Антенні системи РЛС, їх класифікація і характеристика.

Пристрої випромінювання та приймання радіолокаційних сигналів. Типові антенні пристрої і їх характеристики. Розрізнювальна здатність за кутовими координатами.

Випромінювання та приймання сигналів в РЛ здійснюється антенами. Це один з найбільш важливих пристроїв, який в значній мірі визначає ТТХ РЛ. Наприклад: це дальність дії РЛ, точність визначення кутових координат, заводозахищеність РЛ.

Основним призначенням передавальної антени є випромінювання електромагнітних хвиль, що вільно розповсюджуються. При йому вона концентрує енергію радіосигналів в заданому напрямку.

Основним призначенням приймальної антени є відбір енергії поля електромагнітних хвиль, що вільно розповсюджуються. При цьому вона здійснює переважний прийом сигналів відповідної частоти і поляризації що приходять з заданого напрямку.

В основі роботи приймальної і передавальної антен лежать зворотні процеси – перетворення вільно розповсюджуючихся хвиль в напрямку і навпаки. Тому вони мають властивості зворотності. Це означає, що одна і таж система може використовуватися, як на передачу, так і на прийом EMX. Це має велике значення для РЛ і такі системи отримали назву: приймально-передавальних. На деякий час існує велика різноманітність антен з різними характеристиками.

Вони класифікуються за наступними признаками:

· За середньою довжиною хвилі: антени МХ, DMX, CMX, MMX.

· За шириною смуги користування: вузькосмугові, діапазонні, широкосмугові, частотно-незалежні.

· За поляризацією: з лінійного, еліптичного чи кровою поляризацією

· За направленими властивостями: гостро направлені або слабо направлені.

Деколи в процесі роботи РЛ характеристики антен потрібно змінювати, тобто керувати ними. Якщо конструкція системи дозволяє це робити, то антена є такою, що перестроюється, або є керованою за цим параметром. Найчастіше використовують керування за шириною головної пелюстки ДС антени, або за її положенням. Останнє в радіолокації називається скануванням.

За конструкцією: дротові антени, антени акустичного та оптичного типу, щілинні антени, антени поверхових хвиль, та ФАР.

Дротові: спіральні, вібраторні (які поділяються на антенні решітки поперечного та повздовженного випромінювання).

Акустичного типу: хвилеводні антени, рупорні системи.

Оптичного типу: дзеркальні антени, лінзові антени.

Нові типи антен: багатодзеркальні антени та ФАР.

Дзеркальні антени.

Це найбільш розповсюджений тип антен в СМХ і ДМХ та частково у МХ. Це зумовлено тим, що вони мають велику направленість, високий КНД та широкі діапазоні властивості.

Дзеркальна антена складається з: опромінювача та відбивача

 

 

(Мал. 42).

 

Опромінювач – слабо направлена антена, випромінюючи в бік дзеркала (відбивача). Діаграма спрямованості (ДС) формується відбивачем, але вид амплітудно-фазового розподілу на розкриві відбивача визначається ДС опромінювача

 

 

 

 

(Мал. 43).

Дзеркальні антени за формою та кількістю дзеркал поділяються:

· За формою дзеркала: параболічні, сферичні, плоскі та спеціального профілю.

· За кількістю дзеркал: одно і багато дзеркальні.

Найбільше розповсюдження отримали в РЛ одно дзеркальні антени с параболічною та спеціальною формою.

Параболоїд обертання трансформує сферичний фронт хвилі опромінювача в плоский фронт в розкриві дзеркала (відбивача) (див Мал. 42.). Фазовий центр опромінювача знаходиться в фокусі параболоїда. При цьому фаза поля в розкриві дзеркала постійна (фронт плоский). Амплітудний розподіл залежить від ДС опромінювача. Якщо ДС опромінювача 2Ө_0,5 значно більше розкриву дзеркала 2Ψ₀ (Мал. 43), то АР близький до рівномірного, а якщо 2Ө_0,5 ≤ 2Ψ₀ , то АР сильно смазує на краях. Відповідно різняться і характеристики антен. В останньому випадку ДС ƒ (Ө,4) має більш широку головну пелюстку але менший рівень бокового випромінювання.

Таким чином, змінюючи ДС опромінювача можно змінювати ширину головної і рівень бокових пелюсток ДС дзеркальної антени. Зазвичай параболоїд обертання використовується для створення ДС голкоподібного типу. При використанні оптимального АР опромінювача ширина основної пелюстки ДС антени визначається як

де ℓ - діаметр дзеркала, а рівень 1-ї бокової пелюстки складає (-22…-24) дБ.

Особливістю поведеною на Мал.6 дзеркальної антени є те, що опромінював знаходиться на напрямку максимуму випромінювання, із-за чого виникає «тіньовий» ефект. Для усунення останнього застосовують дзеркало у виді усіченого (несиметричного) параболоїда обертання

 

 

(Мал. 44).

Усічений параболоїд – це вирізка з параболоїда обертання. Вона може бути симетричною або несиметричною відносно площини, що проходить через вісь обертання параболоїда (відповідно а і б). Несиметрична вирізка застосовується в РЛ частіше, так як при цьому значно знижується ефект затінення.

