pancaran utama melebar, dan cuping sisi meningkat), dan sentiasa ada masalah berat antena yang berat. Oleh itu, semua orang berpendapat bahawa pesawat generasi ketiga yang ingin merampas ketuanan udara: mig29 dan Su-27, kedua-duanya menggunakan antena Cassegrain terbalik pada zaman awal, yang kelihatan agak buruk.

Kita tahu bahawa untuk memenuhi keperluan radar udara dengan gandaan tinggi, pancaran sempit dan cuping sisi rendah, antena parabola telah digunakan lebih awal kerana strukturnya yang ringkas. Terdapat juga antena yang sedikit lebih kompleks bentuknya tetapi mempunyai prestasi yang lebih baik, iaitu antena tatasusunan satah. Antena tatasusunan satah ialah antena tatasusunan biasa. Daripada berpuluh-puluh hingga beratus-ratus, atau bahkan beribu-ribu antena unit kecil, ia disusun secara sekata pada permukaan tatasusunan mengikut peraturan dan jarak tertentu. Antena unit tunggal mungkin mempunyai pancaran yang sangat luas dan gandaan yang rendah, tetapi bergantung pada pelbagai antena unit pada tatasusunan antena untuk berfungsi bersama, gandaan yang sangat tinggi, pancaran sempit, dan juga cuping sisi ultra rendah boleh dicapai (ia juga boleh dinaik taraf kepada tatasusunan berfasa satah kemudian). Oleh itu, disebabkan oleh prestasinya yang cemerlang, antena tatasusunan satah dengan cepat menggantikan antena permukaan pantulan dan menjadi arus perdana dalam pelbagai sistem radar udara generasi ketiga, generasi ketiga yang diubah suai, dan generasi keempat. Radar udara canggih hari ini, radar tatasusunan berfasa, hampir semuanya menggunakan antena tatasusunan satah.

Antena tatasusunan satah biasa termasuk tatasusunan slot pandu gelombang (plat rata), tatasusunan pandu gelombang terbuka, tatasusunan dipol, tatasusunan antena Vivaldi, tatasusunan antena tampalan mikrojalur, dan sebagainya.

Susunan slot pandu gelombang ialah struktur penghantaran gelombang mikro yang biasa. Celah (slot) dibuka pada permukaan pandu gelombang, membolehkan slot kecil menjadi antena untuk memancarkan gelombang elektromagnet. Ia mempunyai kelebihan memadankan struktur suapan dan mempunyai kapasiti kuasa yang besar. Slot pandu gelombang bawaan udara kelihatan seperti dipotong menjadi plat rata, jadi ia kadangkala dipanggil susunan slot rata.

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

Susunan slot plat rata yang digunakan oleh radar APG63 F15 mempunyai antena (susunan) elemen IFF yang menonjol dari pinggir.

 Susunan slot plat rata yang digunakan oleh radar APG63 F15 mempunyai antena (susunan) elemen IFF yang menonjol dari pinggir.

Susunan slot plat rata yang digunakan oleh radar APG66 F16A/B

Antena tatasusunan pandu gelombang terbuka juga serupa dengan ini. Pandu gelombang terbuka juga menggunakan struktur pandu gelombang, tetapi ia secara langsung menggunakan permukaan mulut pandu gelombang untuk memancarkan gelombang elektromagnet dan bukannya celah dan celah. Oleh kerana pandu gelombang terbuka jenis ini mempunyai keratan rentas yang sedikit lebih besar dan berat badan berlebihan, ia lebih biasa digunakan dalam radar darat atau kapal, dan jarang digunakan dalam radar udara.

Struktur di atas yang menggunakan pandu gelombang untuk suapan dan radiasi adalah kondusif untuk pemadanan antena, dan kapasiti kuasanya yang besar adalah kelebihannya yang ketara. Walau bagaimanapun, lebar jalur antena selalunya terhad dan beratnya sukar dikawal. Selepas itu, banyak reka bentuk baharu telah digunakan secara beransur-ansur dalam sistem radar udara.

