Мини-лекции. Радиолокация. Антенны

   Антенны для РЛС, это глаза и уши станции и наверное самое главное составляющее. Основные виды антенн Вы видите на рис.1-4. На рис.1 директорная антенна типа «волновой канал». Антенна так называется из-за наличия директоров, вибраторов параллельно расположенных на одной прямой с основным вибратором и рефлектором. Стрелочкой показано направление излучения или приёма антенны. Несколько изменённого вида Вы могли видеть такие антенны на крышах домов (где-то есть и сейчас). Это те, так называемые телевизионные антенны. На рис.8 передвижная РЛС П-18 и антенная решётка, — набор из 16 антенн, «волновых каналов». Хотя не исключаю, что не все антенны работают сообща?

   На рис.3 самолётная зеркальная антенна, а на рис.4 корабельная. Зеркало это всего лишь железяка отражающая электромагнитные волны идущие от излучателя. Сами излучатели могут быть разных видов: обычный вибратор (как в директорной антенне), щелевой или рупорный. Всё зависит от поставленных задач перед РЛС. Спутниковые тарелки, это и есть те самые зеркальные антенны! На рис.9 Вы видите аэродромный локатор с зеркальной антенной. Да, она не похожа на привычное нам зеркало. Для радиоволн ведь вовсе не обязательно, чтобы зеркальная поверхность была сплошной. Необходимо лишь соблюдать условие, — расстояние между отверстиями условной металлической сетки, создающей необходимую поверхность не должно быть более (0,3-0,4) длины волны.

   И наконец на рис.2 Вы видите так называемую ФАР, — фазированную антенную решётку. На рисунке она расположена в «носе» самолёта МИГ-35. Что это ещё такое за ФАР? Все предыдущие антенны при работе должны были поворачиваться, как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. А электропривод самой продвинутой конструкции неповоротлив. И в случае самолёта, как сам самолёт, так и цели имеют большие скорости. Плюс ко всему:тангаж, крен, рыскание, скольжение. Стало быть удерживать цели на прицеле весьма затруднительно. И, что с того? А, то, что фазированная решётка позволяет мгновенно изменять направление слежения! Одним словом для нас не хорошо, а очень даже хорошо!

   Как это работает? Посмотрите на рис.10. Это линейка из 8 элементарных антенн. ТХ-передатчик (генератор высокой частоты). Он питает все антенны, но? Но на пути токов высокой частоты стоят так называемые фазовращатели (Ф1-Ф8). Их задача создавать задержку сигнала. Отчего сигнал может излучаться любой антенны с задержкой. А, что это нам даёт? Когда фазовращатели бездействуют, то волновой фронт будет параллелен линейке и направление излучения будет перпендикулярно этой линейке антенн. Но вот мы включили фазовращатели причём так, что самый нижний (на рисунке) не оказывает никакого влияния на сигнал. А вот самый верхний даёт задержку. Остальные фазовращатели тоже дают задержку но меньшую и уменьшающуюся сверху-вниз. Что произойдёт при включении передатчика? Самая нижняя антенна начнёт сразу же излучать и далее с запозданием вторая снизу, потом третья и тд. Мы с Вами получим волновой фронт Ф1. К моменту когда самая верхняя антенна проснётся волна от нижней антенны уже пройдёт какой-то путь. В итоге общий фронт, как видите уже не параллелен линейке, он повернётся (фронты Ф2 и Ф3). Направление излучения теперь будет в направлении синей стрелочки. И это равносильно повороту антенны, хотя она и не собиралась поворачиваться!

   А так как фазовращателями можно управлять электронно и практически без инерции, то и направление излучение можно также менять мгновенно! Вот такая ФАР установлена на печально известном «БУКЕ» рис.11. Этот зелёный медальон и есть механическая защита той самой ФАР. Такие вот ФАР позволяют сканировать пространство с совершенно неподвижных антенн как на рис.7. Это РЛС дальнего обнаружения «Воронеж-М». А, странная «доска» установленная наклонно и есть ФАР. И если мы на рис.10 рассматривали только линейку антенн, то здесь целое поле. И излучением можно управлять не только по горизонтали, но и по вертикали! Такая штуковина находится в Ленинградской области, вблизи Лехтуси (можете в Гугле или в Яндоксе посмотреть!). На рис.12 небольшая часть этого самого антенного поля. Каждая загогулина и есть элементарный антенный излучатель.