В окремих випадках в дзеркальних антенах необхідно або змінювати ширину головної пелюстки ДС, або відхиляти її на невеликий кут. досягається за рахунок переміщення фазового центру однопромінювача вздовж окольної осі (вперед або назад), вдруге за рахунок зміщення однопромінювача з фокуса в напрямку перпендикулярному окольної осі (осі антени). Напрямок відхилення променю ДС – протилежний напрямку відхилення опромінювача. Це і є сканування. Для регуляційного сканування застосовуються сканери.

Двохдзеркальна антена в найпростішому варіанті

 

 

(Мал. 45)

складається з: більшого параболічного дзеркала, меншого дзеркала з гіперболічним (система Косигрена) або еліптичних (система Грегорі) профілем та опромінювача. Фазовий центр опромінювача розміщується в один із фокусів меншого дзеркала. F2, другий фокус меншого дзеркала співпадає з фокусом меншого дзеркала F1. При цьому більше дзеркало як-би опромінюється фіктивним опромінювачем, який знаходиться в фокусі F1.

В РЛ такого визначення кутових координат цілей за допомогою дзеркальних антен формується, як голкоподібні ДС, так і ДС які дозволяють використовувати моно імпульсні методи пеленгації.

Для створення голкоподібних ДС використовують дзеркало в виді вирізки із параболоїда обертання. Моноімпульсний метод пеленгації реалізується за допомогою декількох одночасно сформованих променів.

 

Моноімпульсний метод пеленгації базується на одночасному прийманні відбитих від цілі елементів двома (і навіть більше) колонами з наступним співставленням прийнятих сигналів за амплітудою (амплітудний метод) або фазою (фазовий метод). При амплітудному малоімпульсному методі пеленгації застосовується дві (для кожної кутової координати) парціальні ДС, які формуються, наприклад, за допомогою двох зміщених з фокуса опромінювача (див. Мал. 46).

 

Мал. 46

 

Прийняті сигнали з якогось напрямку мають різні амплітуди, але одинакові фази. Порівнюючи сигнали на виході приймальних каналів за амплітудою, можемо отримати інформацію про кутове положення цілі (відносно РСН).

При фазовому моноімпульсному методі пеленгації застосовують дві антени рознесеними на базу d фазовими центрами (Мал. 47)

 

Мал. 47

 

Прийняті сигнали в кожному каналі мають різні фази, але одинакові амплітуди. Інформація про кутову координату (відносно РФН) є в різниці фаз прийнятих сигналів, φ=kdsinθ

В моно імпульсному РЛ ДС на передачу і прийом є різними. В режиме передачі застосовується однакова ДС, максимум якої направлений вздовж осі антени. А для підвищення точності визначення пеленгу в приймальних каналах застосовують Σ - △ обробку, тобто з прийнятих сигналів утворюють

сумарний

(θ)= ₁(θ)- ₂(θ)

та різничний сигнали

(θ)= ₁(θ)- ₂(θ)

Інформація про кутове положення цілі є у співвідношенні

 

Сумарна ДС утворюється з парціальних ДС (Мал. 48 та 49) шляхом складання за допомогою лінійних багатополюсників. Як правило, Σ – канал застосовується в якості передавального, так як максимум сумарної ДС співпадає з РСН (при амплітудному методі). Різнична ДС в напрямку РСН має 0, що дозволяє визначити величину і знак відхилення цілі від РСН. Кут зміщення парціальної ДС вибирається на рівні головної пелюстки ДС до половинної потужності θ₀=2 . Кут α характеризує крутизну пеленгаційної характеристики.

 

 

 

 

Зазначене вище показує, що дзеркальні системи мають значні переваги, але є і окремі недоліки. А самий головний недолік – досить складно реалізувати зміну параметрів ДС антени. Тому в сучасних РЛ застосовуються більш сучасні антени – фазовані антенні решітки.

Диаграмма направленности антенны СОЦ

Мал. 51. Антенна ССЦ

а) конструкция; б) поворот плоскости поляризации волны на рефлекторе

 

Мал. 52. Диаграмма направленности антенны ССЦ

Фазовані антенні решітки

ФАР – фазовані антенна решітка, напрямок максимуму ДС форма ДС якої змінюється через зміну фази радіосигналів у випромінюючих елементах. Як випромінювачі використовують частіше слабо направлені антени: вібратори, щілини, рупори, стержні, спіралі та ін.. Зміна фази коливань кожного випромінювача здійснюється зо допомогою керованих фазообертачів. Переважно для цього застосовують ЕОМ, що забезпечує високу швидкість сканування і керування формою ДС, швидкий обзор простору та, відповідно, високий темп видачі інформації про більшу кількість цілей. Зазначені можливості ФАР визначили якісно новий етап розвитку РЛ, Сучасні РЛ з ФАР в складі ЗРК здатні успішно виконувати завдання пошуку, виявлення та супроводження на великих відстанях значного числа швидкісних та маневруючи цілей, наведення на их ракет в умовах завад.

Розрізняють ФАР з фідерним та просторовим живленням. В свою чергу решітки з просторовим живленням поділяються на: відбиваючі та прохідні.

В прохідному варіанті відсутній ефект затінення розкриву опромінювачем. Відбиваючий варіант конструктивно більш зручний (менші поздовжні розміри). Наприклад, в РПН реалізовано варіант 34.(наземна РЛС), а в базових ФАР частіше використовується варіант 33.