Từ ăng-ten paraboloid đến ăng-ten mảng pha: tóm lược lịch sử phát triển của ăng-ten radar trên không.

Khi nhu cầu chiến tranh thay đổi và khoa học công nghệ tiến bộ, "giá trị vàng" của không chiến ngày càng cao. Sự phát triển của radar trên máy bay chiến đấu là một ví dụ điển hình. Về mặt hình thức, phần dễ nhận thấy nhất trong "sự tiến hóa" của thiết bị radar chính là sự thay đổi ở ăng-ten. Chúng ta hãy cùng tìm hiểu sơ lược về sự phát triển của ăng-ten radar trên máy bay.

Airborne radar has evolved from simple air search and ranging functions in the early days to now not only taking into account search, tracking and fire control guidance in a large area, but also ground surveying and mapping, sar imaging and other multi-functions. Generally speaking, airborne radar requires antennas with characteristics such as high gain (to increase detection range), narrow beam (to increase angle measurement accuracy), and low side lobes (to resist interference). And achieve high gain, narrow beam. The simplest is to use directional antennas, such as Yagi antennas and parabolic (single reflector) antennas. The Yagi antenna is too large and the parabolic antenna is easier to achieve low side lobes than the Yagi antenna. Therefore, early airborne radars after the Cold War generally adopted the form of parabolic antennas.

Ăng ten parabol (ăng ten phản xạ đơn).Loại anten này sử dụng một paraboloid lớn làm bề mặt chính và một loa hình nón ở trung tâm phía trước bề mặt chính làm nguồn cấp tín hiệu (cấp tín hiệu thuận) (loa hình nón cũng có thể được đặt lệch khỏi vị trí trung tâm, gọi là cấp tín hiệu lệch). Nguyên lý hoạt động của nó khá giống với gương parabol trong quang học. Nguyên lý hoạt động là khi anten hoạt động ở chế độ bức xạ, sóng cầu do loa hình nón phát ra sẽ va vào paraboloid, và paraboloid sẽ biến đổi sóng cầu tới từ loa hình nón thành sóng phẳng, khiến nó bức xạ vào không gian tự do. Khi hoạt động ở chế độ thu, bề mặt phản xạ chính sẽ hội tụ các sóng phẳng truyền trong không gian tự do, được gọi là sóng cầu, và "trả lại" chúng cho loa cấp tín hiệu. Loại anten này không khó chế tạo ở băng tần X trở xuống, có cấu trúc đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, nhược điểm cũng khá rõ ràng. Thông thường, ăng-ten parabol dễ đạt hiệu suất cao khi tỷ lệ đường kính tiêu điểm (tỷ lệ khoảng cách từ loa đến bề mặt phản xạ so với kích thước bề mặt phản xạ chính) cao, dẫn đến tổng thể ăng-ten có kích thước lớn hơn và thể tích cao hơn. Đặc biệt, khi ăng-ten được xoay và quét toàn bộ, nó sẽ chiếm nhiều không gian trong đầu máy, do đó góc quét của nó cũng bị hạn chế tương đối. Để giải quyết những khó khăn này, ăng-ten có bề mặt phản xạ kép gọi là dạng "Cassegrain" đã ra đời.

Cấu tạo cơ bản và sơ đồ hoạt động của anten parabol

Cấu tạo cơ bản và sơ đồ hoạt động của anten parabol

The antenna of the SL1 radar (imitation of the Soviet РП-1/5 type) equipped with the J-5A all-weather version

Anten Cassegrain.Đây là một loại ăng-ten được cải tiến từ dạng ăng-ten phản xạ đơn. So với ăng-ten phản xạ đơn, việc bổ sung thêm bộ phản xạ phụ có thể tối ưu hóa sóng điện từ phát ra từ loa và phân bố chúng lý tưởng hơn, phản xạ trở lại bộ phản xạ chính. Bộ phản xạ chính sau đó chuyển đổi sóng cầu đã được định hình thành sóng phẳng và bức xạ vào không gian tự do. Ưu điểm của điều này là nó có thể cải thiện hiệu suất khẩu độ ăng-ten, tăng độ lợi, giảm đáng kể tỷ lệ đường kính tiêu điểm, giảm kích thước tổng thể của ăng-ten và giảm kích thước. Vì bộ thu và dây dẫn cũng nằm trên bề mặt chính, nên việc bố trí dây dẫn trong hệ thống sẽ thuận lợi hơn và giảm nhiễu hệ thống. Tuy nhiên, việc bổ sung bộ phản xạ phụ cũng sẽ dẫn đến vấn đề tăng cường che chắn bề mặt chính, từ đó làm giảm độ lợi tổng thể của ăng-ten và tăng mức búp sóng phụ.

Cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động của anten Cassegrain

Radar "Đại bàng" của máy bay tiêm kích Su-15 (РП-11)

Radar "Đại bàng" của máy bay tiêm kích Su-15 (РП-11)

In order to solve the problem of subreflector occlusion, an antenna called an inverted Cassegrain antenna was proposed and widely used in airborne radar. Inverted Cassegrain, also known as deformed Cassegrain antenna. Based on the Cassegrain antenna, it changes the position of the sub-reflector into a polarized grid paraboloid and the position of the main surface into a polarized twisted plate. (In fact, in the inverted card antenna, the positions of the main and secondary surfaces are obviously different from those of ordinary Cassegrain antennas.) The working principle is quite different from that of Cassegrain antennas: the horn feed located at the polarization twisted version emits horizontally linearly polarized electromagnetic waves that are forward The polarization grid almost completely reflects back, and turns the spherical wave into a plane wave, which hits the polarization twisting plate at the back, "twisting" the horizontal polarization wave into a vertical linearly polarized electromagnetic wave, which is transmitted from the front polarization grid and radiated into free space. In short, although the beam emitted by the inverted card feed has been reflected twice, it is different from the ordinary Cassegrain antenna in that there is a polarization twisting process in the middle. The polarization grid located in front of the antenna only blocks horizontally polarized electromagnetic waves and has almost no effect on vertical linearly polarized waves. By the way, in order to combat ground clutter, airborne radar antennas are mostly vertical linearly polarized antennas. It achieves beam scanning by appropriately rotating the polarization twisting plate. Therefore, the flip-card antenna solves the problem of sub-reflector occlusion, and can also slightly offset the feed and polarization grid, further reducing the overall antenna profile. Because of its unique advantages, flip-up antennas are very popular in second-generation phones.

Nguyên lý hoạt động của ăng-ten dạng thẻ lật là thanh ngang phía trước đóng vai trò là lưới phân cực. Tấm xoắn phân cực được bố trí ở góc 45 độ phía sau.

Ăng-ten dạng thẻ đảo ngược được sử dụng bởi radar Sapphire-21 trang bị trên máy bay MiG-21BIS. Lưu ý rằng lưới phân cực không được lắp đặt.

The inverted Cassegrain antenna used in the Tornado fighter AI-24 radar system

Ăng-ten dạng thẻ đảo ngược được sử dụng bởi radar Mig25 Tornado A không có lưới phân cực được lắp đặt.

Ăng-ten dạng thẻ đảo ngược được sử dụng bởi radar n001 của Su-27 cũng đáng chú ý ở chỗ bề mặt lưới phân cực của nó không được lắp đặt.

Ăng-ten dạng thẻ đảo ngược được sử dụng bởi radar n001 của Su-27. Lưu ý rằng đây là một thiết bị hoàn chỉnh, đã được lắp đặt lưới phân cực.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của các ăng-ten nêu trên đều dựa trên hình dạng của các bề mặt phản xạ, khác nhau ở các chi tiết như liệu chúng là bề mặt phản xạ đơn hay kép, có xoắn phân cực hay không. Bằng cách kiểm soát khoảng cách của loa so với bề mặt chính, điều chỉnh độ dốc chiếu sáng, v.v., người ta dễ dàng đạt được độ lợi cao và búp sóng phụ thấp. Hiệu suất khả quan cũng có thể đạt được ở giai đoạn đầu. Tuy nhiên, mặc dù yêu cầu về chế tạo đối với các ăng-ten hoạt động dưới dạng bề mặt phản xạ không cao (băng tần X tương đối tốt, nhưng độ khó tăng mạnh ở các băng tần cao hơn), chi phí cũng ở mức chấp nhận được. Tuy nhiên, với sự cải thiện hiệu suất của radar trên không, các yêu cầu mới cũng được đặt ra cho phần ăng-ten, chẳng hạn như góc quét lớn hơn, búp sóng phụ thấp hơn và khả năng tạo ra các chùm tia định hình. Những nhược điểm cố hữu của ăng-ten lật thẻ bao gồm việc luôn có sự rò rỉ năng lượng (gây giảm hiệu suất khẩu độ và mất độ lợi), biến dạng chùm tia nghiêm trọng trong quá trình quét (độ lợi búp sóng chính giảm, búp sóng chính mở rộng và búp sóng phụ tăng lên), và luôn có vấn đề về trọng lượng ăng-ten nặng. Do đó, mọi người đều cho rằng các máy bay thế hệ thứ ba muốn giành ưu thế trên không: MiG-29 và Su-27, cả hai đều sử dụng ăng-ten Cassegrain đảo ngược trong giai đoạn đầu, điều này có vẻ hơi thiếu tinh tế.

We know that in order to meet the requirements of airborne radar with high gain, narrow beam and low side lobes, parabolic antennas were used earlier because of their simple structure. There is also an antenna that is slightly more complex in form but has better performance, and that is the planar array antenna. Planar array antenna is a typical array antenna. From dozens to hundreds, or even thousands of small unit antennas, they are evenly arranged on the array surface according to certain rules and spacing. A single unit antenna may have a very wide beam and low gain, but relying on numerous unit antennas on the antenna array to work together, a very high gain, narrow beam, and even ultra-low side lobes can be achieved (it can even be upgraded to a planar phased array later). Therefore, due to its excellent performance, planar array antennas quickly replaced reflective surface antennas and became the mainstream in various third-generation, third-generation modified, and fourth-generation airborne radar systems. Today's advanced airborne radars, phased array radars, almost all use planar array antennas.

Các loại ăng-ten mảng phẳng phổ biến bao gồm mảng khe ống dẫn sóng (tấm phẳng), mảng ống dẫn sóng hở, mảng lưỡng cực, mảng ăng-ten Vivaldi, mảng ăng-ten vá vi dải, v.v.

Mảng khe sóng dẫn là một cấu trúc truyền dẫn vi sóng phổ biến. Các khe (vết) được mở trên bề mặt của sóng dẫn, cho phép khe nhỏ trở thành một ăng-ten để bức xạ sóng điện từ. Nó có ưu điểm là phù hợp với cấu trúc cấp nguồn và có khả năng truyền tải công suất lớn. Các khe sóng dẫn trên không trông giống như được cắt vào một tấm phẳng, vì vậy đôi khi chúng được gọi là mảng khe phẳng.

Hệ thống radar APY1 do E3 sử dụng có cấu trúc mảng ăng-ten khe dẫn sóng.

The flat-plate slot array used by the F15's APG63 radar has an IFF element antenna (array) protruding from the periphery.

 The flat-plate slot array used by the F15's APG63 radar has an IFF element antenna (array) protruding from the periphery.

Mảng khe phẳng được sử dụng bởi radar APG66 của máy bay F16A/B.

Tương tự như vậy là ăng-ten mảng ống dẫn sóng hở. Ống dẫn sóng hở cũng sử dụng cấu trúc ống dẫn sóng, nhưng thay vì các khe và rãnh, nó trực tiếp sử dụng bề mặt miệng ống dẫn sóng để phát ra sóng điện từ. Vì loại ống dẫn sóng hở này có tiết diện lớn hơn một chút và nặng hơn, nên nó phổ biến hơn trong các radar đặt trên đất liền hoặc trên tàu, và hiếm khi được sử dụng trong các radar trên không.

Cấu trúc nêu trên sử dụng ống dẫn sóng để cấp nguồn và bức xạ rất thuận lợi cho việc phối hợp anten, và khả năng công suất lớn là ưu điểm nổi bật của nó. Tuy nhiên, băng thông của anten thường bị hạn chế và trọng lượng khó kiểm soát. Do đó, nhiều thiết kế mới đã dần được sử dụng trong các hệ thống radar trên không.

In fact, in the late Cold War, in order to achieve faster scanning speed and more powerful performance of airborne radar (such as simultaneous search, tracking, fire control, guidance, ground detection, etc.), engineers used phased array antennas for airborne radar, and it is still regarded as advanced technology. The appearance of a phased array antenna is not much different from a common planar array antenna. It can even be simply understood as a modification of the feed structure based on an ordinary machine-scanned planar array antenna (the back-end transmitter/receiver and signal processing algorithm will of course change a lot). By adding a phase shifter to the back end of the antenna unit, you can get a passive phased array antenna (PESA). If you don't like the phase shifter and adding a TR component, you can get an active phased array antenna (AESA). For antenna engineers, the same antenna array can be used for AESA or PESA. Therefore, planar array antennas have great potential to be upgraded to phased array antennas.

Đối với các hệ thống radar được nâng cấp lên ăng-ten AESA, chúng có công suất phát lớn hơn, tầm phát hiện xa hơn, khả năng quét chùm tia nhạy hơn và chức năng định hình chùm tia mạnh mẽ hơn. Việc đạt được búp sóng phụ trung bình ở mức -50 hoặc -60dB cũng dễ dàng hơn.

Lấy F22 làm ví dụ. Radar AESA của thế hệ máy bay chiến đấu tàng hình mới này thường sử dụng mảng lưỡng cực (hình ảnh cho thấy mảng lưỡng cực hình dù được sử dụng bởi radar APG77 của F22). Thiết bị này sử dụng ăng-ten lưỡng cực, có đặc tính băng thông rộng. Mô hình bức xạ của thiết bị rộng và dễ dàng thực hiện quét góc lớn.

Ăng-ten radar APG77 của máy bay F22

Phần nhô ra phía trước rất dễ bị nhầm lẫn với linh kiện TR. Nói chính xác hơn, đó thực chất là bề mặt của anten. Linh kiện TR được kết nối phía sau anten (mặc dù hiện nay linh kiện TR thường được tích hợp liền mạch với anten, nhưng ở đây vẫn sẽ được thảo luận riêng).

Radar RBE2 AESA được sử dụng trong máy bay Rafale mới (như hình dưới đây) sử dụng mảng anten Vivaldi. Loại anten này có đặc điểm là băng thông đặc biệt rộng, do đó băng thông của toàn bộ mảng anten có thể được mở rộng.

RBE2 AESA

RBE2 AESA

Tất nhiên, có một số loại đặc biệt hơn. Ví dụ, radar APY9 được sử dụng bởi máy bay cảnh báo sớm E2D bên dưới sử dụng ăng-ten Yagi làm đơn vị. Vì bước sóng của sóng điện từ trong dải UHF mà nó sử dụng khá dài, kích thước ăng-ten của nó rất hạn chế. Để có được chùm tia hẹp lý tưởng hơn và độ lợi cao, chùm tia đơn vị của ăng-ten phải được thu hẹp, vì vậy ăng-ten Yagi đã trở thành một lựa chọn lý tưởng. Là một đơn vị, ăng-ten Yagi có độ lợi cao có thể cải thiện đáng kể độ lợi của mảng. Nhưng mọi thứ luôn mang tính tương đối. Chùm tia đơn vị hẹp của ăng-ten Yagi hạn chế đáng kể khả năng quét góc rộng của mảng. Khi góc quét của ăng-ten lệch nhiều so với bình thường, độ lợi giảm và sự biến dạng dạng sóng sẽ rất rõ ràng. Do đó, APY9 sử dụng sự kết hợp giữa quét điện cơ để bù đắp những nhược điểm này.

Mảng anten Yagi 2*9 đơn vị được sử dụng bởi radar E2D APY9.

Sự phát triển của công nghệ mảng pha đã đưa ăng-ten trên không lên một tầm cao mới.

The development of antennas is a microcosm of the overall technological development of radar. Although we cannot draw conclusions about radar performance or measure the overall performance of radar based on the appearance of the antenna, engineering often focuses on the coordination and balance between systems. If the overall performance of a radar system is advanced, the antenna cannot be inferior. In the future, engineers will continue to overcome problems such as large-angle scanning of phased array antennas (expanding the current scanning range of +60 degrees), ultra-wideband, common aperture, conformal, etc., to promote the development of airborne radar systems.

Bài viết này được lấy từ "Internet". Nếu có bất kỳ vi phạm bản quyền hoặc vấn đề nào khác, vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa bỏ.Để bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả khi in lại.