3.7.3 Зеркальные антенны

Зеркальные антенны (ЗА) (апертурные антенны) являются наиболее распространенным типом направленных антенн в сантиметровом, дециметровом и, отчасти, в метровом диапазонах длин волн. Объясняется это тем, что ЗА обладают большой направленностью, высоким КПД, хорошими диапазонными свойствами.

С помощью ЗА можно получить почти любую ДН. Немаловажным их достоинством является простота конструкции.

ЗА состоят из облучателя и отражателя-зеркала. Облучатель – слабонаправленная антенна, излучающая в сторону зеркала. ДН антенны формируется путем переотражения от отражателя (рис.3.39).

Рис.3.39. Зеркальные антенны

Конструктивно зеркала могут выполняться из сплошных или перфорированных металлических листов, металлизированных пластиков, нанесенных на диэлектрик и т.д. Для уменьшения «парусности» антенн зеркала обычно выполняют на основе параллельных (вектору напряженности электрического поля) проводов или металлических сеток.

Зеркальные антенны обычно классифицируют по форме и числу применяемых зеркал.

По форме поверхности отражателей ЗА подразделяются на: параболические; сферические; плоские; специального профиля.

По числу используемых зеркал различают: однозеркальные и многозеркальные.

По форме раскрыва ЗА могут быть круговыми, эллиптическими, прямоугольными и т.п.

Наибольшее распространение получили однозеркальные антенны с параболической и специальной формой зеркала, а также двухзеркальные антенны.

К параболическим ЗА относятся антенны в форме параболоида вращения, усеченного параболоида вращения и параболического цилиндра.

Параболоид вращения трансформирует сферический фронт волны облучателя в плоский фронт в раскрыве зеркала (см.рис.3.39,а). Фазовый центр облучателя устанавливается в фокусе параболоида. Для нахождения характеристик параболоида вращения, как правило, применяют аппертурный метод, суть которого состоит в определении АФР поля в раскрыве антенны и по найденному АФР определяют ДНА (рис.3.40).

Рис.3.40. Принцип построения ЗА.

Фаза поля в раскрыве зеркала является постоянной, т.е. (,)=const. Амплитудное распределение определяется соотношением

(3.18)

где F_обл(_обл,) – нормированная ДН облучателя. Амплитудное распределение зависит от направленных свойств облучателя. Если ширина ДН облучателя _0.5р значительно больше угла раскрыва зеркала ₀, то АР близко к равномерному. В противном случае, т.е. при _0.5р  ₀ оно является сильно спадающим к краям антенны. Соответственно различаются и характеристики антенн. Во втором случае ДНА F(,) имеет более широкий главный лепесток, но меньший уровень бокового излучения. Таким образом, путем изменения ДН облучателя можно изменять ширину и уровень боковых лепестков ДН ЗА.

Обычно параболоид вращения используют для создания ДН игольчатой формы.

КНД ЗА рассчитывается по формуле

G = 4·A_г·_А/² (3.19)

где _А – КПД антенны (обычно _А=0.6-0.7). Ширина ДН может быть определена по формуле

(3.20)

где _o – диаметр зеркала. Уровень первого лепестка ДНА составляет −22...−24 дБ.

Усеченный параболоид вращения представляет собой симметричную или несимметричную вырезку из параболоида вращения и предназначен для формирования веерной ДНА. При этом размер усеченного параболоида вращения в горизонтальной плоскости заметно больше, чем в вертикальной из-за необходимости получения узкой ДН в азимутальной плоскости.

Несимметричные вырезки используются для уменьшения влияния зеркала на облучатель и наоборот-облучателя на боковое излучение антенны. Иногда для снижения уровня боковых лепестков вырезку производят по контуру равноинтенсивного облучения. Если этот контур соответствует спаду поля облучателя примерно на 9-10 дБ, то КПД антенны будет максимальным.

Параболический цилиндр. Антенна в виде параболического цилиндра используется в тех случаях, когда необходимо создать веерную ДН с резко различной шириной ДНА в главных плоскостях, а также при необходимости осуществить сканирование луча в одной плоскости в достаточно широком секторе углов (до 30^о). Антенна состоит из зеркала в виде параболического цилиндра и линейного облучателя с длиной, равной образующей зеркала (см. рис.3.39,б). Зеркало может быть симметричным и несимметричным (рис.3.39,в). Чаще всего используются несимметричные зеркала, позволяющие устранить влияние отраженной волны на облучатель и теневой эффект облучателя. Линейный облучатель располагается на фокальной линии и создает цилиндрическую волну. Цилиндрическая волна преобразуется зеркалом в плоскую. В отличии от рассмотренных до сих пор ЗА зеркало а параболическом цилиндре делают сплошным,т.к. отверстия,образуя в плоскости yoz (рис.3.39,в) линейную синфазную решетку, создают заметный задний лепесток.

КНД такой ЗА рассчитывается по аналогичной формуле.

Веерные ДНА (ДН косекансного типа) в вертикальной плоскости создаются с помощью методов смещенных облучателей или деформации профиля зеркала.

Метод смещенных облучателей. В данном методе (рис.3.39,г) для получения косекансной ДНА используют усеченный параболоид вращения с решеткой из нескольких точечных облучателей. Один из облучателей находится в фокусе зеркала (облучатель 1), а остальные (облучатели 2, 3) смещены из фокуса перпендикулярно оси зеркала. Смещение облучателей производится для того, чтобы парциальные ДН пересекались примерно на уровне 0.7 по полю. Закон изменения мощности от облучателя к облучателю рассчитывается таким образом, чтобы огибающая суммарной ДНА приближенно описывалась функцией cosec  (рис.3.41).

Рис.3.41

Достоинствами метода является простота, возможность использования нескольких передатчиков, работающих на различных частотах, что повышает общую мощность излучения и помехозащищенность РЛС.

Недостатки метода связаны с тем, что смещение облучателя из фокуса зеркала приводит не только к отклонению (от нормали к антенне), но и к расширению ДНА в горизонтальной плоскости. Последнее ухудшает разрешающую способность по азимуту по мере увеличения угла места цели (обычно косекансная ДН получается только в секторе углов места до 30^о). При необходимости получения косекансной ДН в большем секторе углов используется метод деформации профиля зеркала.

Метод деформации профиля зеркала (рис.3.39,ж). Сущность метода состоит в том, что профилю зеркала в вертикальной плоскости придают такую форму, при которой распределение потока мощности в заданном секторе будет близко к требуемому. С конструктивной точки зрения этот метод сложнее реализовать, чем метод смещенных облучателей, особенно для больших зеркал. Однако этот метод позволяет создать более гладкую, чем при методе смещенных облучателей, косекансную ДН в секторе до 60-70^о без расширения ДН в горизонтальной плоскости.

Влияние антенно-фидерного устройства на боевые возможности РЛС. Нарушение целостности отражателей в результате огневого или других видов воздействий, неисправность или смещение облучателей из фокусного центра отражателей приведет к нарушению условий оптимальности формирования ДН (уменьшению коэффициента направленного действия антенны, расширение ДН, повышению уровня боковых лепестков) и, следовательно, к снижению дальности обнаружения и помехозащищенности РЛС, ухудшению разрешающей способности и точностных характеристик РЛС.

Нарушение нормальной работы устройств дополнительной развязки, антенного переключателя, эквивалента антенны приведет к нарушению условий скрытной работы и радиотехнической маскировки РЛС, снижению защиты РЛС от противорадиолокационных снарядов.

Выход из строя антенных систем вспомогательных (пеленгационных) каналов исключит возможность определения РЛС пеленгов на ПАП.

Следует иметь ввиду, что высокие точностные характеристики РЛС достигаются при ее тщательном ориентировании, горизонтировании и юстировании. Ошибки в ориентировании антенны складываются с другими ошибками измерения азимута воздушных объектов. Ошибки в горизонтировании сказываются на точности измерения угловых координат, форме и размерах зоны обнаружения РЛС в различных азимутальных направлениях. Неточности в юстировании приводят к дополнительным ошибкам в определении высоты целей. Ухудшение точностных характеристик РЛС снижает возможности по обеспечению наведения авиации и целеуказания ЗРВ.

Негерметичность и неисправность волноводных трактов РЛС, вращающихся сочленений вызывает ухудшение коэффициента бегущей волны и уменьшение дальности обнаружения, снижению эксплуатационной надежности.

Таким образом, зеркальные антенны (ЗА) (апертурные антенны) являются наиболее распространенным типом направленных антенн в РЛС сантиметрового, дециметрового и ,отчасти, в метровом диапазонах длин волн, благодаря большой направленности, высокому КПД и хорошим диапазонным свойствам. Параметры антенных систем оказывают большое влияние на дальность обнаружения, помехозащищенность, разрешающую способность и точностные характеристики РЛС.