3.7 Излучающие системы электромагнитных волн

Излучение и прием электромагнитных волн являются непременным условием функционирования любого локатора, антенна, в этой связи, является одним из наиболее важных устройств, в значительной степени определяющих ТТХ любой радиотехнической системы.

Выполнение основных ТТТ к РЛС: по дальности действия, по точности определения координат, по разрешающей способности, помехозащищенности, ЭМС, скрытности , скорости обзора пространства и т.д. во многом обеспечивается надлежащим выбором и техническим состоянием антенны.

В частности, для достижения требуемой разрешающей способности по азимуту ширина ДНА в азимутальной плоскости должна быть узкой (0.5-2)^о. Для увеличения помехозащищенности уровень боковых лепестков ДНА должен быть по возможности меньшим. Для того, чтобы время обзора было минимальным, ДНА в вертикальной плоскости выбирается широкой.

Правильный выбор антенны имеет существенное значение и с точки зрения надежности, удобства эксплуатации, мобильности и стоимости системы. Так стоимость современных РЛС существенно зависит от стоимости антенны, которая для РЛС с ФАР может составлять до 30-50% общей стоимости РЛС.

3.7.1 Классификация и краткая характеристика локационных антенн

Антенно-волноводные системы (АВС) предназначены для передачи электромагнитной энергии зондирующих сигналов от передатчика к антенне, излучения ее в пространство, приема отраженных эхо-сигналов и передачи их энергии на вход приемника. Иногда АВС называют антенно-фидерная система (АФС).

В состав АВС входят антенная система и волноводный тракт. Функции излучения и приема электромагнитной энергии выполняет антенная система, функции передачи энергии от передатчика к антенне и от антенны к приемнику выполняет волноводный тракт.

В общем случае в состав антенной системы РЛС входят следующие антенные устройства: передающие и приемные антенны основных радиолокационных каналов; передающие и приемные антенны НРЗ; вспомогательные антенны подавления помех в основных каналах; компенсационные антенны для подавления помех и боковых ответов НРЗ; антенны контрольной аппаратуры.

Основными параметрами антенных устройств являются: коэффициент усиления антенны; форма ДНА; уровень боковых лепестков; диапазонность; поляризация.

Коэффициент усиления антенны характеризует степень выигрыша по мощности с учетом направленных свойств антенны и наличия в ней потерь. Антенны современных РЛС имеют коэффициент усиления от нескольких сотен до десятков тысяч.

Форма диаграммы направленности антенны существенно влияет на точность и разрешающую способность по угловым координатам, помехозащищенность. Форма диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости определяет степень рациональности распределения излучаемой энергии по углу места. Правильно выбранная форма диаграммы направленности антенны в этой плоскости позволяет сократить энергетические затраты при обеспечении заданной дальности обнаружения. Для РЛС обнаружения, осуществляющих круговой обзор, наиболее рациональной является диаграмма направленности, широкая в вертикальной и узкая в горизонтальной плоскости; для высотомеров – наоборот, узкая в вертикальной и несколько более широкая в горизонтальной плоскости.

Уровень боковых лепестков влияет на интенсивность принимаемых активных и пассивных помех и тем самым определяет помехозащищенность РЛС. Прием эхо-сигналов целей по боковым лепесткам затрудняет определение их истинных координат. Кроме того, боковые лепестки вызывают уменьшение чувствительности приемника за счет приема дополнительных шумов из окружающего пространства.

Диапазонность антенны определяется полосой частот, в пределах которой основные параметры антенны не выходят за пределы допустимых значений. Антенны РЛС, как правило, удовлетворяют заданным параметрам при изменении частоты в пределах 10-20% от средней рабочей частоты передатчика РЛС.

От вида поляризации излучаемых сигналов зависит интенсивность мешающих отражений от земной или водной поверхности. Например, обратные отражения от поверхности земли, покрытой растительностью, при вертикальной поляризации более интенсивны, чем при горизонтальной. Спокойная морская поверхность, наоборот, в направлении на РЛС лучше отражает горизонтально поляризованную волну.

