От параболоида до фазированной антенной решетки: краткая история развития бортовых радиолокационных антенн.

По мере изменения потребностей войны и развития науки и техники «ценность» воздушного боя постоянно растет. Типичным примером является разработка бортовых радиолокационных станций для истребителей. С точки зрения внешнего вида, наиболее наглядным примером «эволюции» радиолокационного оборудования является изменение антенны. Кратко рассмотрим разработку антенн бортовых радиолокационных станций.

Авиационные радары эволюционировали от простых функций воздушного поиска и определения дальности на ранних этапах до современных, учитывающих не только поиск, сопровождение и управление огнем на больших территориях, но и наземную съемку и картографирование, получение изображений с помощью радаров и другие многофункциональные возможности. В целом, для авиационных радаров требуются антенны с такими характеристиками, как высокое усиление (для увеличения дальности обнаружения), узкий луч (для повышения точности измерения углов) и низкий уровень боковых лепестков (для противодействия помехам). Простейшим вариантом является использование направленных антенн, таких как антенны Яги и параболические (с одним отражателем) антенны. Антенна Яги слишком велика, а параболическая антенна позволяет легче добиться низкого уровня боковых лепестков, чем антенна Яги. Поэтому в ранних авиационных радарах после холодной войны, как правило, использовались параболические антенны.

Параболическая антенна (антенна с одним рефлектором).В антеннах такого типа в качестве основной поверхности используется большой параболоид, а в центре перед основной поверхностью — рупор, служащий источником питания (прямое питание) (рупор также может быть смещен относительно центра, что называется смещенным питанием). Принцип работы антенны весьма схож с принципом работы параболического зеркала в оптике. Принцип работы заключается в том, что в режиме излучения сферические волны, излучаемые рупором, попадают на параболоид, а параболоид преобразует падающую от рупора сферическую волну в плоскую волну, заставляя её излучаться в свободное пространство. В режиме работы и приема основная отражающая поверхность фокусирует плоские волны, передаваемые в свободное пространство, называемые сферическими волнами, и «возвращает» их к источнику питания. Такая форма антенны несложна в изготовлении в X-диапазоне и ниже, имеет простую конструкцию и низкую стоимость. Однако недостатки также очевидны. Как правило, параболические антенны легко достигают высоких характеристик при высоком соотношении диаметра фокусного расстояния (отношение расстояния от рупора до отражающей поверхности к размеру основной отражающей поверхности), что приводит к увеличению общего профиля антенны и ее объема. Особенно при вращении и сканировании антенны целиком, она занимает много места в головке устройства, поэтому угол сканирования также относительно ограничен. Для решения этих трудностей была разработана конструкция с двойной отражающей поверхностью, называемая формой «Кассегрена».

Основной состав и принципиальная схема параболической антенны

Основной состав и принципиальная схема параболической антенны

Антенна радара SL1 (имитация советского типа РП-1/5), которым оснащен всепогодный вариант J-5A.

Антенна Кассегрена.Это усовершенствованная антенна по сравнению с одноотражательной антенной. По сравнению с одноотражательной антенной, добавление дополнительного отражателя позволяет оптимизировать электромагнитные волны, излучаемые динамиком, и обеспечить их более идеальное распределение, отражая их обратно на основной отражатель. Затем основной отражатель преобразует сферическую волну в плоскую и излучает её в свободное пространство. Преимущество этого заключается в повышении эффективности апертуры антенны, увеличении коэффициента усиления, значительном уменьшении отношения фокусного диаметра, уменьшении общего профиля антенны и снижении её размеров. Размещение приёмника и фидера на основной поверхности также способствует упрощению разводки проводов и снижению системного шума. Однако введение дополнительного отражателя также создаёт проблему увеличения экранирования основной поверхности, что, в свою очередь, снижает общий коэффициент усиления антенны и повышает уровень боковых лепестков.

