3.7 Випромінюючі системи електромагнітних хвиль
Випромінювання і прийом електромагнітних хвиль є неодмінною умовою функціонування будь-якого локатора, антена, в зв'язку з цим, є одним з найважливіших пристроїв, що в значній мірі визначають ТТХ будь-якої радіотехнічної системи.
Виконання основних ТТТ до РЛС: по дальності дії, по точності визначення координат, по роздільній здатності, перешкодозахисній, ЕМС, скритності, швидкості огляду простору і т.д. багато в чому забезпечується належним вибором і технічним станом антени.
Зокрема, для досягнення необхідної роздільної здатності по азимуту ширина ДНА в азимутній площині повинна бути вузькою (0.5-2) о. Для збільшення перешкодозахисної рівень бічних пелюсток ДНА повинен бути по можливості меншим. Для того, щоб час огляду був мінімальним, ДНА у вертикальній площині вибирається широкою.
Правильний вибір антени має істотне значення і з погляду надійності, зручності експлуатації, мобільності і вартості системи. Так вартість сучасних РЛС істотно залежить від вартості антени, яка для РЛС з ФАР може складати до 30-50% загальної вартості РЛС.
3.7.1 Класифікація і коротка характеристика локаційних антен
Антенно-хвилеводні системи (АХС) призначені для передачі електромагнітної енергії зондуючих сигналів від передавача до антени, випромінювання її в простір, прийому відображених луна-сигналів і передачі їх енергії на вхід приймача. Іноді АХС називають антенно-фідерна система (АФС).
До складу АХС входять антенна система і хвилеводний тракт. Функції випромінювання і прийому електромагнітної енергії виконує антенна система, функції передачі енергії від передавача до антени і від антени до приймача виконує хвилеводний тракт.
У загальному випадку до складу антенної системи РЛС входять наступні антенні пристрої: передаючі і приймальні антени основних каналів радіолокації; передаючі і приймальні антени НРЗ; допоміжні антени придушення перешкод в основних каналах; компенсаційні антени для придушення перешкод і бічних відповідей НРЗ; антени контрольної апаратури.
Основними параметрами антенних пристроїв є: коефіцієнт посилення антени; форма ДНА; рівень бічних пелюсток; діапазонність; поляризація.
Коефіцієнт посилення антени характеризує ступінь виграшу по потужності з урахуванням направлених властивостей антени і наявність в ній втрат. Антени сучасних РЛС мають коефіцієнт посилення від декількох сотень до десятків тисяч.
Форма діаграми спрямованості антени істотно впливає на точність і роздільну здатність по кутових координатах, перешкодозахисна. Форма діаграми спрямованості антени у вертикальній площині визначає ступінь раціональності розподілу випромінюваної енергії по куту місця. Правильно вибрана форма діаграми спрямованості антени в цій площині дозволяє скоротити енергетичні витрати при забезпеченні заданої дальності виявлення. Для РЛС виявлення, здійснюючих круговий огляд, найраціональнішою є діаграма спрямованості, широка у вертикальній і вузька в горизонтальній площині; для висотомірів - навпаки, вузька у вертикальній і декілька ширша в горизонтальній площині.
Рівень бічних пелюсток впливає на інтенсивність активних і пасивних перешкод, що приймаються, і тим самим визначає перешкодозахисну РЛС. Прийом луна-сигналів цілей по бічних пелюстках утрудняє визначення їх істинних координат. Крім того, бічні пелюстки викликають зменшення чутливості приймача за рахунок прийому додаткових шумів з навколишнього простору.
Діапазонність антени визначається смугою частот, в межах якої основні параметри антени не виходять за межі допустимих значень. Антени РЛС, як правило, задовольняють заданим параметрам при зміні частоти в межах 10-20% від середньої робочої частоти передавача РЛС.
Від виду поляризації випромінюваних сигналів залежить інтенсивність віддзеркалень, що заважають, від земної або водної поверхні. Наприклад, зворотні віддзеркалення від поверхні землі, покритої рослинністю, при вертикальній поляризації більш інтенсивні, ніж при горизонтальній. Спокійна морська поверхня, навпаки, в напрямі на РЛС краще відображає горизонтально поляризовану хвилю.