   Вот мы всё ходили вокруг, да около, и? И пора делом заняться! Чем же характеризуются наши дорогие антенны? Ну, многое чем. Но нам важна одна их характеристика, — диаграмма направленности (ДН)! Ведь она в нашем РЛС-деле очень важная деталь. От этой самой ДН и зависит точность определения не только цели вообще, но и её координат. Вы услышали звук летящего самолёта. Попробуйте с закрытыми глазами определить его местонахождение? Вот! И я об этом же! А ведь в старину именно оператор не видел, а слушал цель! И только позже стал видеть! Так, что вот, как-то так?! Что же такое ДН? Существует так называемая полярная система координат рис.5.

   Полярная система координат — двухмерная система координат, в которой каждая точка на плоскости однозначно определяется двумя числами — полярным углом и полярным радиусом. Полярная система координат задаётся лучом, который называют нулевым лучом, или полярной осью. Точка, из которой выходит этот луч, называется началом координат, или полюсом. Любая точка на плоскости определяется двумя полярными координатами: радиальной и угловой. Радиальная координата (обычно обозначается r и соответствует расстоянию от точки до начала координат. Угловая координата также называется полярным углом или азимутом и равна углу, на который нужно повернуть против часовой стрелки.

   Как же нам приспособить эти координаты к РЛС? Представьте большое ровное поле, а на нём пасутся коровы, а с ними бычок, — БЫК. В центре поля находится передатчик и исследуемая антенна. Два варианта: либо антенна вращается и сигнал от неё принимается на большом расстоянии, либо оператор с приёмником ходит как дурак по полю, по окружности, вокруг антенны (радиус окружности должен быть постоянен).

   Окружность естественно разбита на градусы, а уровень сигнала измеряется. А далее на каждой угловой отметке делается измерение уровеня сигнала. Значение откладывается на радиусе и в конечном счёте длина луча-радиуса и есть значение измеренного поля на данном направлении. Затем точки соответствующие нашим измерениям соединяем между собой и получаем вот такую загогулину рис.6! Естественно, если в результате измерений получится ДН как на рис.5, вторая слева, то это ненаправленная антенна (штыревая, антенны радиовещательных станций и телевидения). На рис.5, крайняя справа ДН уже направленной антенны (максимум излучения вверх, на рисунке). На рис.6 ДН примерно такой директорной антенны как на рис.1. Здесь в отличие от антенны на рис.5 появились резко выраженные лепестки. Основной зелёного цвета. Боковые, — красного, а синего цвета, — задний лепесток.

   Эта ДН получена в горизонтальной плоскости. Но снимают ДН и в вертикальной плоскости. И даже в сферических координатах. А, что изменяется? Ну, скажем в вертикальной плоскости для того же волнового канала ДН будет состоять из двух главных лепестков и кучи боковых. Главные же будут приподняты под углом к горизонту. Конечно где-то далеко в космосе она, ДН была бы симметричной...

   За исключением отдельных случаев, ДН в полярных координатах является нормированной. Как это понимать? Для нормирования нужно результаты всех измерений разделить на самое большое из всех значений! Это означает, что в таком случае, самое максимальное значение ДН будет равно единице, а остальные меньше, естественно. Вернёмся к рис.6. Видите главный лепесток пересекает красная линия? точки пересечения с ДН есть значения уровня 0,707 от максимального значения. Это означает, что напряжённость поля составляет 0,707 от максимального значения напряжённости. Или если рассматривать мощность, то в этих точках она будет равна половине максимального значения! Принято считать, что угол Y образованный лучами проведёнными от антенны и проходящими через точки уровня 0,707 (0,5) является шириной диаграммы направленности. Так, что когда мы будем в дальнейшем говорить о ДН, то под шириной будем понимать именно такой вот угол! По-русски, мы согласны на снижение мощности по краям ширины ДН в два раза, но не более!

   Диаграммы же направленности для разных антенн РЛС мы с Вами рассмотрим в следующей мини-лекции. http://www.proza.ru/2018/05/26/689