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.