Антенна система (АС) у складі РЛС виконує наступні основні функції:
перетворення електромагнітних коливань, що генеруються передаючим пристроєм і розповсюджуються в лінії передачі, в електромагнітні коливання, що розповсюджуються у вільному просторі (випромінювання);
уловлювання (прийом) енергії ЕМХ (луна-сигналів) з певного тілесного кута простори і концентрації її на вході лінії передачі;
перетворення електромагнітних коливань, що розповсюджуються у вільному просторі в електромагнітні коливання, розповсюджуються в лінії передачі для їх передачі на вхід приймального пристрою (прийом);
забезпечення спрямованості випромінювання і прийому ЕМХ заданої поляризації.
У основі роботи приймальної і передаючої антени лежать зворотні фізичні процеси - перетворення ЕМХ, що вільно розповсюджуються, в електричні коливання і навпаки.
Вимоги до параметрів АС повинні формулюватися, виходячи з цільового призначення локатора. Основними вимогами є наступні:
1. Забезпечення заданих енергетичних характеристик випромінювання (прийому).
2. Забезпечення необхідної спрямованості випромінювання (прийому) при рівні бічних пелюсток ДН за не вище заданий в певному секторі кутів.
3. Забезпечення управління кутовим положенням ДН відповідно до програми огляду в заданій зоні огляду.
4. Стійкість до вітрових навантажень, обмерзання, дії ударної хвилі.
5. Можливість швидкого розбирання і збірки, зручність транспортування.
Класифікація локаційних антен. Як основні ознаки класифікації антен звичайно використовують: діапазон довжин хвиль; ширина смуги пропускання антени; вид поляризації; направлені властивості антен і ін.
По діапазону довжин хвиль розрізняють антени наддовгих, довгих, середніх, коротких і ультракоротких (метрових, дециметрових, сантиметрових і міліметрових) хвиль, антени оптичного діапазону.
По ширині смуги пропускання антени ділять на вузькосмугові (ПА/FО Ј 0.1), широкосмугові (0.1 Ј ПА/FО Ј 0.4), діапазонні (0.4 Ј ПА/FО Ј 1.3) і незалежні (ПА/FО > 1.3), де ПА - ширина смуги пропускання антени, fо - робоча частота.
По поляризації антени ділять на антени лінійної поляризації (вертикальної і горизонтальної), еліптичної і кругової поляризації.
За направленими властивостями антени ділять на гостронаправлені (з голчатою ДН), слабонаправлені і антени з віялоподібною ДН (з різною спрямованістю в ортогональних площинах).
Антени з голчатою ДН застосовують в локаторах супроводи і наведення або у відповідних режимах роботи багатофункціональних локаторів.
Антени з віялоподібною ДН застосовують в оглядових двокоординатних РЛС або в режимах огляду багатофункціональних локаторів.
Слабонаправлені антени можуть бути елементами складних антенних систем, наприклад, ФАР, або бути допоміжними в локаторах різного цільового призначення.
Залежно від цільового призначення локатора перераховані властивості антени можуть змінюватися або ними можна управляти в процесі роботи. У останньому випадку антену називають керованою.
В даний час використовується, в основному, управління положенням напряму максимального випромінювання (або прийому). Це управління може здійснюватися електромеханічним шляхом - поворотом всієї антени або зміною положення опромінювача дзеркальної антени, або чисто електричним способом - без механічного переміщення елементів антени.
Управління напрямом максимального випромінювання (прийому) антени дозволяє виробляти послідовний огляд простору у кругову або в заданому секторі.
Перераховані властивості антени залежать від просторового розташування елементів антени і амплітудно-фазового розподілу (АФР) струмів (полів) на антені.
По просторовому розташуванню елементів антени ділять на:
одновимірні (елементи розташовані уздовж відрізка прямої, дуги кола і т.п.);
двовимірні (елементи розташовані на площині, циліндровій, параболічній або сферичній поверхні);
тривимірні або об'ємні.
Найбільш широко на практиці використовують одновимірні лінійні і двовимірні антени. Вплив АФР на направлені властивості може бути визначене виходячи з того, що АФР і косекансна ДНА зв'язані між собою парою перетворень Фурье.
Таким чином, в основу класифікації антенних систем сучасних РЛС виявлення встановлені наступні основні ознаки: діапазон довжин хвиль; направлені властивості; ширина смуги пропускання антени; вид поляризації і інші.
