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.