Антенная система (АС) в составе РЛС выполняет следующие основные функции:

• преобразование электромагнитных колебаний, генерируемых передающим устройством и распространяющихся в линии передачи, в электромагнитные колебания, распространяющихся в свободном пространстве (излучение);

• улавливание (прием) энергии ЭМВ (эхо-сигналов) с определенного телесного угла пространства и концентрации ее на входе линии передачи;

• преобразование электромагнитных колебаний, распространяющихся в свободном пространстве в электромагнитные колебания, распространяющихся в линии передачи для их передачи на вход приемного устройства (прием);

• обеспечение направленности излучения и приема ЭМВ заданной поляризации.

В основе работы приемной и передающей антенны лежат обратные физические процессы – преобразование свободно распространяющихся волн в направленные и наоборот.

Требования к параметрам АС должны формулироваться, исходя из целевого назначения локатора. Основными требованиями являются следующие:

1. Обеспечение заданных энергетических характеристик излучения (приема).

2. Обеспечение требуемой направленности излучения (приема) при уровне боковых лепестков ДН не выше заданного в определенном секторе углов.

3. Обеспечение управления угловым положением ДН в соответствии с программой обзора в заданной зоне обзора.

4. Устойчивость к ветровым нагрузкам, обледенению, воздействию ударной волны.

5. Возможность быстрой разборки и сборки, удобство транспортировки.

Классификация локационных антенн. В качестве основных признаков классификации антенн обычно используют: диапазон длин волн; ширина полосы пропускания антенны; вид поляризации; направленные свойства антенн и др.

По диапазону длин волн различают антенны сверхдлинных, длинных, средних, коротких и ультракоротких (метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых) волн, антенны оптического диапазона.

По ширине полосы пропускания антенны делят на узкополосные (П_А/f_о  0.1), широкополосные (0.1  П_А/f_о  0.4), диапазонные (0.4  П_А/f_о  1.3) и частотно-независимые (П_А/f_о > 1.3), где П_А – ширина полосы пропускания антенны, f_о – рабочая частота.

По поляризации антенны делят на антенны линейной поляризации (вертикальной и горизонтальной), эллиптической и круговой поляризации.

По направленным свойствам антенны делят на остронаправленные (с игольчатой ДН), слабонаправленные и антенны с веерной ДН (с различной направленностью в ортогональных плоскостях).

Антенны с игольчатой ДН применяют в локаторах сопровождения и наведения или в соответствующих режимах работы многофункциональных локаторов.

Антенны с веерной ДН применяют в обзорных двухкоординатных РЛС или в режимах обзора многофункциональных локаторов.

Слабонаправленные антенны могут являться элементами сложных антенных систем, например, ФАР, или являться вспомогательными в локаторах различного целевого назначения.

В зависимости от целевого назначения локатора перечисленные свойства антенны могут изменяться или ими можно управлять в процессе работы. В последнем случае антенну называют управляемой.

В настоящее время используется, в основном, управление положением направления максимального излучения (или приема). Это управление может осуществляться электромеханическим путем – поворотом всей антенны или изменением положения облучателя зеркальной антенны, или чисто электрическим способом – без механического перемещения элементов антенны.

Управление направлением максимального излучения (приема) антенны позволяет производить последовательный обзор пространства вкруговую или в заданном секторе.

Перечисленные свойства антенны зависят от пространственного расположения элементов антенны и амплитудно-фазового распределения (АФР) токов (полей) на антенне.

По пространственному расположению элементов антенны делят на:

одномерные (элементы расположены вдоль отрезка прямой, дуги окружности и т.п.);

• двумерные (элементы расположены на плоскости, цилиндрической, параболической или сферической поверхности);

• трехмерные или объемные.

Наиболее широко на практике используют одномерные линейные и двумерные антенны. Влияние АФР на направленные свойства может быть определено исходя из того, что АФР и косекансная ДНА связаны между собой парой преобразований Фурье.

Таким образом, в основу классификации антенных систем современных РЛС обнаружения положены следующие основные признаки: диапазон длин волн; направленные свойства; ширина полосы пропускания антенны; вид поляризации и другие.