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Vom Paraboloid zum Phased Array: eine kurze Geschichte der Entwicklung von Flugradarantennen

Erscheinungsdatum: 2021Quelle des Autors: KinghelmAufrufe: 600

Mit der Veränderung der Kriegsnachfrage und dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie wird der „Goldgehalt“ des Luftkampfs immer höher. Ein typisches Beispiel ist die Entwicklung von Kampfflugzeugradaren. Was das Erscheinungsbild betrifft, ist der Antennenwechsel der intuitivste Teil der „Evolution“ von Radargeräten. Im Folgenden finden Sie einen kurzen Vortrag über die Entwicklung der Flugradarantenne.


Das Luftradar hat sich von der einfachen Luftsuch- und Entfernungsmessungsfunktion in der Anfangsphase bis heute weiterentwickelt und sollte nicht nur die Suche, Verfolgung und Feuerleitführung in einem großen Gebiet berücksichtigen, sondern auch Multifunktionsfunktionen wie Bodenkartierung und SAR realisieren Bildgebung. Im Allgemeinen erfordert Flugradar, dass die Antenne die Eigenschaften eines hohen Gewinns (einfache Erhöhung des Erfassungsabstands), eines schmalen Strahls (einfache Erhöhung der Winkelmessgenauigkeit), einer niedrigen Nebenkeule (Anti-Störung) usw. aufweist und einen hohen Gewinn erzielt und schmaler Strahl. Am einfachsten ist es, Richtantennen wie eine Yagi-Antenne und eine Paraboloidantenne (Einzelreflektor) zu verwenden. Die Größe der Yagi-Antenne ist zu groß, und im Vergleich zur Yagi-Antenne ist es mit einer Paraboloidantenne einfacher, eine niedrige Nebenkeule zu erreichen. Daher wurden Paraboloidantennen in der frühen Zeit nach dem Kalten Krieg häufig im Flugradar eingesetzt.


Parabolantenne (Einzelreflektorantenne).Diese Art von Antenne verwendet ein großes Paraboloid als Hauptoberfläche und ein Horn in der Mitte vor der Hauptoberfläche als Speisung (positive Speisung) (das Horn kann auch von der Mitte abweichen, was als Bias-Feed bezeichnet wird). ). Sein Funktionsprinzip ähnelt dem Paraboloidspiegel in der Optik. Das Funktionsprinzip besteht darin, dass beim Betrieb der Antenne im Strahlungsmodus die vom Horn abgestrahlte Kugelwelle auf das Paraboloid trifft, das die vom Horn einfallende Kugelwelle in eine ebene Welle umwandelt und diese in den freien Raum abstrahlt. Im Arbeits- und Empfangsmodus bündelt die Hauptreflexionsfläche die aus dem freien Raum übertragene ebene Welle, die sogenannte Kugelwelle, und lässt sie zum Speisehorn „zurückkehren“. Dieser Antennentyp ist im X-Band und darunter nicht schwer zu verarbeiten, hat einen einfachen Aufbau und ist kostengünstig. Allerdings liegen auch die Nachteile auf der Hand. Im Allgemeinen lässt sich mit der Paraboloidantenne leicht eine hohe Leistung erzielen, wenn das Brennweitenverhältnis (das Verhältnis des Abstands vom Horn zur reflektierenden Oberfläche zur Größe der Hauptreflexionsoberfläche) hoch ist, sodass der Gesamtquerschnitt der Antenne groß ist und das Volumen ist groß. Insbesondere wenn sich die Antenne dreht und als Ganzes scannt, nimmt sie viel Kopfraum ein, sodass auch ihr Scanwinkel begrenzt ist. Um diese Schwierigkeiten zu lösen, wurde ein Doppelreflektor namens „Cassegrain“ entwickelt.


 
 
Grundlegender Aufbau und Funktionsdiagramm einer Paraboloidantenne  


 
Grundlegender Aufbau und Funktionsdiagramm einer Paraboloidantenne  
 


SL1-Radar der J-5A-Allwetterausrüstung (Nachahmung des sowjetischen Systems) РП-1/5-Typ) Antenne  


Cassegrain-Antenne.Es handelt sich um eine verbesserte Antenne in Form einer Einzelreflektorantenne. Im Vergleich zur Einzelreflektorantenne kann der zusätzliche Unterreflektor die vom Horn ausgesendete elektromagnetische Welle vorab optimieren und ihr eine idealere Verteilung verleihen, die zum Hauptreflektor zurückreflektiert wird, der dann die geformte Kugelwelle in eine ebene Welle umwandelt und strahlt es in den freien Raum ab. Der Vorteil besteht darin, dass die Effizienz der Antennenapertur verbessert, der Gewinn verbessert, das Verhältnis des Brennweitendurchmessers erheblich verringert, das Gesamtprofil der Antenne verringert und die Lautstärke verringert werden kann. Nachdem der Empfänger und die Einspeisung zur Hauptebene geworden sind, ist dies besser für die Routing-Anordnung des Systems und reduziert das Systemrauschen. Allerdings führt die Einführung des Sekundärreflektors auch zu dem Problem, dass die Abschirmung der Hauptoberfläche erhöht wird, was wiederum den Gesamtgewinn der Antenne verringert und den Nebenkeulenpegel erhöht.


 

Grundlegender Aufbau und Funktionsprinzip der Cassegrain-Antenne

 

       
Eagle-Radar des Abfangjägers SU-15(РП- 11)  
 



 
Eagle-Radar des Abfangjägers SU-15(РП- 11)  
 


Um das Problem der Subreflektor-Okklusion zu lösen, wird eine Antenne namens „Inverted Cassegrain“ vorgeschlagen, die in der Luftradartechnik weit verbreitet ist. Invertierte Cassegrain-Antenne, auch als deformierte Cassegrain-Antenne bekannt. Basierend auf der Cassegrain-Antenne wird die Position des Nebenreflektors in ein Polarisationsgitterparaboloid und die Position des Hauptreflektors in eine Polarisationstorsionsplatte geändert. (Tatsächlich unterscheiden sich bei der umgekehrten Kartenantenne die Positionen der Haupt- und Hilfsebenen offensichtlich von denen der gewöhnlichen Cassegrain-Antenne.) Das Funktionsprinzip unterscheidet sich erheblich von dem der Cassegrain-Antenne: Die Hornspeisung erfolgt fast vollständig an der Polarisations-Torsionsplatte reflektiert die elektromagnetische Welle mit horizontaler linearer Polarisation, die vom vorderen Polarisationsgitter ausgesendet wird, wandelt die sphärische Welle in eine ebene Welle um, trifft auf die Torsionsplatte mit hinterer Polarisation, wandelt die horizontale Polarisationswelle in eine elektromagnetische Welle mit vertikaler linearer Polarisation um und überträgt sie von vorne Polarisationsgitter, Strahlen in den freien Raum. Kurz gesagt: Obwohl der von der umgekehrten Kartenzuführung ausgesendete Strahl auch zweimal reflektiert wird, unterscheidet er sich von der gewöhnlichen Cassegrain-Antenne. In der Mitte findet ein Polarisationstorsionsprozess statt. Das Polarisationsgitter vor der Antenne blockiert nur die horizontal polarisierte elektromagnetische Welle und hat kaum Einfluss auf die vertikale lineare Polarisationswelle. Um Bodenechos zu bekämpfen, handelt es sich bei luftgestützten Radarantennen übrigens meist um vertikale lineare Polarisationsantennen. Es realisiert die Strahlabtastung durch die richtige Drehung der Polarisations-Torsionsplatte. Daher löst die umgekehrte Kartenantenne das Problem der Abschirmung des Nebenreflektors und kann das Speise- und Polarisationsgitter leicht versetzen, wodurch das Profil der Gesamtantenne weiter reduziert wird. Aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile erfreut sich die umgekehrte Kartenantenne bei Maschinen der zweiten Generation großer Beliebtheit.



Funktionsprinzip der umgekehrten Kartenantenne: Das Polarisationsgitter befindet sich an der vorderen Querstange. Die polarisierte Torsionsplatte ist in einer Neigung von 45 Grad nach hinten angeordnet



 
Bei der umgekehrten Kartenantenne, die vom mit MIG-21Bis abgestimmten Radar Sapphire-21 verwendet wird, ist zu beachten, dass ihr Polarisationsgitter nicht installiert ist  
 



 
Invertierte Cassegrain-Antenne, die im AI-24-Radarsystem des Sturmjägers verwendet wird  
 



 
Die vom Tornado-Radar von mig25 verwendete umgekehrte Kartenantenne ist nicht auf der Polarisationsgitteroberfläche installiert  
 



 
Die vom Radar Su27 n001 verwendete umgekehrte Kartenantenne ist dieselbe. Beachten Sie, dass die Polarisationsgitteroberfläche nicht installiert ist  
 



 
Die vom n001-Radar von Su27 verwendete umgekehrte Kartenantenne ist vollständig und die Polarisationsgitteroberfläche ist installiert  
 


Das grundlegende Funktionsprinzip der oben genannten Antennen basiert auf der Form des Reflektors, der nichts anderes als ein Einzelreflektor oder Doppelreflektor, Polarisationstorsion und andere Details ist. Durch die Steuerung des Abstands zwischen dem Horn und der Hauptoberfläche, die Anpassung der Abstrahlkegel usw. ist es einfach, eine hohe Verstärkung und eine niedrige Nebenkeule zu erreichen. Auch im Frühstadium können zufriedenstellende Leistungen erzielt werden. Obwohl die Verarbeitungsanforderungen der in Form eines Reflektors arbeitenden Antenne nicht hoch sind (das X-Band ist gut und die Schwierigkeit nimmt im höheren Frequenzband stark zu), sind die Kosten dennoch akzeptabel. Mit der Verbesserung der Flugradarleistung werden jedoch neue Anforderungen an die Antenne gestellt, wie etwa ein größerer Scanwinkel, eine geringere Nebenkeule und ein geformter Strahl. Zu den inhärenten Mängeln der umgekehrten Kartenantenne gehört, dass es immer zu einem Energieverlust kommt (der die Apertureffizienz verringert und den Gewinn verliert), und dass die Strahlverzerrung während des Scannens ebenfalls schwerwiegend ist (der Hauptkeulengewinn nimmt ab, der Hauptstrahl wird breiter und …). die Nebenkeule steigt), und es besteht immer das Problem eines großen Antennengewichts. Daher denken wir alle, dass die drei Generationen von Flugzeugen, die die Luftkontrolle übernehmen wollen: MIG29 und Su 27, in ihren Anfängen umgekehrte Cassegrain-Antennen verwendeten, was etwas schäbig ist.


Wir wissen, dass Paraboloidantennen aufgrund ihres einfachen Aufbaus früher verwendet wurden, um die Anforderungen von Flugradaren mit hoher Verstärkung, schmalem Strahl und niedriger Nebenkeule zu erfüllen. Es gibt auch eine etwas komplexere Antenne mit besserer Leistung, nämlich die Planar-Array-Antenne. Eine Planar-Array-Antenne ist eine typische Array-Antenne. Zehn bis Hunderte oder sogar Tausende kleiner Antenneneinheiten sind nach bestimmten Regeln und Abständen gleichmäßig auf der Array-Oberfläche angeordnet. Eine einzelne Antenneneinheit kann einen breiten Strahl und einen geringen Gewinn haben, aber wenn man sich auf viele Einheitsantennen im Antennenarray verlässt und zusammenarbeitet, kann man einen hohen Gewinn, einen schmalen Strahl und sogar eine extrem niedrige Nebenkeule erreichen (sie kann sogar auf eine aufgerüstet werden). Planar Phased Array in der späteren Phase). Aufgrund ihrer hervorragenden Leistung ersetzte die Planar-Array-Antenne daher schnell die Reflektorantenne und wurde zum Mainstream verschiedener Flugradarsysteme der dritten, modifizierten dritten und vierten Generation. Derzeit liegt das fortgeschrittene Flugradar – Phased-Array-Radar – fast in Form einer ebenen Array-Antenne vor.


Zu den gängigen planaren Array-Antennen gehören Wellenleiter-Schlitz-Arrays (Flachplatten), offene Wellenleiter-Arrays, Dipol-Arrays, Vivaldi-Antennen-Arrays, Mikrostreifen-Patch-Antennen-Arrays usw.


Wellenleiter-Schlitz-Array ist eine übliche Mikrowellenübertragungsstruktur. Die Wellenleiteroberfläche ist geschlitzt (gerillt), sodass der kleine Schlitz zu einer Antenne zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen wird. Es hat den Vorteil, dass es zur Futterstruktur passt und eine große Leistungskapazität aufweist. Der Luftwellenleiter-Schlitz sieht aus, als wäre er auf einer flachen Platte geöffnet, daher wird er manchmal auch als Schlitzanordnung mit flacher Platte bezeichnet.

 
Das in E1 verwendete Apy3-Radar verwendet ein Wellenleiter-Schlitzantennenarray  
 



 
Die IFF-Dipolantenne (Array) ragt aus der Peripherie des flachen Schlitzarrays hervor, das vom apg63-Radar von F15 verwendet wird  
 


 

     Die IFF-Dipolantenne (Array) ragt aus der Peripherie des flachen Schlitzarrays hervor, das vom apg63-Radar von F15 verwendet wird  
 



 
Flaches Schlitzarray, das vom apg66-Radar von f16a/b verwendet wird  
 


Ebenso gibt es eine offene Hohlleiter-Array-Antenne. Der offene Wellenleiter nutzt ebenfalls die Wellenleiterstruktur, ist jedoch nicht geschlitzt, sondern nutzt direkt die Oberfläche des Wellenleiteranschlusses zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen. Da das Profil dieser offenen Wellenleiterform etwas größer und das Gewicht zu schwer ist, kommt sie häufiger bei landgestützten oder schiffsgestützten Radargeräten vor, während diese Form bei luftgestützten Radargeräten selten verwendet wird.


Die obige Struktur mit Wellenleiter zur Speisung und Strahlung trägt zur Antennenanpassung bei. Sein bemerkenswerter Vorteil ist die große Leistungskapazität. Allerdings ist die Antennenbandbreite oft begrenzt und das Gewicht schwer zu kontrollieren. Anschließend werden nach und nach viele neuartige Designs in Bordradarsystemen eingesetzt.


Tatsächlich verwendeten die Ingenieure im späten Kalten Krieg Phased-Array-Antennen für das Flugradar, um dem Flugradar eine schnellere Abtastgeschwindigkeit und eine leistungsfähigere Leistung (z. B. gleichzeitige Suche und Verfolgung, Feuerleitführung und Bodenerkennung) zu verleihen. die immer noch als fortschrittliche Technologie gilt. Das Erscheinungsbild einer Phased-Array-Antenne unterscheidet sich nicht wesentlich von dem einer herkömmlichen Planar-Array-Antenne. Es kann sogar einfach so verstanden werden, dass die Feed-Struktur basierend auf einer gewöhnlichen maschinell gescannten Planar-Array-Antenne geändert wird (natürlich werden sich der Back-End-Sender/Empfänger und der Signalverarbeitungsalgorithmus stark ändern). Eine passive Phased-Array-Antenne (PESA) kann durch Hinzufügen eines Phasenschiebers am hinteren Ende der Antenneneinheit erhalten werden. Wenn Sie dem Phasenschieber keine TR-Komponente hinzufügen möchten, können Sie sich eine aktive Phased-Array-Antenne (AESA) zulegen. Für Antenneningenieure kann das gleiche Antennenarray wie AESA oder PESA verwendet werden. Daher besteht für Planar-Array-Antennen ein großes Potenzial für die Aufrüstung zu Phased-Array-Antennen.


Das zur AESA-Antenne aufgerüstete Radar verfügt über eine höhere Sendeleistung, einen längeren Erfassungsabstand, eine empfindlichere Strahlabtastung und eine leistungsfähigere Strahlformungsfunktion. Es ist auch einfacher, eine durchschnittliche Nebenkeule von -50 und -60 dB zu erhalten.


 
Nehmen Sie als Beispiel F22. Das AESA-Radar dieser neuen Generation von Tarnkappenjägern verwendet gerne Dipol-Arrays (die Abbildung zeigt das Schirm-Dipol-Array, das vom apg77-Radar von F22 verwendet wird). Das Element verfügt über eine Dipolantenne mit Breitbandeigenschaften, einem breiten Elementmuster und einer einfach zu realisierenden Großwinkelabtastung  
 



 
Apg77-Radarantenne von F22  
 


Der vordere hervorstehende Teil kann leicht mit der TR-Komponente verwechselt werden. Genau genommen handelt es sich tatsächlich um die Antennenoberfläche. Die TR-Komponente wird an der Rückseite der Antenne angeschlossen (obwohl die TR-Komponente im Allgemeinen zu einer Einheit mit der Antenne verarbeitet wird, wird sie hier dennoch unterschieden).


Das in der neuen Böe verwendete AESA-Radar rbe2 (wie in der Abbildung unten gezeigt) übernimmt das Vivaldi-Antennenarray. Das Besondere an dieser Antenneneinheit ist, dass die Bandbreite sehr groß ist, sodass die Bandbreite des gesamten Antennenarrays erweitert werden kann.


 
RBE2 AESA  
 



 
RBE2 AESA  
 


Natürlich gibt es einige besondere. Zum Beispiel das folgende apy9-Radar, das von E2d-Frühwarnflugzeugen mit Yagi-Antenne als Einheit verwendet wird. Im Vergleich zur elektromagnetischen Wellenlänge des UHF-Bands ist die Antennengröße sehr begrenzt. Um einen idealeren schmalen Strahl und einen hohen Gewinn zu erzielen, muss der Strahl der Antenneneinheit verengt werden. Daher ist die Yagi-Antenne die ideale Wahl. Die Yagi-Antenne mit hoher Verstärkung kann als Einheit die Verstärkung des Arrays erheblich verbessern. Aber die Dinge sind immer relativ. Der schmale Einheitsstrahl der Yagi-Antenne schränkt die Weitwinkel-Abtastfähigkeit des Arrays erheblich ein. Wenn der Antennenabtastwinkel stark vom Normalwert abweicht, sind die Abnahme des Gewinns und die Wellenformverzerrung sehr offensichtlich. Daher nutzt apy9 die Kombination elektromechanischer Abtastung, um den Mangel auszugleichen.


 
Lineares Yagi-Antennen-Array mit 2 * 9 Elementen für E2d apy9-Radar

 
   
Lineares Yagi-Antennen-Array mit 2 * 9 Elementen für E2d apy9-Radar  
 


Es ist die Entwicklung der Phased-Array-Technologie, die die Flugantenne in eine neue Phase katapultiert.


Die Entwicklung der Antenne ist ein Inbegriff der gesamten technischen Entwicklung des Radars. Obwohl wir die Radarleistung nicht anhand des Aussehens der Antenne bestimmen und die Gesamtleistung des Radars messen können, achten wir in der Technik häufig auf die Koordination und Ausgewogenheit zwischen Systemen. Wenn die Gesamtleistung eines Radarsystems verbessert wird, kann die Antenne nicht schlechter sein. In Zukunft werden Ingenieure weiterhin Probleme wie die Großwinkelabtastung von Phased-Array-Antennen (wodurch der Abtastbereich zu diesem Zeitpunkt um 60 Grad erweitert wird), UWB, gemeinsame Apertur, konforme usw. überwinden, um dies zu fördern Entwicklung eines Flugradarsystems.

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