Основной состав и принцип работы антенны Кассегрена

Радар «Орёл» истребителя-перехватчика Су-15 (РП-11)

Радар «Орёл» истребителя-перехватчика Су-15 (РП-11)

Для решения проблемы перекрытия суботражателя была предложена и широко используется в бортовых радиолокационных системах антенна, называемая инвертированной антенной Кассегрена. Инвертированная антенна Кассегрена, также известная как деформированная антенна Кассегрена, основана на антенне Кассегрена, в которой положение суботражателя изменено на поляризованный параболоид с сеткой, а положение основной поверхности — на поляризованную скрученную пластину. (Фактически, в инвертированной антенне с скрученной сеткой положение основной и вторичной поверхностей существенно отличается от такового в обычных антеннах Кассегрена.) Принцип работы существенно отличается от принципа работы антенн Кассегрена: рупорный питатель, расположенный в поляризационно-скрученной версии, излучает горизонтально линейно поляризованные электромагнитные волны, которые почти полностью отражаются от поляризационной сетки и превращают сферическую волну в плоскую, которая попадает на поляризационно-скрученную пластину сзади, «скручивая» горизонтальную поляризованную волну в вертикальную линейно поляризованную электромагнитную волну, которая передается от передней поляризационной сетки и излучается в свободное пространство. Вкратце, хотя луч, излучаемый перевернутой карточной антенной, отражается дважды, она отличается от обычной антенны Кассегрена тем, что в середине происходит процесс поляризационного искажения. Поляризационная сетка, расположенная перед антенной, блокирует только горизонтально поляризованные электромагнитные волны и практически не влияет на вертикально линейно поляризованные волны. Кстати, для борьбы с наземными помехами бортовые радиолокационные антенны в основном имеют вертикальную линейную поляризацию. Сканирование луча осуществляется путем соответствующего вращения поляризационной пластины. Таким образом, переворачиваемая карточная антенна решает проблему перекрытия под отражателем, а также позволяет немного сместить антенну и поляризационную сетку, дополнительно уменьшая общий профиль антенны. Благодаря своим уникальным преимуществам, переворачиваемые антенны очень популярны в телефонах второго поколения.

Принцип работы антенны типа «флип-карта» заключается в том, что передняя горизонтальная планка представляет собой поляризационную сетку. Поляризационная витая пластина расположена под углом 45 градусов на задней стороне.

Инвертированная карточная антенна, используемая радаром Sapphire-21, которым оснащен МиГ-21БИС. Обратите внимание, что поляризационная сетка не установлена.

Инвертированная антенна Кассегрена, используемая в радиолокационной системе истребителя Tornado AI-24.

В инвертированной карточной антенне, используемой радаром МиГ-25 «Торнадо А», отсутствует поляризационная сетка.

Примечательно также, что на инвертированной карточной антенне, используемой радаром n001 Су-27, отсутствует поляризационная сетка.

Инвертированная карточная антенна, используемая радаром n001 Су-27. Обратите внимание, что она находится в собранном виде, с установленной поляризационной сеткой.

Основные принципы работы вышеупомянутых антенн основаны на форме отражающих поверхностей, которые различаются в деталях, таких как наличие или отсутствие одинарных или двойных отражающих поверхностей, а также наличие или отсутствие поляризационного искажения. Путем регулирования расстояния излучателя от основной поверхности, настройки конусности освещения и т. д. легко достичь высокого коэффициента усиления и низкого уровня боковых лепестков. Удовлетворительные характеристики могут быть достигнуты и на начальных этапах. Тем не менее, хотя требования к обработке антенн, работающих в форме отражающих поверхностей, не высоки (для X-диапазона они относительно хороши, но сложность резко возрастает в более высоких частотных диапазонах), стоимость также приемлема. Однако с улучшением характеристик бортовых радаров к антенной части были выдвинуты новые требования, такие как больший угол сканирования, более низкий уровень боковых лепестков и реализация направленных лучей. К недостаткам перевернутых антенн относятся неизбежная утечка энергии (что приводит к снижению эффективности апертуры и потере усиления), серьезное искажение луча при сканировании (увеличение усиления главного лепестка, расширение главного луча и увеличение боковых лепестков), а также постоянный вес антенны. Поэтому все считают, что самолеты третьего поколения, стремящиеся к господству в воздухе: МиГ-29 и Су-27, оба использовали перевернутые антенны Кассегрена на ранних этапах своего развития, что выглядит несколько неуклюже.

