Paraboloidden faz dizili antene: Hava radar antenlerinin gelişiminin kısa bir tarihi

Savaşın ihtiyaçları değiştikçe ve bilim ve teknoloji ilerledikçe, hava muharebesinin "altın değeri" giderek artmaktadır. Savaş uçaklarında kullanılan havadan radar sistemlerinin gelişimi bunun tipik bir örneğidir. Görünüş açısından, radar ekipmanının "evriminin" en sezgisel kısmı antenlerdeki değişimdir. Havadan radar antenlerinin gelişiminden kısaca bahsedelim.

Hava radarı, ilk zamanlardaki basit hava arama ve menzil belirleme işlevlerinden, günümüzde sadece geniş bir alanda arama, izleme ve ateş kontrolü yönlendirmesini değil, aynı zamanda yer ölçümü ve haritalama, SAR görüntüleme ve diğer çok fonksiyonlu işlevleri de dikkate alan bir yapıya evrilmiştir. Genel olarak, hava radarı, yüksek kazanç (algılama menzilini artırmak için), dar ışın (açı ölçüm doğruluğunu artırmak için) ve düşük yan loblar (parazite karşı direnç göstermek için) gibi özelliklere sahip antenler gerektirir. Yüksek kazanç ve dar ışın elde etmek için en basit yöntem, Yagi antenleri ve parabolik (tek reflektörlü) antenler gibi yönlü antenler kullanmaktır. Yagi anteni çok büyüktür ve parabolik anten, Yagi antenine göre düşük yan loblar elde etmeyi daha kolaylaştırır. Bu nedenle, Soğuk Savaş sonrası ilk hava radarları genellikle parabolik anten formunu benimsemiştir.

Parabolik anten (tek reflektörlü anten).Bu tür antenler, ana yüzey olarak daha büyük bir paraboloid ve ana yüzeyin önünde, merkezde bir boynuz (ön besleme) kullanır (boynuz merkez konumundan sapabilir, buna ofset besleme denir). Çalışma prensibi, optikteki parabolik aynaya oldukça benzer. Çalışma prensibi şöyledir: Anten radyasyon modunda çalışırken, boynuz tarafından yayılan küresel dalgalar paraboloide çarpar ve paraboloid, boynuzdan gelen küresel dalgayı düzlem dalgaya dönüştürerek serbest uzaya yayılmasına neden olur. Çalışma ve alım modunda ise, ana yansıtıcı yüzey, serbest uzayda iletilen düzlem dalgaları (küresel dalgalar olarak adlandırılır) bir araya getirir ve bunları besleme hoparlörüne "geri gönderir". Bu anten formu, X bandında ve altında işlenmesi kolaydır, basit bir yapıya sahiptir ve maliyeti düşüktür. Ancak dezavantajları da açıktır. Genellikle parabolik antenlerde odak çapı oranı (boynuzdan yansıtıcı yüzeye olan mesafenin ana yansıtıcı yüzeyin boyutuna oranı) yüksek olduğunda yüksek performans elde etmek kolay olduğundan, antenin genel profili daha yüksek ve hacmi daha büyüktür. Özellikle anten döndürüldüğünde ve bir bütün olarak tarandığında, makine kafasında çok yer kaplar, bu nedenle tarama açısı da nispeten sınırlıdır. Bu zorlukları çözmek için "Cassegrain" formu adı verilen çift yansıtıcı yüzey ortaya çıkmıştır.

Parabolik antenin temel yapısı ve çalışma şeması

Parabolik antenin temel yapısı ve çalışma şeması

Sovyet РП-1/5 tipinin taklidi olan SL1 radarının, J-5A her türlü hava koşuluna uygun versiyonuyla donatılmış anteni.

Cassegrain anteni.Bu, tek reflektörlü anten formundan geliştirilmiş bir antendir. Tek reflektörlü antenle karşılaştırıldığında, eklenen alt reflektör, hoparlör tarafından yayılan elektromanyetik dalgaları başlangıçta optimize edebilir ve daha ideal bir dağılım sağlayarak ana reflektöre geri yansıtır. Ana reflektör daha sonra şekillendirilmiş küresel dalgayı düzlem dalgaya dönüştürür ve serbest alana yayar. Bunun avantajı, anten açıklığının verimliliğini artırması, kazancı artırması, odak çapı oranını büyük ölçüde azaltması, antenin genel profilini küçültmesi ve boyutunu küçültmesidir. Alıcı ve besleyici de ana yüzeyde olduğundan, sistem kablolama düzenine daha elverişlidir ve sistem gürültüsünü azaltır. Bununla birlikte, alt reflektörün eklenmesi, ana yüzeyin artan kalkanlanması sorununu da beraberinde getirecek, bu da antenin genel kazancını azaltacak ve yan lob seviyesini artıracaktır.

Cassegrain anteninin temel bileşimi ve çalışma prensibi

Su-15 önleme uçağının (РП-11) "Kartal" radarı

Su-15 önleme uçağının (РП-11) "Kartal" radarı

Alt reflektör tıkanması sorununu çözmek için, ters Cassegrain anteni adı verilen bir anten önerilmiş ve hava radarlarında yaygın olarak kullanılmıştır. Ters Cassegrain, aynı zamanda deforme Cassegrain anteni olarak da bilinir. Cassegrain antenine dayanarak, alt reflektörün konumunu polarize bir ızgara paraboloidine ve ana yüzeyin konumunu polarize bükülmüş bir plakaya dönüştürür. (Aslında, ters çevrilmiş kart anteninde, ana ve ikincil yüzeylerin konumları, sıradan Cassegrain antenlerinden açıkça farklıdır.) Çalışma prensibi Cassegrain antenlerinden oldukça farklıdır: Polarizasyon bükülmüş versiyonda bulunan korna beslemesi, öndeki polarizasyon ızgarasına neredeyse tamamen yansıyan ve küresel dalgayı düzlem dalgaya dönüştüren yatay doğrusal polarize elektromanyetik dalgalar yayar. Bu düzlem dalga, arkadaki polarizasyon bükme plakasına çarparak yatay polarizasyon dalgasını dikey doğrusal polarize elektromanyetik dalgaya "büker" ve bu dalga öndeki polarizasyon ızgarasından iletilerek serbest uzaya yayılır. Kısacası, ters çevrilmiş kart beslemesi tarafından yayılan ışın iki kez yansıtılmış olsa da, ortada bir polarizasyon bükme işlemi olması bakımından sıradan Cassegrain anteninden farklıdır. Antenin önünde bulunan polarizasyon ızgarası sadece yatay polarize elektromanyetik dalgaları engeller ve dikey doğrusal polarize dalgalar üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktur. Bu arada, yerdeki paraziti önlemek için, hava radarı antenleri çoğunlukla dikey doğrusal polarize antenlerdir. Polarizasyon bükme plakasını uygun şekilde döndürerek ışın taraması sağlanır. Bu nedenle, katlanabilir anten, alt reflektör tıkanması sorununu çözer ve ayrıca besleme ve polarizasyon ızgarasını hafifçe kaydırarak genel anten profilini daha da küçültebilir. Eşsiz avantajları nedeniyle, katlanabilir antenler ikinci nesil telefonlarda çok popülerdir.

Flip-card antenin çalışma prensibi, ön yatay çubuğun polarizasyon ızgarası olmasıdır. Polarize edilmiş bükümlü plaka, arkada 45 derecelik bir açıyla yerleştirilmiştir.

MiG-21BIS uçağına monte edilmiş Sapphire-21 radarının kullandığı ters çevrilmiş kart anteni. Polarizasyon ızgarasının takılı olmadığına dikkat edin.

Tornado savaş uçağının AI-24 radar sisteminde kullanılan ters Cassegrain anteni.

Mig25 Tornado A radarında kullanılan ters çevrilmiş kart anteninde polarizasyon ızgarası bulunmamaktadır.

Su27'nin n001 radarında kullanılan ters çevrilmiş kart antenin polarizasyon ızgara yüzeyinin takılı olmaması da dikkat çekicidir.

Su27'nin n001 radarında kullanılan ters çevrilmiş kart anteni. Polarizasyon ızgarası takılı halde, eksiksiz bir durumdadır.

Yukarıda bahsedilen antenlerin temel çalışma prensipleri, tek veya çift yansıtıcı yüzey olup olmamaları, polarizasyon bükülmesinin olup olmaması gibi ayrıntılarda farklılık gösteren yansıtıcı yüzeylerin şekline dayanmaktadır. Hoparlörün ana yüzeyden uzaklığını kontrol ederek, aydınlatma eğimini ayarlayarak vb. yüksek kazanç ve düşük yan loblar elde etmek kolaydır. İlk aşamalarda da tatmin edici performans elde edilebilir. Bununla birlikte, yansıtıcı yüzeyler şeklinde çalışan antenler için işleme gereksinimleri yüksek olmasa da (X bandı nispeten iyidir, ancak daha yüksek frekans bantlarında zorluk keskin bir şekilde artar), maliyet de kabul edilebilir düzeydedir. Ancak, havadan radar performansının iyileşmesiyle birlikte, anten kısmı için daha büyük tarama açısı, daha düşük yan loblar ve şekillendirilmiş ışınların gerçekleştirilmesi gibi yeni gereksinimler de ortaya çıkmıştır. Flip-card antenlerin doğasında bulunan kusurlar arasında, her zaman enerji sızıntısı olması (bu da açıklık verimliliğinde azalmaya ve kazanç kaybına neden olur), tarama sırasında ciddi ışın bozulması (ana lob kazancı azalır, ana ışın genişler ve yan loblar yükselir) ve her zaman ağır anten ağırlığı sorunu yer alır. Bu nedenle, hava üstünlüğünü ele geçirmek isteyen üçüncü nesil uçaklar olan MiG-29 ve Su-27'nin her ikisinin de ilk zamanlarda ters Cassegrain antenleri kullanması biraz eski moda görünmektedir.

Yüksek kazanç, dar ışın ve düşük yan lob gereksinimlerini karşılamak için, basit yapıları nedeniyle daha önce parabolik antenlerin kullanıldığını biliyoruz. Şekil olarak biraz daha karmaşık ancak daha iyi performansa sahip bir anten daha vardır; bu da düzlemsel dizi antenidir. Düzlemsel dizi anteni, tipik bir dizi antenidir. Onlarca, yüzlerce hatta binlerce küçük ünite anteni, belirli kurallara ve aralıklara göre dizi yüzeyine eşit olarak yerleştirilir. Tek bir ünite anteni çok geniş bir ışına ve düşük kazanıma sahip olabilir, ancak anten dizisindeki çok sayıda ünite anteninin birlikte çalışmasına dayanarak, çok yüksek kazanç, dar ışın ve hatta ultra düşük yan loblar elde edilebilir (daha sonra düzlemsel faz dizili antene bile yükseltilebilir). Bu nedenle, mükemmel performansı nedeniyle, düzlemsel dizi antenleri yansıtıcı yüzey antenlerinin yerini hızla aldı ve çeşitli üçüncü nesil, üçüncü nesil modifiye ve dördüncü nesil hava radar sistemlerinde ana akım haline geldi. Günümüzün gelişmiş hava radarları, faz dizili radarları, neredeyse tamamı düzlemsel dizi antenleri kullanmaktadır.

Yaygın düzlemsel dizi antenler arasında dalga kılavuzu (düz plaka) yuvalı dizi, açık dalga kılavuzu dizisi, dipol dizisi, Vivaldi anten dizisi, mikroşerit yama anten dizisi vb. bulunur.

Dalga kılavuzu yarık dizisi, yaygın bir mikrodalga iletim yapısıdır. Dalga kılavuzunun yüzeyinde yarıklar (yuvalar) açılır ve bu küçük yarıklar elektromanyetik dalgalar yaymak için bir anten görevi görür. Besleme yapısıyla uyumlu olması ve yüksek güç kapasitesine sahip olması avantajına sahiptir. Havada bulunan dalga kılavuzu yarıkları düz bir plakaya oyulmuş gibi göründüğünden, bazen düz yarık dizileri olarak da adlandırılırlar.

E3 tarafından kullanılan APY1 radarı, dalga kılavuzu yuvalı anten dizisi kullanmaktadır.

F15'in APG63 radarında kullanılan düz plaka yuvalı anten dizisinin çevresinden dışarı doğru uzanan bir IFF eleman anteni (dizisi) bulunmaktadır.

 F15'in APG63 radarında kullanılan düz plaka yuvalı anten dizisinin çevresinden dışarı doğru uzanan bir IFF eleman anteni (dizisi) bulunmaktadır.

F16A/B'nin APG66 radarında kullanılan düz plaka yuva dizisi

Buna benzer bir diğer anten türü de açık dalga kılavuzu dizi antenidir. Açık dalga kılavuzu da bir dalga kılavuzu yapısı kullanır, ancak yarıklar ve oyuklar yerine, elektromanyetik dalgaları yaymak için doğrudan dalga kılavuzunun ağız yüzeyini kullanır. Bu tip açık dalga kılavuzunun kesit alanı biraz daha büyük ve ağırlığı fazla olduğu için, karada veya gemide kullanılan radarlarda daha yaygındır ve hava radarlarında nadiren kullanılır.

Besleme ve yayılım için dalga kılavuzları kullanan yukarıdaki yapı, anten eşleşmesine elverişlidir ve büyük güç kapasitesi önemli bir avantajıdır. Bununla birlikte, anten bant genişliği genellikle sınırlıdır ve ağırlığı kontrol etmek zordur. Sonuç olarak, hava radar sistemlerinde giderek daha fazla yeni tasarım kullanılmaya başlanmıştır.

Aslında, Soğuk Savaş'ın sonlarında, havadan radarın daha hızlı tarama hızı ve daha güçlü performans (eş zamanlı arama, izleme, ateş kontrolü, yönlendirme, yer tespiti vb.) elde etmesi için mühendisler, havadan radar için faz dizili antenler kullandılar ve bu hala gelişmiş bir teknoloji olarak kabul ediliyor. Faz dizili antenin görünümü, sıradan bir düzlemsel dizi antenden çok farklı değildir. Hatta basitçe, sıradan bir makineyle taranan düzlemsel dizi antenin (arka uç verici/alıcı ve sinyal işleme algoritması elbette çok değişecektir) besleme yapısının bir modifikasyonu olarak anlaşılabilir. Anten ünitesinin arka ucuna bir faz kaydırıcı ekleyerek, pasif faz dizili anten (PESA) elde edebilirsiniz. Faz kaydırıcıyı sevmiyorsanız ve bir TR bileşeni ekliyorsanız, aktif faz dizili anten (AESA) elde edebilirsiniz. Anten mühendisleri için, aynı anten dizisi AESA veya PESA için kullanılabilir. Bu nedenle, düzlemsel dizi antenlerin faz dizili antenlere yükseltilmesi büyük bir potansiyele sahiptir.

AESA antenlerine yükseltilen radarlar daha yüksek iletim gücüne, daha uzun algılama menziline, daha hassas ışın taramasına ve daha güçlü ışın şekillendirme fonksiyonlarına sahiptir. Ayrıca -50 veya -60 dB'lik ortalama yan lob elde etmek de daha kolaydır.

F22'yi örnek olarak ele alalım. Bu yeni nesil hayalet savaş uçaklarının AESA radarı, dipol dizileri kullanmayı tercih ediyor (resimde F22'nin APG77 radarının kullandığı şemsiye şeklindeki dipol dizisi gösteriliyor). Ünite, geniş bant özelliklerine sahip bir dipol anten kullanıyor. Ünite deseni geniş ve geniş açılı tarama elde etmek kolay.

F22'nin APG77 radar anteni

Ön tarafta çıkıntı yapan parça kolayca TR bileşeniyle karıştırılabilir. Aslında, bu antenin yüzeyidir. TR bileşeni antenin arkasına bağlanır (her ne kadar günümüzde TR bileşeni genellikle antenle birleştirilmiş olsa da, burada ayrı olarak ele alınmıştır).

Yeni Rafale'de kullanılan RBE2 AESA radarı (aşağıdaki resimde gösterildiği gibi) Vivaldi anten dizisi kullanmaktadır. Bu tür anten üniteleri özellikle geniş bir bant genişliğine sahip olduklarından, tüm anten dizisinin bant genişliği genişletilebilir.

RBE2 AESA

RBE2 AESA

Elbette daha özel olanlar da var. Örneğin, aşağıda görülen E2D erken uyarı uçağının kullandığı APY9 radarı, ünite olarak Yagi anteni kullanıyor. Kullandığı UHF bandındaki elektromanyetik dalganın dalga boyu uzun olduğu için anten boyutu çok sınırlı. Daha ideal dar bir ışın ve yüksek kazanç elde etmek için anten ünitesinin ışınının daraltılması gerekiyor, bu nedenle Yagi anteni ideal bir seçim haline geldi. Ünite olarak, yüksek kazançlı Yagi anteni, dizinin kazancını önemli ölçüde artırabilir. Ancak her şey görecelidir. Yagi anteninin dar ünite ışını, dizinin geniş açılı tarama yeteneğini büyük ölçüde sınırlar. Anten tarama açısı normalden büyük ölçüde saparsa, kazanç azalması ve dalga biçimi bozulması çok belirgin olur. Bu nedenle, APY9 bu eksiklikleri gidermek için elektromekanik taramanın bir kombinasyonunu kullanır.

E2D APY9 radarı tarafından kullanılan 2*9 üniteli Yagi anten dizisi.

Hava araçlarında kullanılan antenleri yeni bir aşamaya taşıyan şey, faz dizili anten teknolojisinin gelişmesidir.

Antenlerin gelişimi, radarın genel teknolojik gelişiminin bir mikrokozmosudur. Antenin görünümüne dayanarak radar performansı hakkında sonuçlar çıkaramaz veya radarın genel performansını ölçemez olsak da, mühendislik genellikle sistemler arasındaki koordinasyon ve dengeye odaklanır. Bir radar sisteminin genel performansı gelişmişse, antenin de yetersiz olmaması gerekir. Gelecekte, mühendisler, havadan radar sistemlerinin gelişimini desteklemek için faz dizili antenlerin geniş açılı taraması (mevcut tarama aralığını +60 dereceye genişletme), ultra geniş bant, ortak açıklık, konformal vb. gibi sorunların üstesinden gelmeye devam edeceklerdir.

Bu makale "İnternet"ten alınmıştır. Herhangi bir telif hakkı ihlali veya başka bir sorun varsa, lütfen silinmesi için bizimle iletişime geçin.Fikri mülkiyet haklarının korunmasını destekleyin, yeniden basım yaparken lütfen orijinal kaynağı ve yazarı belirtin.