Malah, pada akhir Perang Dingin, untuk mencapai kelajuan pengimbasan yang lebih pantas dan prestasi radar udara yang lebih berkuasa (seperti pencarian serentak, pengesanan, kawalan tembakan, panduan, pengesanan darat, dll.), jurutera menggunakan antena tatasusunan berfasa untuk radar udara, dan ia masih dianggap sebagai teknologi canggih. Rupa antena tatasusunan berfasa tidak jauh berbeza daripada antena tatasusunan satah biasa. Ia juga boleh difahami secara ringkas sebagai pengubahsuaian struktur suapan berdasarkan antena tatasusunan satah yang diimbas mesin biasa (algoritma pemancar/penerima bahagian belakang dan pemprosesan isyarat sudah tentu akan banyak berubah). Dengan menambah penganjak fasa pada bahagian belakang unit antena, anda boleh mendapatkan antena tatasusunan berfasa pasif (PESA). Jika anda tidak menyukai penganjak fasa dan menambah komponen TR, anda boleh mendapatkan antena tatasusunan berfasa aktif (AESA). Bagi jurutera antena, tatasusunan antena yang sama boleh digunakan untuk AESA atau PESA. Oleh itu, antena tatasusunan satah mempunyai potensi besar untuk dinaik taraf kepada antena tatasusunan berfasa.

Bagi radar yang dinaik taraf kepada antena AESA, ia mempunyai kuasa pancaran yang lebih besar, julat pengesanan yang lebih panjang, pengimbasan pancaran yang lebih sensitif dan fungsi pembentukan pancaran yang lebih berkuasa. Ia juga lebih mudah untuk mendapatkan purata cuping sisi -50 atau -60dB.

Ambil F22 sebagai contoh. Radar AESA bagi pesawat pejuang halimunan generasi baharu ini gemar menggunakan susunan dipol (gambar menunjukkan susunan dipol berbentuk payung yang digunakan oleh radar apg77 F22). Unit ini menggunakan antena dipol, yang mempunyai ciri-ciri jalur lebar. Corak unitnya lebar dan mudah untuk mencapai pengimbasan sudut besar.

Antena radar APG77 F22

Yang menonjol di bahagian hadapan boleh disalah anggap sebagai komponen TR. Secara tepatnya, ia sebenarnya permukaan antena. Komponen TR disambungkan di belakang antena (walaupun kini komponen TR secara amnya diproses menjadi satu dengan antena, ia masih dibincangkan secara berasingan di sini)

Radar RBE2 AESA yang digunakan dalam Rafale baharu (seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah) menggunakan susunan antena Vivaldi. Unit antena jenis ini dicirikan oleh lebar jalur yang sangat luas, jadi lebar jalur keseluruhan susunan antena boleh dikembangkan.

RBE2 AESA

RBE2 AESA

Sudah tentu terdapat beberapa yang lebih istimewa. Contohnya, radar APY9 yang digunakan oleh pesawat amaran awal E2D di bawah menggunakan antena Yagi sebagai unit. Oleh kerana panjang gelombang gelombang elektromagnet dalam jalur uhf yang digunakannya adalah panjang, saiz antenanya sangat terhad. Untuk mendapatkan pancaran sempit dan gandaan tinggi yang lebih ideal, pancaran unit antenanya mesti disempitkan, jadi antena Yagi telah menjadi pilihan yang ideal. Sebagai satu unit, antena Yagi gandaan tinggi boleh meningkatkan gandaan array dengan ketara. Tetapi perkara sentiasa relatif. Pancaran unit sempit antena Yagi sangat mengehadkan keupayaan pengimbasan sudut lebar array. Apabila sudut pengimbasan antena menyimpang jauh daripada normal, gandaan berkurangan dan herotan bentuk gelombang akan menjadi sangat jelas. Oleh itu, APY9 menggunakan gabungan pengimbasan elektromekanikal untuk menampung kekurangan tersebut.

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

Perkembangan teknologi tatasusunan berfasa telah membawa antena udara ke peringkat baharu.

Perkembangan antena merupakan mikrokosmos kepada keseluruhan perkembangan teknologi radar. Walaupun kita tidak dapat membuat kesimpulan tentang prestasi radar atau mengukur prestasi keseluruhan radar berdasarkan penampilan antena, kejuruteraan sering menumpukan pada penyelarasan dan keseimbangan antara sistem. Jika prestasi keseluruhan sistem radar maju, antena tidak boleh menjadi lebih rendah. Pada masa hadapan, jurutera akan terus mengatasi masalah seperti pengimbasan sudut besar antena tatasusunan berfasa (meluaskan julat pengimbasan semasa +60 darjah), jalur ultra lebar, apertur sepunya, konformal, dsb., untuk menggalakkan pembangunan sistem radar udara.

Artikel ini berasal dari "Internet". Jika terdapat sebarang pelanggaran atau isu lain, sila hubungi kami untuk memadamkannya.Sokong perlindungan hak harta intelek, sila nyatakan sumber asal dan pengarang semasa mencetak semula.