Van paraboloïde tot phased array: een korte geschiedenis van de ontwikkeling van radarantennes voor vliegtuigen

Naarmate de behoeften van oorlogsvoering veranderen en wetenschap en technologie zich ontwikkelen, wordt het 'goudgehalte' van luchtgevechten steeds hoger. De ontwikkeling van radarsystemen aan boord van gevechtsvliegtuigen is hiervan een typisch voorbeeld. Qua uiterlijk is de meest intrigerende verandering in de 'evolutie' van radarapparatuur de aanpassing van de antenne. Laten we de ontwikkeling van radarantennes aan boord van vliegtuigen eens nader bekijken.

Luchtradar is geëvolueerd van eenvoudige zoek- en afstandsbepalingsfuncties in de beginjaren naar systemen die nu niet alleen rekening houden met zoeken, volgen en vuurleiding in een groot gebied, maar ook met grondmetingen en -kartering, SAR-beeldvorming en andere multifunctionele toepassingen. Over het algemeen vereist luchtradar antennes met eigenschappen zoals een hoge versterking (om het detectiebereik te vergroten), een smalle bundel (om de nauwkeurigheid van de hoekmeting te verhogen) en lage zijlobben (om interferentie te weerstaan). Om een ​​hoge versterking en een smalle bundel te bereiken, is het het eenvoudigst om directionele antennes te gebruiken, zoals Yagi-antennes en parabolische (enkele reflector) antennes. De Yagi-antenne is echter te groot en met een parabolische antenne is het gemakkelijker om lage zijlobben te bereiken. Daarom maakten vroege luchtradars na de Koude Oorlog over het algemeen gebruik van parabolische antennes.

Parabolische antenne (enkelvoudige reflectorantenne).Dit type antenne gebruikt een grotere paraboloïde als hoofdoppervlak en een hoorn in het midden vóór het hoofdoppervlak als voedingsbron (voorwaartse voeding) (de hoorn kan ook uit de middenpositie worden geplaatst, wat offsetvoeding wordt genoemd). Het werkingsprincipe is vrijwel gelijk aan dat van een parabolische spiegel in de optica. Wanneer de antenne in de zendmodus werkt, raken de door de hoorn uitgestraalde sferische golven de paraboloïde. De paraboloïde zet de sferische golf die van de hoorn invalt om in een vlakke golf, die vervolgens de vrije ruimte in wordt gestraald. In de zend- en ontvangstmodus bundelt het hoofdreflectieoppervlak de in de vrije ruimte uitgezonden vlakke golven, de zogenaamde sferische golven, en "keert" ze terug naar de voedingsbron. Deze antennevorm is eenvoudig te produceren in de X-band en lager, heeft een simpele structuur en is goedkoop. De nadelen zijn echter ook duidelijk. Omdat parabolische antennes doorgaans het gemakkelijkst hoge prestaties leveren wanneer de brandpuntsdiameterverhouding (de verhouding tussen de afstand van de hoorn tot het reflecterende oppervlak en de grootte van het hoofdreflecterende oppervlak) hoog is, is het totale profiel van de antenne hoger en het volume groter. Vooral wanneer de antenne als geheel wordt gedraaid en gescand, neemt deze veel ruimte in beslag in de machinekop, waardoor de scanhoek ook relatief beperkt is. Om deze problemen op te lossen, is een dubbel reflecterend oppervlak, de zogenaamde "Cassegrain"-vorm, ontwikkeld.

Basisopbouw en werkingsschema van een parabolische antenne

Basisopbouw en werkingsschema van een parabolische antenne

De antenne van de SL1-radar (imitatie van het Sovjettype РП-1/5) uitgerust met de J-5A all-weather-versie.

Cassegrain-antenne.Dit is een antenne die is verbeterd ten opzichte van een antenne met één reflector. In vergelijking met een antenne met één reflector optimaliseert de toegevoegde subreflector de door de luidspreker uitgezonden elektromagnetische golven en zorgt voor een meer ideale verdeling, waarna ze teruggekaatst worden naar de hoofdreflector. De hoofdreflector zet de bolvormige golf vervolgens om in een vlakke golf en straalt deze uit in de vrije ruimte. Het voordeel hiervan is dat de efficiëntie van de antenne-opening wordt verbeterd, de versterking toeneemt, de brandpuntsafstand aanzienlijk wordt verkleind, het totale profiel van de antenne kleiner wordt en de afmetingen worden gereduceerd. Doordat de ontvanger en de voedingskabel zich ook op het hoofdoppervlak bevinden, is de bekabeling eenvoudiger en wordt systeemruis verminderd. De introductie van de subreflector brengt echter ook het probleem met zich mee van een verhoogde afscherming van het hoofdoppervlak, wat op zijn beurt de totale versterking van de antenne vermindert en het niveau van de zijlobben verhoogt.

Basisopbouw en werkingsprincipe van een Cassegrain-antenne

"Eagle"-radar van het Su-15 onderscheppingsvliegtuig (РП-11)

"Eagle"-radar van het Su-15 onderscheppingsvliegtuig (РП-11)

Om het probleem van occlusie door de subreflector op te lossen, werd een antenne genaamd de omgekeerde Cassegrain-antenne voorgesteld en veelvuldig gebruikt in radarsystemen voor vliegtuigen. De omgekeerde Cassegrain-antenne, ook wel vervormde Cassegrain-antenne genoemd, is gebaseerd op de Cassegrain-antenne, maar de positie van de subreflector is veranderd in een gepolariseerde paraboloïde met een rasterstructuur en de positie van het hoofdoppervlak in een gepolariseerde gedraaide plaat. (In feite zijn de posities van het hoofd- en secundaire oppervlak bij de omgekeerde Cassegrain-antenne duidelijk anders dan bij gewone Cassegrain-antennes.) Het werkingsprincipe verschilt aanzienlijk van dat van Cassegrain-antennes: de hoornvormige voeding, die zich bevindt in de gepolariseerde gedraaide versie, zendt horizontaal lineair gepolariseerde elektromagnetische golven uit. Deze golven worden door het polarisatieraster aan de voorzijde bijna volledig teruggekaatst, waardoor de bolvormige golf wordt omgezet in een vlakke golf. Deze golf raakt de gepolariseerde gedraaide plaat aan de achterzijde, waardoor de horizontaal gepolariseerde golf wordt "verdraaid" tot een verticaal lineair gepolariseerde elektromagnetische golf. Deze golf wordt vervolgens door het polarisatieraster aan de voorzijde uitgezonden en in de vrije ruimte gestraald. Kortom, hoewel de bundel die door de omgekeerde kaartantenne wordt uitgezonden tweemaal wordt gereflecteerd, verschilt deze van een gewone Cassegrain-antenne doordat er in het midden een polarisatieverdraaiing plaatsvindt. Het polarisatierooster vóór de antenne blokkeert alleen horizontaal gepolariseerde elektromagnetische golven en heeft vrijwel geen effect op verticaal lineair gepolariseerde golven. Overigens zijn radarantennes in vliegtuigen, om grondreflectie tegen te gaan, meestal verticaal lineair gepolariseerde antennes. Bundelscanning wordt bereikt door de polarisatieverdraaiingsplaat op de juiste manier te roteren. De flip-card-antenne lost dus het probleem van occlusie door de subreflector op en maakt het bovendien mogelijk om de feed en het polarisatierooster iets te verschuiven, waardoor het totale antenneprofiel verder wordt verkleind. Vanwege deze unieke voordelen zijn flip-up-antennes erg populair in de tweede generatie smartphones.

Het werkingsprincipe van de flip-card-antenne is dat de horizontale balk aan de voorzijde een polarisatierooster vormt. De gepolariseerde draaiplaat is aan de achterzijde onder een hoek van 45 graden geplaatst.

De omgekeerde kaartantenne die gebruikt wordt door de Sapphire-21 radar waarmee de MiG-21BIS is uitgerust. Merk op dat het polarisatierooster niet is geïnstalleerd.

De omgekeerde Cassegrain-antenne die gebruikt wordt in het AI-24 radarsysteem van de Tornado-gevechtsvliegtuigen.

De omgekeerde kaartantenne die door de radar van de Mig25 Tornado A wordt gebruikt, heeft geen polarisatieraster.

Het is ook opmerkelijk dat de omgekeerde kaartantenne die door de n001-radar van de Su-27 wordt gebruikt, geen polarisatieraster op het oppervlak heeft.

De omgekeerde kaartantenne die gebruikt wordt door de n001-radar van de Su-27. Merk op dat deze in complete staat verkeert, met een geïnstalleerd polarisatierooster.

De basiswerkingsprincipes van de bovengenoemde antennes zijn allemaal gebaseerd op de vorm van reflecterende oppervlakken, die verschillen in details zoals of het enkelvoudige of dubbele reflecterende oppervlakken zijn, en of er al dan niet sprake is van polarisatieverdraaiing. Door de afstand van de luidspreker tot het hoofdoppervlak te regelen, de lichtbundel aan te passen, enzovoort, is het eenvoudig om een ​​hoge versterking en lage zijlobben te bereiken. Bevredigende prestaties kunnen ook in een vroeg stadium worden behaald. Hoewel de verwerkingseisen voor antennes die werken met reflecterende oppervlakken niet hoog zijn (de X-band is relatief goed, maar de moeilijkheidsgraad neemt sterk toe in hogere frequentiebanden), zijn de kosten ook acceptabel. Met de verbetering van de prestaties van radarsystemen in de luchtvaart zijn er echter ook nieuwe eisen gesteld aan het antennegedeelte, zoals een grotere scanhoek, lagere zijlobben en de realisatie van gevormde bundels. De inherente gebreken van flip-card-antennes zijn onder andere energieverlies (wat leidt tot een lagere apertuurefficiëntie en verlies van versterking), ernstige bundelvervorming tijdens het scannen (de versterking van de hoofdlob neemt af, de hoofdbundel verbreedt zich en de zijlobben nemen toe) en het probleem van het hoge antennegewicht. Daarom wordt vaak gedacht dat de derde generatie vliegtuigen die luchtoverwicht willen verwerven, zoals de MiG-29 en de Su-27, in hun beginjaren gebruik maakten van omgekeerde Cassegrain-antennes, wat er nogal ouderwets uitziet.

We weten dat parabolische antennes, vanwege hun eenvoudige structuur, vroeger werden gebruikt om te voldoen aan de eisen van luchtradar met een hoge versterking, een smalle bundel en lage zijlobben. Er bestaat echter ook een antenne die iets complexer van vorm is, maar betere prestaties levert: de planaire array-antenne. Een planaire array-antenne is een typische antenne-array. Tientallen, honderden of zelfs duizenden kleine antennes zijn gelijkmatig verdeeld over het oppervlak van de array volgens bepaalde regels en met een bepaalde onderlinge afstand. Een enkele antenne kan een zeer brede bundel en een lage versterking hebben, maar door de vele antennes in de array samen te laten werken, kan een zeer hoge versterking, een smalle bundel en zelfs ultralage zijlobben worden bereikt (deze kan later zelfs worden geüpgraded naar een planaire phased array). Dankzij hun uitstekende prestaties hebben planaire array-antennes snel reflecterende oppervlakteantennes vervangen en zijn ze de standaard geworden in diverse derde-, derde-generatie gemodificeerde en vierde-generatie luchtradarsystemen. De geavanceerde luchtradars en phased array-radars van vandaag de dag maken vrijwel allemaal gebruik van planaire array-antennes.

Veelvoorkomende vlakke array-antennes zijn onder andere sleufantennes met golfgeleiders (platte platen), open golfgeleiderantennes, dipoolantennes, Vivaldi-antennes en microstrip-patchantennes.

De golfgeleidersleufantenne is een veelgebruikte structuur voor microgolfoverdracht. In het oppervlak van de golfgeleider worden spleten (slots) aangebracht, waardoor de kleine sleuf als antenne fungeert en elektromagnetische golven uitzendt. Het voordeel hiervan is dat de antenne goed aansluit op de voedingsstructuur en een groot vermogen kan leveren. De golfgeleidersleufantennes in de lucht lijken op uitgesneden sleuven in een platte plaat, vandaar dat ze soms ook wel platte sleufantennes worden genoemd.

De APY1-radar die door E3 wordt gebruikt, maakt gebruik van een waveguide-sleufantenne-array.

De platte sleufantenne die gebruikt wordt door de APG63-radar van de F15 heeft een IFF-elementantenne (array) die aan de rand uitsteekt.

 De platte sleufantenne die gebruikt wordt door de APG63-radar van de F15 heeft een IFF-elementantenne (array) die aan de rand uitsteekt.

De platte sleufantenne die gebruikt wordt door de APG66-radar van de F16A/B.

Vergelijkbaar hiermee is de open golfgeleider-arrayantenne. De open golfgeleider maakt ook gebruik van een golfgeleiderstructuur, maar in plaats van sleuven en spleten gebruikt hij direct het oppervlak van de golfgeleidermond om elektromagnetische golven uit te stralen. Omdat dit type open golfgeleider een iets grotere doorsnede heeft en zwaarder is, wordt het vaker gebruikt in radars op land of schepen en zelden in radars in vliegtuigen.

De bovenstaande structuur, die gebruikmaakt van golfgeleiders voor voeding en straling, is gunstig voor antenne-aanpassing en het grote vermogen is een belangrijk voordeel. De bandbreedte van de antenne is echter vaak beperkt en het gewicht is moeilijk te beheersen. Daarom zijn er geleidelijk aan veel nieuwe ontwerpen toegepast in radarsystemen voor vliegtuigen.

Sterker nog, in de late Koude Oorlog gebruikten ingenieurs phased array-antennes voor luchtradar om een ​​hogere scansnelheid en krachtigere prestaties te bereiken (zoals gelijktijdig zoeken, volgen, vuurleiding, geleiding, gronddetectie, enz.). Deze technologie wordt nog steeds als geavanceerd beschouwd. Het uiterlijk van een phased array-antenne verschilt niet veel van dat van een gewone planaire array-antenne. Het kan zelfs eenvoudigweg worden gezien als een aanpassing van de voedingsstructuur van een gewone, machinaal gescande planaire array-antenne (de zender/ontvanger en het signaalverwerkingsalgoritme aan de achterkant zullen uiteraard aanzienlijk verschillen). Door een faseverschuiver aan de achterkant van de antenne-eenheid toe te voegen, verkrijgt men een passieve phased array-antenne (PESA). Als men de faseverschuiver en de toevoeging van een TR-component niet wenst, kan men een actieve phased array-antenne (AESA) verkrijgen. Voor antenne-ingenieurs kan dezelfde antenne-array worden gebruikt voor zowel AESA als PESA. Planaire array-antennes hebben daarom een ​​groot potentieel om te worden geüpgraded naar phased array-antennes.

Radars die zijn uitgerust met AESA-antennes hebben een hoger zendvermogen, een groter detectiebereik, een gevoeliger bundelscanning en krachtigere bundelvormingsfuncties. Het is ook gemakkelijker om een ​​gemiddelde zijlob van -50 of -60 dB te bereiken.

Neem de F22 als voorbeeld. De AESA-radar van deze nieuwe generatie stealth-jagers maakt graag gebruik van dipoolantennes (de afbeelding toont de parapluvormige dipoolantenne die gebruikt wordt door de APG77-radar van de F22). Het systeem gebruikt een dipoolantenne met breedbandkarakteristieken. Het stralingspatroon is breed en het is gemakkelijk om een ​​grote scanhoek te bereiken.

De APG77-radarantenne van de F22

Het uitstekende gedeelte aan de voorkant kan gemakkelijk worden aangezien voor een TR-component. Strikt genomen is het echter het oppervlak van de antenne. De TR-component is aan de achterkant van de antenne bevestigd (hoewel de TR-component tegenwoordig meestal in één geheel met de antenne is verwerkt, wordt deze hier toch apart besproken).

De RBE2 AESA-radar die in de nieuwe Rafale wordt gebruikt (zoals te zien op de afbeelding hieronder) maakt gebruik van een Vivaldi-antenne-array. Dit type antenne-eenheid kenmerkt zich door een bijzonder brede bandbreedte, waardoor de bandbreedte van de gehele antenne-array kan worden vergroot.

RBE2 AESA

RBE2 AESA

Natuurlijk zijn er enkele die specialer zijn. De APY9-radar die wordt gebruikt door het E2D-vliegtuig voor vroegtijdige waarschuwing (zie afbeelding hieronder) gebruikt bijvoorbeeld een Yagi-antenne als eenheid. Omdat de golflengte van de elektromagnetische golf in de UHF-band lang is, is de antennegrootte zeer beperkt. Om een ​​ideale smalle bundel en hoge versterking te verkrijgen, moet de bundel van de antenne-eenheid worden versmald, waardoor de Yagi-antenne een ideale keuze is geworden. Als eenheid kan de Yagi-antenne met hoge versterking de versterking van de array aanzienlijk verbeteren. Maar alles is relatief. De smalle bundel van de Yagi-antenne beperkt de scanmogelijkheden van de array sterk. Wanneer de scanhoek van de antenne sterk afwijkt van de normale hoek, neemt de versterking af en wordt de golfvormvervorming zeer duidelijk. Daarom gebruikt de APY9 een combinatie van elektromechanische scanning om deze tekortkomingen te compenseren.

2*9 Yagi-antennelijnarray gebruikt door de E2D APY9-radar

De ontwikkeling van phased array-technologie heeft luchtvaartantennes naar een nieuw niveau getild.

De ontwikkeling van antennes is een microkosmos van de algehele technologische ontwikkeling van radar. Hoewel we op basis van het uiterlijk van de antenne geen conclusies kunnen trekken over de prestaties van een radarsysteem of de algehele prestaties ervan kunnen meten, richt de techniek zich vaak op de coördinatie en balans tussen de verschillende systemen. Als de algehele prestaties van een radarsysteem verbeterd moeten worden, mag de antenne daar niet onderdoen. In de toekomst zullen ingenieurs zich blijven richten op het oplossen van problemen zoals het scannen met een grote hoek van phased array-antennes (het uitbreiden van het huidige scanbereik van +60 graden), ultrabreedband, common aperture, conforme antennes, enzovoort, om de ontwikkeling van radarsystemen voor vliegtuigen te bevorderen.

Dit artikel is afkomstig van het internet. Mocht er sprake zijn van inbreuk op auteursrechten of andere problemen, neem dan contact met ons op zodat we het kunnen verwijderen.Steun de bescherming van intellectuele eigendomsrechten; vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur.