Od anten paraboloidalnych do anten z antenami fazowanymi: krótka historia rozwoju anten radarów pokładowych

Wraz ze zmianą potrzeb wojennych oraz postępem nauki i technologii, „złota zawartość” w walce powietrznej staje się coraz większa. Typowym przykładem jest rozwój radarów pokładowych samolotów myśliwskich. Z punktu widzenia wyglądu, najbardziej intuicyjnym elementem „ewolucji” sprzętu radarowego jest zmiana anteny. Omówmy pokrótce rozwój anten radarów pokładowych.

Radar pokładowy ewoluował od prostych funkcji wyszukiwania i pomiaru odległości w powietrzu we wczesnych latach, do dziś, biorąc pod uwagę nie tylko wyszukiwanie, śledzenie i kierowanie ogniem na dużym obszarze, ale także pomiary naziemne i mapowanie, obrazowanie sar i inne wielofunkcyjne funkcje. Ogólnie rzecz biorąc, radar pokładowy wymaga anten o takich cechach, jak wysoki zysk (w celu zwiększenia zasięgu wykrywania), wąska wiązka (w celu zwiększenia dokładności pomiaru kąta) i niskie listki boczne (w celu odporności na zakłócenia). Osiąga również wysoki zysk i wąską wiązkę. Najprostszym rozwiązaniem jest użycie anten kierunkowych, takich jak anteny Yagi i anteny paraboliczne (z pojedynczym reflektorem). Antena Yagi jest zbyt duża, a antena paraboliczna jest łatwiejsza do uzyskania niskich listków bocznych niż antena Yagi. Dlatego wczesne radary pokładowe po zimnej wojnie generalnie przyjęły formę anten parabolicznych.

Antena paraboliczna (pojedyncza antena reflektorowa).Ten rodzaj anteny wykorzystuje większą parabolę jako powierzchnię główną oraz tubę w centrum, przed powierzchnią główną, jako źródło sygnału (zasilanie do przodu) (tubę można również odchylić od położenia środkowego, co nazywa się zasilaniem offsetowym). Zasada działania jest bardzo podobna do zwierciadła parabolicznego w optyce. Zasada działania polega na tym, że gdy antena pracuje w trybie promieniowania, fale sferyczne emitowane przez tubę trafiają w parabolę, a paraboloida przekształca falę sferyczną padającą z tuby w falę płaską, powodując jej promieniowanie w przestrzeń kosmiczną. W trybie pracy i odbioru główna powierzchnia odbijająca skupia fale płaskie transmitowane w przestrzeni kosmicznej, zwane falami sferycznymi, i „odsyła” je do głośnika. Ten rodzaj anteny nie jest trudny do przetwarzania w paśmie X i niższym, ma prostą konstrukcję i jest tani. Jednak wady są również oczywiste. Ponieważ zazwyczaj anteny paraboliczne łatwo osiągają wysoką wydajność, gdy stosunek średnicy ogniskowej (stosunek odległości od tuby do powierzchni odbijającej do rozmiaru głównej powierzchni odbijającej) jest wysoki, ogólny profil anteny jest wyższy, a objętość większa. Zwłaszcza gdy antena jest obracana i skanowana jako całość, zajmuje dużo miejsca w głowicy, więc jej kąt skanowania jest również stosunkowo ograniczony. Aby rozwiązać te problemy, opracowano podwójną powierzchnię odbijającą, zwaną kształtem „Cassegraina”.

Podstawowy skład i schemat działania anteny parabolicznej

Podstawowy skład i schemat działania anteny parabolicznej

Antena radaru SL1 (imitacja radzieckiego typu RP-1/5) wyposażona w wersję całoroczną J-5A

Antena Cassegraina.Jest to udoskonalona antena z pojedynczym reflektorem. W porównaniu z anteną z pojedynczym reflektorem, dodany subreflektor może początkowo zoptymalizować fale elektromagnetyczne emitowane przez głośnik i nadać im bardziej idealny rozkład, odbijając je z powrotem do głównego reflektora. Główny reflektor przekształca następnie ukształtowaną falę sferyczną w falę płaską i promieniuje ją w przestrzeń. Zaletą tego rozwiązania jest to, że może ono poprawić wydajność apertury anteny, zwiększyć zysk, znacznie zmniejszyć stosunek średnicy ogniskowej, zmniejszyć ogólny profil anteny i zmniejszyć jej rozmiar. Po umieszczeniu odbiornika i przewodu zasilającego na głównej powierzchni, jest to bardziej sprzyjające dla układu okablowania systemu i redukuje szumy systemu. Jednak wprowadzenie subreflektora spowoduje również problem zwiększonego ekranowania głównej powierzchni, co z kolei zmniejszy całkowity zysk anteny i zwiększy poziom listków bocznych.

Podstawowy skład i zasada działania anteny Cassegraina

Radar „Orzeł” samolotu przechwytującego Su-15 (РП-11)

Radar „Orzeł” samolotu przechwytującego Su-15 (РП-11)

Aby rozwiązać problem okluzji subreflektora, zaproponowano antenę zwaną odwróconą anteną Cassegraina, szeroko stosowaną w radarach pokładowych. Odwrócona antena Cassegraina, znana również jako zdeformowana antena Cassegraina, bazuje na antenie Cassegraina i zmienia położenie subreflektora w spolaryzowaną siatkę paraboloidalną, a położenie powierzchni głównej w spolaryzowaną, skręconą płytkę. (W rzeczywistości w odwróconej antenie kartowej położenie powierzchni głównej i wtórnej jest oczywiście inne niż w zwykłych antenach Cassegraina.) Zasada działania jest zupełnie inna niż w antenach Cassegraina: tuba umieszczona w wersji o skręconej polaryzacji emituje fale elektromagnetyczne spolaryzowane poziomo liniowo, które są skierowane do przodu. Siatka polaryzacyjna prawie całkowicie odbija się z powrotem i zamienia falę kulistą w falę płaską, która uderza w płytkę skręcającą polaryzację z tyłu, „skręcając” falę polaryzacji poziomej w pionową falę elektromagnetyczną spolaryzowaną liniowo, która jest przesyłana z przedniej siatki polaryzacyjnej i wypromieniowywana w wolną przestrzeń. Krótko mówiąc, chociaż wiązka emitowana przez odwróconą antenę kartową została odbita dwukrotnie, różni się ona od zwykłej anteny Cassegraina tym, że w środku zachodzi proces skręcania polaryzacji. Siatka polaryzacyjna umieszczona przed anteną blokuje tylko fale elektromagnetyczne spolaryzowane poziomo i prawie nie ma wpływu na fale spolaryzowane pionowo liniowo. Nawiasem mówiąc, aby przeciwdziałać zakłóceniom naziemnym, anteny radarów pokładowych to w większości anteny pionowe o polaryzacji liniowej. Przeszukiwanie wiązki odbywa się poprzez odpowiednie obracanie płytki skrętnej polaryzacji. Antena typu flip-card rozwiązuje zatem problem okluzji subreflektora, a także może nieznacznie przesunąć siatkę zasilania i polaryzacyjną, dodatkowo redukując ogólny profil anteny. Ze względu na swoje unikalne zalety, anteny typu flip-up są bardzo popularne w telefonach drugiej generacji.

Zasada działania anteny typu flip-card polega na tym, że przedni poziomy pręt jest siatką polaryzacyjną. Spolaryzowana płytka skrętna jest ustawiona pod kątem 45 stopni z tyłu.

Odwrócona antena kartowa używana przez radar Sapphire-21 wyposażony w MiG-21BIS. Należy pamiętać, że siatka polaryzacyjna nie jest zainstalowana.

Odwrócona antena Cassegraina stosowana w systemie radarowym AI-24 myśliwca Tornado

Antena kartowa odwrócona używana przez radar Mig25 Tornado A nie ma zainstalowanej siatki polaryzacyjnej.

Warto również zwrócić uwagę na odwróconą antenę kartową, wykorzystywaną przez radar n001 samolotu Su27, której powierzchnia siatki polaryzacyjnej nie jest zamontowana.

Odwrócona antena kartowa używana przez radar N001 Su-27. Warto zauważyć, że jest ona w stanie kompletnym, z zainstalowaną siatką polaryzacyjną.

Podstawowe zasady działania wyżej wymienionych anten opierają się na kształcie powierzchni odbijających, które różnią się szczegółami, takimi jak to, czy są to pojedyncze, czy podwójne powierzchnie odbijające, czy też czy występuje skręcenie polaryzacji. Kontrolując odległość głośnika od powierzchni głównej, regulując stożek oświetlenia itp., łatwo jest uzyskać wysoki zysk i niskie listki boczne. Zadowalającą wydajność można również osiągnąć na wczesnych etapach. Niemniej jednak, chociaż wymagania dotyczące przetwarzania dla anten działających w formie powierzchni odbijających nie są wysokie (pasmo X jest stosunkowo dobre, ale trudność gwałtownie wzrasta w wyższych pasmach częstotliwości), koszt jest również akceptowalny. Jednak wraz z poprawą wydajności radarów pokładowych pojawiły się również nowe wymagania dotyczące części antenowej, takie jak większy kąt skanowania, niższe listki boczne i realizacja wiązek kształtowanych. Do nieodłącznych wad anten typu flip-card należą: stały wyciek energii (co powoduje spadek wydajności apertury i utratę wzmocnienia), poważne zniekształcenia wiązki podczas skanowania (zmniejszenie wzmocnienia listka głównego, poszerzenie wiązki głównej i uniesienie listków bocznych) oraz problem dużej masy anteny. Dlatego wszyscy myślą, że samoloty trzeciej generacji, które dążą do przejęcia dominacji w powietrzu: MiG-29 i Su-27, w początkowym okresie korzystały z odwróconych anten Cassegraina, co wydaje się nieco kiepsko wykonane.

Wiemy, że aby sprostać wymaganiom radarów pokładowych o wysokim zysku, wąskiej wiązce i niskich listkach bocznych, wcześniej stosowano anteny paraboliczne ze względu na ich prostą konstrukcję. Istnieje również antena o nieco bardziej złożonej formie, ale o lepszych parametrach – antena planarna. Antena planarna to typowa antena typu „schemat”. Od dziesiątek do setek, a nawet tysięcy małych anten jednostkowych, są one równomiernie rozmieszczone na powierzchni szyku, zgodnie z określonymi zasadami i odstępami. Pojedyncza antena jednostkowa może mieć bardzo szeroką wiązkę i niski zysk, ale dzięki współpracy wielu anten jednostkowych w szyku antenowym można uzyskać bardzo wysoki zysk, wąską wiązkę, a nawet ultraniskie listki boczne (później można ją nawet zmodernizować do płaskiego szyku fazowanego). Dlatego też, dzięki swojej doskonałej wydajności, anteny planarne szybko zastąpiły anteny powierzchniowe odbijające i stały się głównym nurtem w różnych systemach radarowych pokładowych trzeciej, zmodyfikowanej trzeciej i czwartej generacji. Dzisiejsze zaawansowane radary pokładowe, radary z układem fazowanym, prawie wszystkie wykorzystują anteny planarne.

Do powszechnie stosowanych anten planarnych zalicza się anteny szczelinowe z falowodami (płaskimi płytami), anteny otwarte z falowodami, anteny dipolowe, anteny Vivaldi, anteny paskowe typu microstrip itp.

Macierz szczelin falowodowych to powszechna struktura transmisji mikrofalowej. Na powierzchni falowodu otwierane są szczeliny (szczeliny), dzięki czemu mała szczelina staje się anteną do promieniowania fal elektromagnetycznych. Ma ona tę zaletę, że pasuje do struktury zasilania i charakteryzuje się dużą pojemnością. Szczeliny falowodów w powietrzu wyglądają jak wycięte w płaskiej płycie, dlatego czasami nazywa się je płaskimi macierzami szczelin.

Radar APY1 używany przez E3 wykorzystuje antenę szczelinową z falowodem

Płaska antena szczelinowa używana przez radar APG63 samolotu F15 posiada wystający z obwodu element antenowy systemu identyfikacji IFF.

 Płaska antena szczelinowa używana przez radar APG63 samolotu F15 posiada wystający z obwodu element antenowy systemu identyfikacji IFF.

Płaska matryca szczelinowa używana przez radar APG66 samolotu F16A/B

Podobna jest antena z otwartym układem falowodów. Otwarty falowód również wykorzystuje strukturę falowodu, ale zamiast szczelin i szczelin, wykorzystuje bezpośrednio powierzchnię wlotową falowodu do emisji fal elektromagnetycznych. Ponieważ ten typ otwartego falowodu ma nieco większy przekrój poprzeczny i jest cięższy, jest częściej stosowany w radarach lądowych i okrętowych, a rzadziej w radarach pokładowych.

Powyższa konstrukcja, wykorzystująca falowody do zasilania i promieniowania, sprzyja dopasowaniu anten, a jej duża moc jest istotną zaletą. Jednak pasmo przenoszenia anteny jest często ograniczone, a kontrola nad masą jest trudna. W rezultacie wiele nowatorskich rozwiązań zostało stopniowo zastosowanych w lotniczych systemach radarowych.

W rzeczywistości, w późnym okresie zimnej wojny, w celu osiągnięcia szybszej prędkości skanowania i wydajniejszej wydajności radarów pokładowych (takich jak jednoczesne wyszukiwanie, śledzenie, kontrola ognia, naprowadzanie, wykrywanie naziemne itp.), inżynierowie stosowali anteny z fazowanym układem antenowym dla radarów pokładowych i nadal jest to uważane za zaawansowaną technologię. Wygląd anteny z fazowanym układem antenowym nie różni się zbytnio od zwykłej anteny z płaskim układem antenowym. Można ją nawet po prostu zrozumieć jako modyfikację struktury zasilania opartej na zwykłej antenie z płaskim układem antenowym skanowanej maszynowo (nadajnik/odbiornik i algorytm przetwarzania sygnału oczywiście znacznie się zmienią). Dodając przesuwnik fazy do tylnego końca jednostki antenowej, można uzyskać pasywną antenę z fazowanym układem antenowym (PESA). Jeśli nie podoba Ci się przesuwnik fazy i dodanie komponentu TR, możesz uzyskać aktywną antenę z fazowanym układem antenowym (AESA). Dla inżynierów antenowych ten sam układ antenowy może być używany zarówno dla AESA, jak i PESA. Dlatego anteny z płaskim układem antenowym mają duży potencjał modernizacji do anten z fazowanym układem antenowym.

W przypadku radarów zmodernizowanych do anten AESA, charakteryzują się one większą mocą nadawania, większym zasięgiem detekcji, bardziej czułym skanowaniem wiązki i wydajniejszymi funkcjami kształtowania wiązki. Łatwiej jest również uzyskać średni listek boczny na poziomie -50 lub -60 dB.

Weźmy na przykład F22. Radar AESA tej nowej generacji myśliwców stealth lubi wykorzystywać anteny dipolowe (na zdjęciu widać parasolową antenę dipolową używaną przez radar APG77 F22). Urządzenie wykorzystuje antenę dipolową o charakterystyce szerokopasmowej. Charakterystyka wiązki jest szeroka, co ułatwia skanowanie pod dużym kątem.

Antena radarowa APG77 samolotu F22

Ten wystający z przodu można łatwo pomylić z elementem TR. Ściśle rzecz biorąc, jest to w rzeczywistości powierzchnia anteny. Element TR jest podłączony za anteną (chociaż obecnie element TR jest zazwyczaj przetwarzany w jedną całość z anteną, nadal jest to omówione osobno).

Radar RBE2 AESA zastosowany w nowym Rafale (widoczny na zdjęciu poniżej) wykorzystuje antenę Vivaldi. Ten typ anteny charakteryzuje się szczególnie szerokim pasmem, co pozwala na rozszerzenie pasma całego układu antenowego.

RBE2 AESA

RBE2 AESA

Oczywiście istnieją pewne, które są bardziej wyjątkowe. Na przykład radar APY9 używany przez samolot wczesnego ostrzegania E2D poniżej wykorzystuje antenę Yagi jako jednostkę. Ponieważ długość fali elektromagnetycznej w używanym przez niego paśmie UHF jest długa, rozmiar jego anteny jest bardzo ograniczony. Aby uzyskać bardziej idealną wąską wiązkę i wysoki zysk, wiązka jednostki antenowej musi zostać zawężona, dlatego antena Yagi stała się idealnym wyborem. Jako jednostka, antena Yagi o wysokim zysku może znacznie poprawić zysk szyku. Ale rzeczy zawsze są względne. Wąska wiązka jednostki anteny Yagi znacznie ogranicza zdolność szerokokątnego skanowania szyku. Gdy kąt skanowania anteny znacznie odbiega od normy, wzmocnienie spada, a zniekształcenie kształtu fali staje się bardzo widoczne. Dlatego APY9 wykorzystuje kombinację skanowania elektromechanicznego, aby zrekompensować niedociągnięcia.

2*9-jednostkowa antena liniowa Yagi używana przez radar E2D APY9

Rozwój technologii anten fazowanych przeniósł anteny lotnicze na nowy poziom.

Rozwój anten stanowi mikrokosmos ogólnego rozwoju technologicznego radarów. Chociaż nie możemy wyciągać wniosków na temat wydajności radaru ani mierzyć jego ogólnej wydajności na podstawie wyglądu anteny, inżynieria często koncentruje się na koordynacji i równowadze między systemami. Jeśli ogólna wydajność systemu radarowego jest zaawansowana, antena nie może być gorsza. W przyszłości inżynierowie będą nadal pokonywać problemy, takie jak szerokokątne skanowanie anten z fazowanymi szykami (rozszerzające obecny zakres skanowania o +60 stopni), ultraszerokopasmowe, o wspólnej aperturze, konforemne itp., aby promować rozwój lotniczych systemów radarowych.

Ten artykuł pochodzi z „Internetu”. W przypadku naruszenia praw autorskich lub innych problemów prosimy o kontakt w celu jego usunięcia.W celu wsparcia ochrony praw własności intelektualnej prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przy przedruku.