Известно, что для удовлетворения требований бортовых радаров к высокому коэффициенту усиления, узкому лучу и низким боковым лепесткам ранее использовались параболические антенны из-за их простой конструкции. Существует также антенна, которая немного сложнее по форме, но обладает лучшими характеристиками, — это планарная антенная решетка. Планарная антенная решетка — это типичная антенная решетка. От десятков до сотен или даже тысяч небольших антенных элементов равномерно расположены на поверхности решетки в соответствии с определенными правилами и интервалами. Отдельный антенный элемент может иметь очень широкий луч и низкий коэффициент усиления, но благодаря совместной работе многочисленных антенных элементов на антенной решетке можно достичь очень высокого коэффициента усиления, узкого луча и даже сверхнизких боковых лепестков (позже ее можно модернизировать до планарной фазированной решетки). Поэтому, благодаря своим превосходным характеристикам, планарные антенные решетки быстро заменили отражательные антенны и стали основным типом антенн в различных бортовых радиолокационных системах третьего, третьего и четвертого поколений. Сегодня в передовых бортовых радарах, фазированных радиолокационных системах, почти все используются планарные антенные решетки.

К распространенным планарным антенным решеткам относятся щелевые волноводные (плоские) решетки, открытые волноводные решетки, дипольные решетки, антенные решетки Вивальди, микрополосковые патч-антенные решетки и т. д.

Щелевая волноводная решетка — распространенная структура передачи микроволнового излучения. На поверхности волновода открываются щели, позволяющие использовать каждую небольшую щель в качестве антенны для излучения электромагнитных волн. Ее преимущество заключается в согласовании структуры питания и большой мощности. Щелевые волноводы, распространяющиеся в воздухе, выглядят так, будто вырезаны в плоской пластине, поэтому их иногда называют щелевыми решетками.

В радаре APY1, используемом компанией E3, применяется волноводная щелевая антенная решетка.

Плоская щелевая антенная решетка, используемая радаром APG63 истребителя F15, имеет элемент антенны (решетку) системы «свой-чужой», выступающий по периметру.

 Плоская щелевая антенная решетка, используемая радаром APG63 истребителя F15, имеет элемент антенны (решетку) системы «свой-чужой», выступающий по периметру.

Плоская щелевая антенная решетка, используемая радаром APG66 на самолете F16A/B.

Аналогична этому открытая волноводная антенная решетка. В открытом волноводе также используется волноводная структура, но вместо щелей и прорезей она напрямую использует поверхность устья волновода для излучения электромагнитных волн. Поскольку этот тип открытого волновода имеет несколько большее поперечное сечение и больший вес, он чаще используется в наземных или корабельных радарах и редко применяется в бортовых радарах.

Описанная выше структура, использующая волноводы для питания и излучения, способствует согласованию антенны, а её большая мощность является существенным преимуществом. Однако полоса пропускания антенны часто ограничена, а вес трудно контролировать. Впоследствии в бортовых радиолокационных системах постепенно стали использоваться многие новые конструкции.