3.7.2 Принципи формування направленого випромінювання (прийому) електромагнітних хвиль
З теорії антен відомо, що направлене випромінювання (прийом) ЕМХ забезпечує навіть елементарний вібратор. Проте для вирішення практичних задач локації потрібна істотно вища спрямованість, яка може бути забезпечена складними АС, що складаються з великого числа елементів. Підвищення спрямованості забезпечується за рахунок інтерференції полів, створених цими елементами.
Розглянемо просту модель АС з двох однакових елементарних вібраторів (рис.3.37).
Рис.3.37. Проста модель антенної системи.
вібратори живляться струмами I '1 = I exp(jj1) і I '2 = IЧexp(jj2). Точка спостереження Р знаходиться в дальній зоні системи випромінювачів, тобто rдз і 2d2l, на якому проміння від елементів антени що приходять в точку спостереження можна вважати паралельними. Довжина вібраторів- l.
Поле в точці спостереження визначається інтерференцією полів вібраторів
E1(Q,j)= E1.sin(Q) exp[j(j1 - k·r1)],
E2(Q,j)= E2.sin(Q) exp[j(j2 - k·r2)]. (3.14)
Помітимо, що відмінність r1 і r2 неістотно впливає на амплітуди полів E1 » E2 = E = 60p·I·l/l·r, але принципово повинне враховуватися при визначенні фаз полів, що інтерферують:
j1 - k·r1 = j + Dj/2 - k·(r - d/2·cos Q);
j2 - k·r2 = j - Dj/2 - k·(r + d/2·cos Q), (3.15)
де Dj - різниця фаз струмів, що живлять вібратори; j - умовна фаза, прив'язана до центру Об системи вібраторів; r - відстань від центру (точка Про) системи вібраторів до точки спостереження Р; до = 2p/l - хвильове число.
Комплексна амплітуда результуючого поля в точці Р рівна
Нормована ДНА по полю буде рівна
З аналізу приведеної формули виходить, що спрямованість системи випромінювачів визначається спрямованістю одного випромінювача (F1(Q)= sin(Q)) і спрямованістю системи ізотропних випромінювачів, що характеризується множником системи
Fсист(Q)=cos·[Dj/2 + (kd/2)cos Q]. (3.16)
Одержаний результат ілюструє сформульоване М.А. Бонч-Бруєвічем правило перемножування характеристик спрямованості: для АС з однакових і однаково орієнтованих випромінювачів справедливо
Fp(Q,j)= F1(Q,j)·Fсист(Q,j). (3.17)
На практиці для АС великих електричних розмірів направлені властивості визначаються множником системи - Fсист(Q,j), що дозволяє обмежитися його розрахунком і аналізом.
Як приклад на рис.3.38 приведені результати розрахунку Fсист(j) і Fp(Q)= F1(Q) Fсист(Q) для двох синфазно або протифаза живлячих вібраторів при різних d/l.
Рис.3.38. Результати розрахунку для двох синфазно або протифазно живлячих вібраторів при різних d/l.
Аналіз дозволяє зробити наступні висновки.
1. Направлені властивості зростають пропорційно d/l, що, проте супроводжується зростанням кількості пелюсток ДН, небажаних в радіолокації.
2. Кутове положення максимумів ДН залежить від різниці фаз живлення вібраторів і, отже, від зміни Df, наприклад, електричним шляхом, можна забезпечити сканування ДН.
Для практичного використовування такі антени з ДН різко вираженого інтерференційного характеру і слабкою спрямованістю мало придатні.
Одним із способів зменшення кількості пелюсток ДН є використовування добре провідного екрану, що дозволяє забезпечити випромінювання тільки в передню півсферу.
Таким чином, висока спрямованість антен, як правило, забезпечується шляхом застосування в РЛС складних АС, що складаються з великого числа елементів. Підвищення спрямованості забезпечується за рахунок інтерференції полів, створених цими елементами.
3.7.3 Дзеркальні антени
Дзеркальні антени (ДзА) (апертурні антени) є найпоширенішим типом направлених антен в сантиметровому, дециметровому і, частково, в метровому діапазонах довжин хвиль. Пояснюється це тим, що ДзА володіють великою спрямованістю, високим ККД, хорошими діапазонними властивостями.
З допомогою ДзА можна одержати майже будь-яку ДН. Важливою їх гідністю є простота конструкції.
ДзА складаються з опромінювача і відбивача-дзеркала. Опромінювач - слабонаправлена антена, випромінююча у бік дзеркала. ДН антени формується шляхом перевідображення від відбивача (рис.3.39).
Рис.3.39. Дзеркальні антени
Конструктивно дзеркала можуть виконуватися з суцільних або перфорованих металевих листів, металізованих пластиків, нанесених на діелектрик і т.д. Для зменшення «парусності» антен дзеркала звичайно виконують на основі паралельних (вектору напруженості електричного поля) дротів або металевих сіток.
Дзеркальні антени звичайно класифікують формою і числу вживаних дзеркал.
За формою поверхні відбивачів ДзА підрозділяються на: параболічні; сферичні; плоскі; спеціального профілю.
По числу використовуваних дзеркал розрізняють: однодзеркальні і багатодзеркальні.
За формою розкриття ДзА можуть бути круговими, еліптичними, прямокутними і т.п.
Найбільше поширення набули однодзеркальні антени з параболічною і спеціальною формою дзеркала, а також двохдзеркальні антени.
До параболічних ДзА відносяться антени у формі параболоїда обертання, усіченого параболоїда обертання і параболічного циліндра.
Параболоїд обертання трансформує сферичний фронт хвилі опромінювача в плоский фронт в розкритті дзеркала (см.рис.3.39,а). Фазовий центр опромінювача встановлюється у фокусі параболоїда. Для знаходження характеристик параболоїда обертання, як правило, застосовують апертурний метод, суть якого полягає у визначенні АФР поля в розкритті антени і по знайденому АФР визначають ДНА (рис.3.40).
Рис.3.40. Принцип побудови ДзА.
Фаза поля в розкритті дзеркала є постійною, тобто j(r,a)=const. Амплітудний розподіл визначається співвідношенням
(3.18)де Fобл(Qобл,a) - нормована ДН опромінювача. Амплітудний розподіл залежить від направлених властивостей опромінювача. Якщо ширина ДН опромінювача f0.5р значно більше кута розкритті дзеркала f0, то АР близько до рівномірного. Інакше, тобто при f0.5р Ј f0 воно є сильно спадаючим до країв антени. Відповідно розрізняються і характеристики антен. У другому випадку ДНА F(Q,j) має ширшу головну пелюстку, але менший рівень бічного випромінювання. Таким чином, шляхом зміни ДН опромінювача можна змінювати ширину і рівень бічних пелюсток ДН ДзА.
Звичайно параболоїд обертання використовують для створення ДН голчатої форми.
КНД ДзА розраховується по формулі
G = 4p·Aг·hА/l2 (3.19)
де hА - ККД антени (звичне hА=0.6-0.7). Ширина ДН може бути визначена по формулі
(3.20)
де ro - діаметр дзеркала. Рівень першої пелюстки ДНА складає −22...−24 дБ.
Усічений параболоїд обертання є симетричною або несиметричною вирізкою з параболоїда обертання і призначений для формування віялової ДНА. При цьому розмір усіченого параболоїда обертання в горизонтальній площині помітно більше, ніж у вертикальній через необхідність отримання вузької ДН в азимутній площині.
Несиметричні вирізки використовуються для зменшення впливу дзеркала на опромінювач і навпаки – опромінювача на бічне випромінювання антени. Іноді для зниження рівня бічних пелюсток вирізку виробляють по контуру рівноінтенсивного опромінювання. Якщо цей контур відповідає спаду поля опромінювача приблизно на 9-10 дБ, то ККД антени буде максимальним.
Параболічний циліндр. Антена у вигляді параболічного циліндра використовується в тих випадках, коли необхідно створити віялову ДН з різко різною шириною ДНА в головних площинах, а також при необхідності здійснити сканування променя в одній площині в достатньо широкому секторі кутів (до 30о). Антена складається з дзеркала у вигляді параболічного циліндра і лінійного опромінювача з довжиною, рівною створюючою дзеркала (див. рис.3.39,б). Дзеркало може бути симетричним і несиметричним (рис.3.39,в). Найчастіше використовуються несиметричні дзеркала, що дозволяють усунути вплив відображеної хвилі на опромінювач і тіньовий ефект опромінювача. Лінійний опромінювач розташовується на фокальній лінії і створює циліндрову хвилю. Циліндрова хвиля перетвориться дзеркалом в плоску. У відмінності від розглянутих дотепер ДзА дзеркало а параболічному циліндрі роблять сплошным,т.к. отвори, утворюючи в площині yoz (рис.3.39,в) лінійні синфазні решітки, створюють помітну задню пелюстку.
КНД такий ДзА розраховується по аналогічній формулі.
Віялоподібні ДНА (ДН косекансного типу) у вертикальній площині створюються за допомогою методів зміщених опромінювачів або деформації профілю дзеркала.
Метод зміщених опромінювачів. У даному методі (рис.3.39,г) для отримання косекансної ДНА використовують усічений параболоїд обертання з решітками з декількох точкових опромінювачів. Один з опромінювачів знаходиться у фокусі дзеркала (опромінювач 1), а інші (опромінювачі 2, 3) зміщені з фокусу перпендикулярно осі дзеркала. Зсув опромінювачів виробляється для того, щоб парціальні ДН перетиналися приблизно на рівні 0.7 по полю. Закон зміни потужності від опромінювача до опромінювача розраховується так, щоб огинаюча сумарною ДНА приблизно описувалася функцією cosec e (рис.3.41).
Рис.3.41
Достоїнствами методу є простота, можливість використовування декількох передавачів, що працюють на різних частотах, що підвищує загальну потужність випромінювання і перешкодозахисну РЛС.
Недоліки методу пов'язані з тим, що зсув опромінювача з фокусу дзеркала приводить не тільки до відхилення (від нормалі до антени), але і до розширення ДНА в горизонтальній площині. Останнє погіршує роздільну здатність по азимуту у міру збільшення кута місця мети (звичайно косекансна ДН виходить тільки в секторі кутів місця до 30о). При необхідності отримання косекансної ДН в більшому секторі кутів використовується метод деформації профілю дзеркала.
Метод деформації профілю дзеркала (рис.3.39,ж). Суть методу полягає у тому, що профілю дзеркала у вертикальній площині надають таку форму, при якій розподіл потоку потужності в заданому секторі буде близький до того, що вимагається. З конструктивної точки зору цей метод складніше реалізувати, ніж метод зміщених опромінювачів, особливо для великих дзеркал. Проте цей метод дозволяє створити гладшу, ніж при методі зміщених опромінювачів, косекансну ДН в секторі до 60-70о без розширення ДН в горизонтальній площині.
Вплив антенно-фідерного пристрою на бойові можливості РЛС. Порушення цілісності відбивачів в результаті вогняного або інших видів дій, несправність або зсув опромінювачів з фокусного центру відбивачів приведе до порушення умов оптимальності формування ДН (зменшенню коефіцієнта направленої дії антени, розширення ДН, підвищенню рівня бічних пелюсток) і, отже, до зниження дальності виявлення і перешкодозахисної РЛС, погіршення роздільної здатності і точносних характеристик РЛС.
Порушення нормальної роботи пристроїв додаткової розв'язки, антенного перемикача, еквівалента антени приведе до порушення умов скритної роботи і радіотехнічного маскування РЛС, зниження захисту РЛС від противорадіолокаційних снарядів.
Вихід з ладу антенних систем допоміжних (пеленгацій) каналів виключить можливість визначення РЛС пеленгів на ПАП.
Слід мати зважаючи на, що високі точносні характеристики РЛС досягаються при її ретельному орієнтуванні, горизонтуванні і юстируванні. Помилки в орієнтуванні антени складаються з іншими помилками вимірювання азимута повітряних об'єктів. Помилки в горизонтуванні позначаються на точності вимірювання кутових координат, формі і розмірах зони виявлення РЛС в різних азимутних напрямах. Неточності в юстируванні приводять до додаткових помилок у визначенні висоти цілей. Погіршення точносних характеристик РЛС знижує можливості по забезпеченню наведення авіації і цілевказівок ЗРВ.
Негерметичність і несправність хвилеводних трактів РЛС, зчленовувань, що обертаються, викликає погіршення коефіцієнта хвилі, що біжить, і зменшення дальності виявлення, зниженню експлуатаційної надійності.
Таким чином, дзеркальні антени (ДзА) (апертурні антени) є найпоширенішим типом направлених антен в РЛС сантиметрового, дециметрового і, частково, в метровому діапазонах довжин хвиль, завдяки великій спрямованості, високому ККД і хорошим діапазонним властивостям. Параметри антенних систем роблять великий вплив на дальність виявлення, перешкодозахисну, що дозволяє здатність і точносні характеристики РЛС.