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Du paraboloïde au réseau phasé : un bref historique du développement des antennes radar aéroportées

Date de sortie:2021-12-28Source de l'auteur:KinghelmVues : 4485

Avec l'évolution des besoins militaires et les progrès de la science et de la technologie, la « teneur en or » du combat aérien devient de plus en plus élevée. Le développement du radar aéroporté des chasseurs en est un exemple typique. En termes d'apparence, la partie la plus intuitive de « l'évolution » de l'équipement radar est le changement de antenne. Ce qui suit est un bref exposé sur le développement du radar aéroporté antenne.


Le radar aéroporté a évolué à partir de la simple fonction de recherche et de télémétrie aérienne au début. Aujourd'hui, il doit non seulement prendre en compte la recherche, le suivi et le guidage de contrôle de tir dans une vaste zone, mais également réaliser des fonctions multiples telles que la cartographie au sol et l'imagerie SAR. D'une manière générale, le radar aéroporté nécessite la antenne pour avoir les caractéristiques de gain élevé (distance de détection facile à augmenter), faisceau étroit (précision de mesure d'angle facile à augmenter), lobe latéral faible (anti-brouillage), etc. Et obtenir un gain élevé et un faisceau étroit. Le plus simple est d'utiliser une direction antennes, comme Yagi antenne et paraboloïde (réflecteur unique) antenne. La taille de Yagi antenne est trop grand et comparé à Yagi antenne, paraboloïde antenne est plus facile d'obtenir un lobe secondaire bas. Par conséquent, le paraboloïde antenne est largement utilisé dans les radars aéroportés au début de la période suivant la guerre froide.


Parabolique antenne (réflecteur unique antenne).Ce genre de antenne utilise un paraboloïde de grande taille comme surface principale et un cornet au centre devant la surface principale comme alimentation (alimentation positive), (le cornet peut également s'écarter du centre, ce qui est appelé alimentation de biais). Son principe de fonctionnement est assez similaire au miroir paraboloïde en optique. Le principe de fonctionnement est le suivant : lorsque le antenne fonctionne en mode rayonnement, l'onde sphérique émise par le cornet frappe le paraboloïde, qui transforme l'onde sphérique incidente par le cornet en une onde plane et la rayonne dans l'espace libre. En mode de travail et de réception, la surface réfléchissante principale fait converger l'onde plane transmise depuis l'espace libre, qui est appelée onde sphérique, et la fait « revenir » vers le cornet d'alimentation. Ce type de antenne n'est pas difficile à traiter en bande X et en dessous, a une structure simple et un faible coût. Cependant, les inconvénients sont également évidents. En général, le paraboloïde antenne Il est facile d'obtenir des performances élevées lorsque le rapport du diamètre focal (le rapport entre la distance entre le pavillon et la surface réfléchissante et la taille de la surface réfléchissante principale) est élevé, de sorte que la section globale du antenne est élevé et le volume est important. Surtout lorsque le antenne Comme le réflecteur tourne et balaye dans son ensemble, il occupera beaucoup d'espace, donc son angle de balayage est également limité. Afin de résoudre ces difficultés, un double réflecteur appelé "Cassegrain" a vu le jour.


 
 
Composition de base et diagramme de fonctionnement du paraboloïde antenne  


 
Composition de base et diagramme de fonctionnement du paraboloïde antenne  
 


Radar SL1 de l'équipement tout temps j-5a (imitation du système soviétique) type РП- 1/5) antenne  


Cassegrain antenne.C'est une version améliorée antenne sous la forme d'un réflecteur unique antenne. Par rapport au réflecteur simple antenne, le sous-réflecteur supplémentaire peut optimiser au préalable l'onde électromagnétique émise par le cornet et lui faire présenter une distribution plus idéale, qui est réfléchie vers le réflecteur principal, qui transforme ensuite l'onde sphérique formée en une onde plane et la rayonne dans l'espace libre. L'avantage est qu'il peut améliorer la antenne efficacité d'ouverture, améliorer le gain, réduire considérablement le rapport de diamètre focal, réduire le profil global de l' antenne et réduire le volume. Une fois que le récepteur et le feeder deviennent le plan principal, cela est plus propice à l'agencement de routage du système et réduit le bruit du système. Cependant, l'introduction du réflecteur secondaire entraînera également le problème de l'augmentation du blindage de la surface principale, ce qui réduira à son tour le gain global du antenne et augmenter le niveau des lobes secondaires.


 

Composition de base et principe de fonctionnement de Cassegrain antenne

 

       
Radar Eagle de l'intercepteur Su-15( РП- 11)  
 



 
Radar Eagle de l'intercepteur Su-15( РП- 11)  
 


Afin de résoudre le problème de l'occlusion du sous-réflecteur, un antenne appelé Cassegrain inversé est proposé et largement utilisé dans les radars aéroportés. Le Cassegrain inversé, également connu sous le nom de Cassegrain déformé antenne. Basé sur le Cassegrain antenne, la position du sous-réflecteur est transformée en un paraboloïde à grille de polarisation et la position du réflecteur principal est transformée en une plaque de torsion de polarisation. (en fait, dans la carte inversée antenne, les positions des plans principaux et auxiliaires sont évidemment différentes de celles du Cassegrain ordinaire.) Le principe de fonctionnement est assez différent de celui du Cassegrain antenne: l'alimentation du cornet au niveau de la plaque de torsion de polarisation réfléchit presque complètement l'onde électromagnétique de polarisation linéaire horizontale envoyée par la grille de polarisation avant, transforme l'onde sphérique en une onde plane, frappe la plaque de torsion de polarisation arrière, transforme l'onde de polarisation horizontale en une onde électromagnétique de polarisation linéaire verticale et la transmet depuis la grille de polarisation avant, Rayonne dans l'espace libre. En bref, bien que le faisceau émis par l'alimentation de la carte inversée soit également réfléchi deux fois, il est différent du Cassegrain ordinaire antenneIl y a un processus de torsion de polarisation au milieu. La grille de polarisation devant le antenne bloque uniquement l'onde électromagnétique à polarisation horizontale et a peu d'effet sur l'onde à polarisation linéaire verticale. Par ailleurs, afin de lutter contre l'encombrement au sol, les radars aéroportés antennes sont principalement à polarisation linéaire verticale antennes. Il réalise le balayage du faisceau en faisant tourner correctement la plaque de torsion de polarisation. Par conséquent, la carte inversée antenne résout le problème de blindage du sous-réflecteur et peut légèrement décaler la grille d'alimentation et de polarisation, réduisant encore le profil de l'ensemble antenneEn raison de ses avantages uniques, la carte inversée antenne est très populaire dans la machine de deuxième génération.



Principe de fonctionnement de la carte inversée antenne: la grille de polarisation se trouve sur la barre transversale avant. La plaque de torsion polarisée est disposée à une inclinaison de 45 degrés à l'arrière



 
La carte inversée antenne utilisé par le radar saphir-21 associé au mig-21bis, il convient de noter que sa grille de polarisation n'est pas installée  
 



 
Cassegrain inversé antenne utilisé dans le système radar ai-24 du chasseur Gale  
 



 
La carte inversée antenne utilisé par le Tornado du mig25, un radar n'est pas installé sur sa surface de grille de polarisation  
 



 
La carte inversée antenne utilisé par le radar Su27 n001 est le même. Notez que sa surface de grille de polarisation n'est pas installée  
 



 
La carte inversée antenne utilisé par le radar n001 de Su27 est dans un état complet et la surface de la grille de polarisation est installée  
 


Le principe de fonctionnement de base de ce qui précède antennes est basé sur la forme du réflecteur, qui n'est rien de plus qu'un réflecteur simple ou double, la torsion de polarisation et d'autres détails. En contrôlant la distance entre le cornet et la surface principale, en ajustant le cône d'irradiation, etc., il est facile d'obtenir un gain élevé et un lobe secondaire faible. Des performances satisfaisantes peuvent également être obtenues au début. Néanmoins, bien que les exigences de traitement du antenne fonctionnant sous forme de réflecteur ne sont pas élevés (la bande X est bonne, et la difficulté augmente fortement dans la bande de fréquence supérieure), le coût est acceptable. Cependant, avec l'amélioration des performances des radars aéroportés, de nouvelles exigences sont posées pour le antenne, comme un angle de balayage plus grand, un lobe latéral plus bas et un faisceau façonné. Les défauts inhérents à la carte inversée antenne Il faut également noter qu'il y aura toujours une fuite d'énergie (ce qui réduira l'efficacité de l'ouverture et fera perdre le gain), que la distorsion du faisceau pendant le balayage est également grave (le gain du lobe principal diminue, le faisceau principal devient plus large et le lobe latéral monte), et qu'il y a toujours le problème des grandes antenne poids. Par conséquent, nous pensons tous que les trois générations d'avions qui veulent prendre le contrôle aérien : mig29 et Su 27 ont utilisé le Cassegrain inversé antennes à leurs débuts, ce qui est plutôt minable.


Nous savons que pour répondre aux exigences de gain élevé, de faisceau étroit et de lobe latéral faible du radar aéroporté, le paraboloïde antenne a été utilisé plus tôt en raison de sa structure simple. Il existe également une version légèrement plus complexe antenne avec de meilleures performances, c'est-à-dire un réseau planaire antenne. Réseau planaire antenne est un tableau typique antenne.De quelques dizaines à des centaines, voire des milliers de petites unités antenneLes unités sont disposées uniformément sur la surface du réseau selon certaines règles et espacements. Une seule unité antenne peut avoir un faisceau large et un faible gain, mais s'appuyer sur de nombreuses unités antennes sur le antenne réseau et fonctionnant ensemble, il peut atteindre un gain élevé, un faisceau étroit et même un lobe secondaire ultra-faible (il peut même être mis à niveau vers un réseau phasé planaire à un stade ultérieur). Par conséquent, en raison de ses excellentes performances, le réseau planaire antenne réflecteur rapidement remplacé antenne et est devenu le courant dominant de divers systèmes radar aéroportés de troisième génération, de troisième génération modifiée et de quatrième génération. À l'heure actuelle, le radar aéroporté avancé - radar à réseau phasé - se présente presque sous la forme d'un réseau plan antenne.


Réseau planaire commun antennes incluent un réseau de fentes de guide d'ondes (plaque plate), un réseau de guides d'ondes ouverts, un réseau de dipôles, Vivaldi antenne réseau, patch microruban antenne tableau et ainsi de suite.


Le réseau de fentes de guide d'ondes est une structure de transmission micro-ondes courante. La surface du guide d'ondes est rainurée, de sorte que la petite fente devient une antenne pour émettre des ondes électromagnétiques. Il présente l'avantage de s'adapter à la structure d'alimentation et d'avoir une grande capacité de puissance. La fente du guide d'ondes aéroporté ressemble à une ouverture sur une plaque plate, c'est pourquoi on l'appelle parfois réseau de fentes à plaque plate.

 
Le radar Apy1 utilisé dans l'E3 adopte une fente de guide d'ondes antenne tableau  
 



 
Le dipôle IFF antenne (réseau) dépasse de la périphérie du réseau de fentes plates utilisé par le radar apg63 du F15  
 


 

     Le dipôle IFF antenne (réseau) dépasse de la périphérie du réseau de fentes plates utilisé par le radar apg63 du F15  
 



 
Réseau de fentes plates utilisé par le radar apg66 de f16a/b  
 


De même, il existe un réseau de guides d’ondes ouvert antenneLe guide d'ondes ouvert utilise également la structure du guide d'ondes, mais il n'est pas fendu, mais utilise directement la surface du port du guide d'ondes pour diffuser des ondes électromagnétiques. Étant donné que le profil de cette forme de guide d'ondes ouvert est légèrement plus grand et que le poids est trop lourd, il est plus courant dans les radars terrestres ou embarqués, et cette forme est rarement utilisée dans les radars aéroportés.


La structure ci-dessus utilisant un guide d'ondes pour l'alimentation et le rayonnement est propice à antenne correspondant. Sa grande capacité de puissance est son avantage remarquable. Cependant, antenne La bande passante est souvent limitée et le poids est difficile à contrôler. Par la suite, de nombreuses conceptions innovantes sont progressivement utilisées dans les systèmes radar aéroportés.


En fait, à la fin de la guerre froide, afin de permettre au radar aéroporté d'obtenir une vitesse de balayage plus rapide et des performances plus puissantes (telles que la recherche et le suivi simultanés, le guidage de tir et la détection au sol), les ingénieurs ont utilisé un réseau phasé. antenne pour le radar aéroporté, qui est toujours considéré comme une technologie avancée. L'apparition du réseau à commande de phase antenne n'est pas très différent de celui d'un réseau planaire commun antenne. Cela peut même être simplement compris comme une modification de la structure d'alimentation basée sur un réseau planaire scanné par une machine ordinaire antenne (bien sûr, l'émetteur/récepteur back-end et l'algorithme de traitement du signal changeront considérablement). Un réseau phasé passif antenne (PESA) peut être obtenu en ajoutant un déphaseur à l'arrière du antenne unité. Si vous n'aimez pas ajouter un composant tr au déphaseur, vous pouvez obtenir un réseau phasé actif antenne (AESA). Pour antenne ingénieurs, les mêmes antenne Le réseau peut être utilisé comme AESA ou PESA. Par conséquent, pour un réseau planaire antenne, il a un grand potentiel pour être mis à niveau vers un réseau à commande de phase antenne.


Pour le radar mis à niveau vers AESA antenne, il a une plus grande puissance de transmission, une distance de détection plus longue, un balayage de faisceau plus sensible et une fonction de mise en forme de faisceau plus puissante. Il est également plus facile d'obtenir un lobe secondaire moyen de - 50 et - 60 dB.


 
Prenons l'exemple du F22. Le radar AESA de cette nouvelle génération de chasseur furtif aime utiliser un réseau dipôle (la figure montre le réseau dipôle parapluie utilisé par le radar apg77 du F22). L'élément adopte un dipôle antenne, qui présente des caractéristiques de large bande, un motif d'éléments large et un balayage grand angle facile à réaliser  
 



 
Radar Apg77 antenne du F22  
 


La partie saillante avant est facilement confondue avec le composant TR. À proprement parler, il s'agit en fait du antenne surface. Le composant TR est connecté à l'arrière du antenne (bien que le composant TR soit généralement traité en un seul avec le antenne, on le distingue encore ici)


Le radar AESA rbe2 utilisé dans la nouvelle rafale (comme indiqué dans la figure ci-dessous) adopte Vivaldi antenne tableau. La caractéristique de ce antenne l'unité est que la bande passante est très large, donc la bande passante de l'ensemble antenne le tableau peut être étendu.


 
RBE2AESA  
 



 
RBE2AESA  
 


Bien sûr, il y en a quelques-uns de spéciaux. Par exemple, le radar apy9 suivant utilisé par l'avion d'alerte précoce E2d avec Yagi antenne comme unité. Par rapport à la longueur d'onde électromagnétique de la bande UHF, sa antenne La taille est très limitée. Afin d'obtenir un faisceau étroit plus idéal et un gain élevé, son antenne Le faisceau unitaire doit être rétréci. Par conséquent, Yagi antenne est devenu un choix idéal. Le Yagi à gain élevé antenne en tant qu'unité peut améliorer considérablement le gain du réseau. Mais les choses sont toujours relatives. Le faisceau unitaire étroit de Yagi antenne limite considérablement la capacité de balayage grand angle du réseau. Lorsque le antenne Si l'angle de balayage s'écarte considérablement de la normale, la diminution du gain et la distorsion de la forme d'onde seront très évidentes. Par conséquent, apy9 utilise la combinaison du balayage électromécanique pour compenser cette déficience.


 
Yagi 2 * 9 éléments antenne réseau linéaire pour radar E2d apy9

 
   
Yagi 2 * 9 éléments antenne réseau linéaire pour radar E2d apy9  
 


C'est le développement de la technologie à réseau phasé qui rend l'avion antenne entrer dans une nouvelle étape.


Le développement de antenne est un exemple du développement technique global du radar. Bien que nous ne puissions pas déterminer les performances du radar en fonction de l'apparence du antenne et mesurer les performances globales du radar, nous prêtons souvent attention à la coordination et à l'équilibre entre les systèmes en ingénierie. Si les performances globales d'un système radar sont avancées, antenne ça ne peut pas être pire. À l'avenir, les ingénieurs continueront à surmonter des problèmes tels que le balayage à grand angle des réseaux phasés antenne (élargissant la plage de balayage de 60 degrés à ce stade), UWB, ouverture commune, conforme, etc., afin de promouvoir le développement du système radar aéroporté.

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