В действительности, в конце холодной войны, для достижения более высокой скорости сканирования и повышения производительности бортовых радаров (например, одновременный поиск, сопровождение, управление огнем, наведение, обнаружение наземных объектов и т. д.), инженеры использовали фазированные антенные решетки, и это до сих пор считается передовой технологией. Внешний вид фазированной антенной решетки мало чем отличается от обычной планарной антенной решетки. Ее можно даже просто понимать как модификацию структуры питания на основе обычной планарной антенной решетки, сканируемой машинным способом (передающий/приемный блок и алгоритм обработки сигнала, конечно, сильно изменятся). Добавив фазовращатель к задней части антенного блока, можно получить пассивную фазированную антенную решетку (PESA). Если фазовращатель не нужен, и добавление передатчика позволяет получить активную фазированную антенную решетку (AESA). Для инженеров-антеннистов одна и та же антенная решетка может использоваться как для AESA, так и для PESA. Поэтому планарные антенные решетки имеют большой потенциал для модернизации до фазированных антенных решеток.

Радары, модернизированные с использованием антенн AESA, обладают большей мощностью передачи, большей дальностью обнаружения, более чувствительным сканированием луча и более мощными функциями формирования луча. Кроме того, проще получить средний боковой лепесток -50 или -60 дБ.

В качестве примера рассмотрим F22. В радарах с активной фазированной антенной решеткой (АФАР) этого нового поколения истребителей-невидимок часто используются дипольные антенные решетки (на рисунке показана зонтичная дипольная решетка, используемая радаром APG77 на F22). В этом устройстве используется дипольная антенна, обладающая широкополосными характеристиками. Диаграмма направленности широкая, что позволяет легко осуществлять сканирование под большим углом.

Радиолокационная антенна APG77 истребителя F22

Выступающий спереди элемент легко можно принять за компонент TR. Строго говоря, это фактически поверхность антенны. Компонент TR подключен с задней стороны антенны (хотя сейчас компонент TR обычно обрабатывается вместе с антенной, здесь он все же рассматривается отдельно).

В новом истребителе Rafale используется радар RBE2 AESA (как показано на рисунке ниже), в котором применяется антенная решетка Вивальди. Этот тип антенного блока характеризуется особенно широкой полосой пропускания, что позволяет расширить полосу пропускания всей антенной решетки.

РБЕ2 АФАР

РБЕ2 АФАР

Конечно, есть и более специфические варианты. Например, радар APY9, используемый на самолете раннего предупреждения E2D (см. ниже), использует антенну Яги. Поскольку длина волны электромагнитных волн в УВЧ-диапазоне, который он использует, велика, размеры его антенны очень ограничены. Для получения более узкого луча и высокого коэффициента усиления необходимо сузить луч антенной решетки, поэтому антенна Яги стала идеальным выбором. В качестве элемента высокоэффективная антенна Яги может значительно повысить коэффициент усиления антенной решетки. Но все относительно. Узкий луч антенны Яги значительно ограничивает возможности широкоугольного сканирования решетки. Когда угол сканирования антенны сильно отклоняется от нормы, коэффициент усиления снижается, и искажение формы сигнала становится очень заметным. Поэтому APY9 использует комбинацию электромеханического сканирования для компенсации этих недостатков.

Линейная антенная решетка Яги 2*9, используемая радаром E2D APY9.

Именно развитие технологии фазированных антенных решеток вывело бортовые антенны на новый уровень.

Разработка антенн является микрокосмосом общего технологического развития радиолокации. Хотя мы не можем делать выводы о характеристиках радара или измерять его общую эффективность, основываясь только на внешнем виде антенны, инженеры часто сосредотачиваются на координации и балансе между системами. Если общая эффективность радиолокационной системы улучшена, то и антенна не может быть хуже. В будущем инженеры будут продолжать преодолевать такие проблемы, как широкоугольное сканирование фазированных антенных решеток (расширение существующего диапазона сканирования до +60 градусов), сверхширокополосность, общая апертура, конформность и т.д., чтобы способствовать развитию бортовых радиолокационных систем.

Данная статья взята из интернета. В случае обнаружения каких-либо нарушений или других нарушений, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления статьи.Поддержите защиту прав интеллектуальной собственности, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке.