II. THIẾT KẾ ANTEN THU RA ĐA CỘNG HƯỞNG
2. Chỉ tiêu chiến - kỹ thuật đài rađa “Resonance-NE”
2.3. Nguyên lý xây dựng đài rađa
Chừng nào, trong dải sóng mét khó nhận được độ phân giải và độ chính xác theo toạ độ không gian ba chiều tốt thì rađa này có thể xem như rađa phát hiện mục tiêu từ
xa. Các anten loại rađa này có kích thước lớn, thực tế được chế tạo như các các anten mạng di pha cố định. Các rađa phát hiện xa cần đảm bảo phát hiện liên tục (không quét) và bám sát từng mục tiêu, yêu cầu chiếu sáng liên tục mục tiêu trong rẽ quạt kiểm tra. Nghĩa là giản đồ hướng của anten phát cần bằng rẽ quạt kiểm tra. Nghĩa là phải gần như vô hướng trong rẻ quạt kiểm tra. Anten thu thì ngược lại, cần phải có tính định hướng cao, để đảm bảo cho phép góc các mục tiêu và độ chính xác cần thiết các phép đo góc. Điều này dẫn đến trong rẽ quạt kiểm tra cần thiết thiết lập hình quạt các giản đồ độc lập ở phần thu, biểu thị như ở hình 4. Tóm lại vị trí có thể dùng anten phát đơn giản tuỳ ý, ở trạng thái một hoặc nhiều thanh bức xạ dạng các dao động nữa bước sóng dải rộng hay anten lôga chu kỳ
Hình 4. Giản đồ hướng thiết bị anten phát và thu của một môđun đài ra®a cộng hưởng.
Nhờ dao động nằm ngang của phần khúc xạ có thể đảm bảo bức xạ trong rẻ quạt phương vị ± (300... 450), tức là rẽ quạt 600... 900. Anten chu kỳ loga đảm bảo bức xạ trong rẽ quạt 600, còn hai Anten chu kỳ loga với trục lệch nhau 600, bức xạ trong rẽ quạt 1200.
Anten thu là mạng di pha, bao gồm nhiều phần tử anten hay một nhóm phần tử và thiết bị tạo giản đồ hướng. Tạo giản đồ rẽ quạt có thể có dạng hình trụ cũng như dạng.... Khối thu nhiều kênh và xử lý nhiều kênh các tín hiệu theo số lượng các giản
đồ rẽ quạt đạt yêu cầu trong trường hợp bất kỳ. Độ rộng các giản đồ rẽ quạt trong mặt phẳng phương vị và số lượng của chúng chọn ban đầu từ yêu cầu theo.
Việc ứng dụng các giải pháp công nghệ mới trong thiết kế, chế tạo máy bay và các đài ra đa cũng như trong các phương pháp xử lý thông tin ra đa cho phép chế tạo các tổ hợp АРЛК (tổ hợp ra đa…) có thể thực hiện sớm (ở cự ly lớn) phát hiện và bám sát bất kỳ phương tiện bay nào. Đây là đài ra đa có vùng phát hiện về cự ly, về phương vị, về độ cao và về vận tốc lớn, ngoài ra, loại đài ra đa này còn có đặc trưng hướng thu sóng điện từ đồng thời từ tất cả các hướng ở các tần số khác nhau: đài có khả năng đo phương vị, cự ly của mục tiêu và đặc biệt đo vận tốc hướng tâm của mục tiêu rất cao.
Các chế độ làm việc của đài ra đa này, trong đó có quá trình xử lý và truyền thông tin ra đa cho các đối tượng dùng tin được tự động hoá hoàn toàn. Trong trường hợp cần thiết, tổ hợp này còn được trang bị hệ thống xác định sở hữu quốc gia. Đài rađa này có thể lắp được trên nhiều loại máy bay – phương tiện mang khác nhau. Sau khi được trang bị các phương tiện cần thiết, tổ hợp Àéậấ này sẽ giải quyết được 1 loạt các nhiệm vụ về trinh sát và phát hiện mục tiêu trên mặt đất.
Một trong những loại hình rađa báo động sớm, ứng dụng các hiệu ứng vật lý mới như vậy là rađa "Resonance- NE’’ – do Trung tâm nghiên cứu NIDAR (Cộng hòa Liên bang Nga) thiết kế chế tạo, đài làm việc ở tần số thấp 35 – 70 MHz, đa chức năng với đặc điểm sau:
- Khai thác tốt nguyên lý “Cộng hưởng” phát hiện đa dạng các mục tiêu, hiệu quả cao ở dải tần 30-75MHz;
- Khai thác tốt hiệu ứng lan truyền sóng bề mặt tận dụng tối đa hiệu ứng cuối đường chân trời.
Đài rađa cộng hưởng có tính đa năng cho nhiệm vụ cảnh giới, dẫn đường, chỉ thị mục tiêu. Báo động sớm phù hợp với nhiệm vụ của Quân chủng PKKQ, Quân chủng HQ với đặc thù bờ biển dài.
Khả năng làm việc 24/24 do sử dụng hệ thống anten tĩnh, có khả năng quan sát liên lục trong mọi hướng nên giảm được bài toán cơ khí lực truyền động và liên kết giao liên cao tần và điều khiển quay anten. Khả năng nhịp độ lấy tin rất cao (1 giây) – Nhịp độ lấy tin rất cần thiết trong tác chiến vốn không thể có được ở các đài rađa tầm xa quét bằng cơ khí.
Hệ thống rađa xây dựng trên cơ sở bán cơ động bao gồm:
- Anten tĩnh: cấu trúc đơn giản;
- Cơ động: Toàn bộ trang bị;
- Đài xây dựng theo nguyên tắc rađa số, đặc biệt là hệ thống thu- phát độc lập trên cơ sở phát triển rađa đa vị trí, thu đa kênh, xử lý giản đồ hướng anten theo nguyên tắc từ pha sang số, áp dụng có hiệu quả nguyên lý “xử lý toán học” tạo tiềm năng tin tức rađa cao.
- Nghiên cứu kết hợp xây dựng lực lượng thực hiện nhiệm vụ với bước đi cơ bản chủ động về thiết kế hệ thống kỹ thuật, công nghệ và tích hợp, thực nghiệm đánh giá.
2.4. Phân tích yêu cầu chiến- kỹ thuật của đài rađa "Resonance- NE’’ và lập luận về tính khả thi của chúng.
Việc nghiên cứu phát triển và xuất hiện các loại tên lửa có cánh chiến thuật và chiến lược mới, máy bay tiêm kích F117A, máy bay ném bom B-2 có sử dụng công nghệ tàng hình đã làm phức tạp thêm nhiệm vụ cảnh giới vùng trời. Công nghệ tàng hình sử dụng hình dáng đặc biệt của các phương tiện bay và dùng lớp sơn chống rađa đã làm cho các mục tiêu này thực sự đã trở nên không nhìn thấy đối với các loại rađa cũ.
Ngoài ra, ở Mỹ người ta đang nghiên cứu các phương tiện bay mới có thể bay với tốc độ siêu-siêu thanh (M>4) trên độ cao rất lớn, kể cả vùng vũ trụ thấp, đã phát triển xong loại máy bay siêu-siêu thanh làm bất lực hoàn toàn việc phát hiện kịp thời đối với các rađa hiện tại và các rađa đang còn trong giai đoạn nghiên cứu triển .
Vì vậy, việc tạo ra một loại rađa đa năng có thể thay thế hàng loạt các phương tiện ra đa hiện có, để có thể phát hiện các mục tiêu một cách chắc chắn như nhau đối với cả các loại mục tiêu đang tồn tại, cả đối với các loại mục tiêu mới đang còn trong quá trình nghiên cứu phát triển, kể cả các mục tiêu khó phát hiện, do được chế tạo theo công nghệ tàng hình và các máy bay siêu-siêu thanh trong khi lại tương đối không đắt trong chế tạo, có độ tin cậy cao, thực sự là nhiệm vụ quan trọng và cấp bách.
Đài rađa cộng hưởng “Resonance- NE” thoả mãn được tất cả các yêu cầu rất cao đó.
Yếu tố quyết định trong việc thực hiện được bài toán đặt ra là việc sử dụng hiệu ứng phản xạ cộng hưởng sóng vô tuyến từ các mục tiêu. Nếu bước sóng của sóng vô tuyến xấp xỉ với kích thước của mục tiêu, thì có thể chọn được một tần số làm việc, sao cho bề mặt tán xạ hiệu dụng, ví dụ, đối với mục tiêu có hình dáng của một thanh dài, nó có thể là vật thể bay tương tự như tên lửa có cánh, hoặc máy bay, thì khi phản xạ
sóng vô tuyến có chiều dài bước sóng lớn gấp 2 chiều dài của thanh, ta thấy diện tích tán xạ hiệu dụng của mục tiờu lớn gấp nhiều lần. Trong trường hợp tán xạ cộng hưởng thì chỉ có kích thước của mục tiêu là ảnh hưởng đến diện tích tán xạ hiệu dụng . Hình dạng mục tiêu cũng như lớp sơn chống rađa đều không ảnh hưởng đáng kể đến diện tích tán xạ hiệu dụng của mục tiêu. Lớp sơn muốn ảnh hưởng được đến bề mặt tán xạ hiệu dụng thì nó phải có độ dầy đến hàng mét và xấp xỉ với kích thước mục tiêu, điều mà không thể làm được đối với các thiết bị bay. Chính vì vậy mà sẽ có hiệu quả hơn nhiều nếu thiết kế rađa làm việc ở dải sóng mét (trong vùng 4-10m) là vùng tần số chưa từng được sử dụng trong các rađa trước đây.
Yếu tố quyết định thứ hai là việc sử dụng những giải pháp kỹ thuật hoàn toàn mới để thiết kế rađa nhờ việc áp dụng các thành tựu mới nhất trong kỹ thuật tính toán và các thuật toán xử lý thông tin. Phần lớn các thiết bị tương tự của đài rađa cộng hưởng “Resonance- NE" được thay bằng kỹ thuật số. Kỹ thuật số trong tổ hợp tính toán cũng được dùng để tạo nên giản đồ hướng của anten, và kết quả là không cần đến việc quay anten bằng hệ thống cơ khí nữa. Các bộ máy tính nhỏ, gọn đã thay thế các máy thu cồng kềnh và máy phát được làm bằng bán dẫn đã cho phép đặt cả đài rađa vào trong một số tủ kích thước không lớn và dễ dàng đặt hết chúng vào một vài Container .
Kết quả là đài rađa được nghiên cứu phát triển này có các ưu điểm sau đây đối với các đài rađa đang tồn tại:
a) Phát hiện được một số lượng rất lớn các chủng loại mục tiêu, kể cả các mục tiêu được sản xuất theo công nghệ tàng hình;
b) Cự ly phát hiện mục tiêu rất lớn, đến 1100Km;
c) Khả năng phân biệt cao nhờ việc sử dụng thêm yếu tố tốc độ như là một toạ độ để phân biệt mục tiêu;
f) Có khả năng phát hiện mục tiêu bay rất cao
g) Có độ tin cậy rất cao: thời gian làm việc trung bình giữ 2 lần hỏng là 1500h, thời gian hồi phục là 0,5h;
h) Có thể làm việc trong chế độ tự động hoàn toàn, việc truyền tin không có sự tham gia của trắc thủ;
i) Có khả năng chống nhiễu rất cao nhờ vào dải tần làm việc rộng và các biện pháp đặc biệt để chống nhiễu;
* Đặc điểm về tính hiệu quả của dải tần số làm việc
Dải của tần số làm việc nằm trong vùng có sự phản xạ cộng hưởng của các loại mục tiêu chính trong đó diện tích tán xạ hiệu dụng có giá trị lớn nhất. Vùng này ứng với giá trị của độ dài bước sóng, độ dài này gần như gấp đôi kích thước của mục tiêu hoặc các bộ phận riêng rẽ nào đó của mục tiêu, chúng tạo nên phần chính của tín hiệu phản xạ. Đối với các máy bay kích thước lớn, vùng này tiến dần vào vùng sóng ngắn (1-30MHz), là vùng mà sóng vô tuyến có thể lan truyền ra sau chân trời và xuất hiện thêm nhiễu do sự phản xạ sóng vô tuyến từ tầng điện ly.
Sự phụ thuộc của diện tích tán xạ hiệu dụng vào tần số đối với các đối tượng khác nhau trình bày trong hình 1. Những đường cong này nhận được từ một khối lượng nghiên cứu rất lớn khi đo thực tế biên độ của sóng phản xạ từ các mô hình thu nhỏ của các đối tượng trên không. Phương pháp đo diện tích tán xạ hiệu dụng này gọi là phương pháp mô phỏng điện-động học , nó cho các kết quả chính xác và các dữ liệu đáng tin cậy. Đặc biệt dễ thấy hiệu quả của dải tần số đã chọn. Dễ thấy diện tích tán xạ hiệu dụng của tên lửa có cánh trên đường biểu diễn sự phụ thuộc vào tần số (hình 1).
Thứ nhất, ảnh hưởng của lớp sơn chống rađa đến sự giảm bề mặt tán xạ của đối tượng (đường cong xanh trên hình 1) giảm dần đến tận 0 khi giảm tần số đến 200MHz. Thứ hai, làm việc trên tần số tán xạ cộng hưởng làm tăng diện tích tán xạ hiệu dụng lên đến 10 lần và còn lớn hơn (xem hình 1). Đối với các đối tượng có kích thước lớn, tần số cộng hưởng tán xạ nằm trong vùng sóng ngắn(1-30MHz) nhưng ở các tần số đó ra đa làm việc không hiệu quả do ảnh hưởng rất lớn của nhiễu vô tuyến. Sự phụ thuộc của các loại nhiễu khác nhau ảnh hưởng đến ra đa vào tần số trình bày trong hình 2. Rõ ràng từ các đường cong phụ thuộc này, trên tần số thấp hơn 30MHz bắt đầu có sự tăng mạnh của nhiễu bên ngoài do sự lan truyền sau chân trời của sóng vô tuyến .
Vì vậy, giới hạn dưới của dải tần số làm việc được chọn gần tới dải sóng ngắn, còn giới hạn trên quyết định bởi tính phản xạ cộng hưởng của sóng vô tuyến từ các đối tượng có kích thước nhỏ nhất và hạn chế bởi khả năng của thiết bị.
Ngoài sự phụ thuộc vào tần số của diện tích tán xạ hiệu dụng của các đối tượng chuyển động lại gần ra đa, sự phụ thuộc vào góc kẹp, nghĩa là sự phụ thuộc của diện tích tán xạ hiệu dụng vào góc quan sát đối tượng cũng rất quan trọng. Như đã thấy, sự phụ thuộc của diện tích tán xạ hiệu dụng vào góc kẹp của đối tượng trong dải tần đã chọn bị rách không lớn đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát hiện mục tiêu, đặc biệt
khi mục tiêu chuyển động trong các hướng khác nhau. Việc sử dụng đồng thời cả 2 loại phân cực, phân cực đứng và phân cực ngang còn làm giảm độ bị rách của sự phụ thuộc của diện tích tán xạ hiệu dụng vào tần số và góc kẹp và vì thế đã nâng cao hiệu quả phát hiện và bám sát các đối tượng trong dải tần đã chọn.
3. Những dữ liệu tham chiếu từ đài rađa cộng hưởng “Resonance- NE”. Cơ sở lập luận thiết kế hệ thống mẫu ra đa cộng hưởng thu gọn
3.1. Tổng quan
3.1.1. Những yêu cầu mới
- Tác chiến với thiết bị bay công nghệ tàng hình.
- Tác chiến với thiết bị bay tốc độ lớn.
- Tác chiến với thiết bị bay với độ cao cao, độ cao thấp và rất thấp.
- Tác chiến với đa dạng mục tiêu
- Phạm vi vùng phát hiện rộng, sớm về cự ly, phương vị, độ cao.
- Độ phân biệt, độ chính xác mục tiêu cao
- Tự động hóa ở các chế độ làm việc, các tham số linh hoạt.
- Độ tin cậy hệ thống cao
- Yếu tố quyết định thực hiện nhiệm vụ đặt ra là:
+ Sử dụng hiệu ứng cộng hưởng tán xạ thứ cấp.
+ Sử dụng các thuật toán mạng trong xử lý tín hiệu, thông tin ra đa.
+ Sử dụng các phương tiện tính toán mạnh.
- Những yêu cầu đặc trưng chiến – kỹ thuật cơ bản:
+ Về chiến thuật: - Vùng phát hiện ra đa.
- Độ phân giải, chính xác tọa độ mục tiêu ra đa.
- Tọa độ, thời gian lấy tin.
+ Về kỹ thuật: - Tần số làm việc
- Các tham số về tín hiệu phát, tín hiệu thu - Khai thác, đảm bảo
+ Về cấu trúc - Thành phần hệ thống.
- Số lượng các đơn vị kỹ thuật.
- Vận hành sử dụng thiết bị.
3.1.2. Lập luận về tần số làm việc, phân cực tín hiệu ra đa.
- Hiện nay phản xạ cộng hưởng có thể tăng diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu tàng hình vài chục lần.
- Với mục tiêu lớn tần số phản xạ cộng hưởng trong dải (1÷70MHz), ở tần số này còn có hiện tượng truyền lan mạnh của sóng vô tuyến dưới đường chân trời, song cần quan tam đến phản xạ khá mạnh từ tầng Ion. Với các mục tiêu bay, tần số phản xạ cộng hưởng trong dải (35÷70)MHz.
- Ảnh hưởng của công nghệ chống ra đa – Tàng hình, ở 200 MHz và cao hơn thì phản xạ mục tiêu gần tới 0.
- Với mục tiêu bay kích thước từ nhỏ đến lớn (Tên lửa có cánh, máy bay ném bom cỡ lớn) tần số phản xạ cộng hưởng ở dải (35÷70)MHz (mép dưới cho mục tiêu lớn, mép trên cho mục tiêu kích thước nhỏ).
- Phân cực tín hiệu: Sử dụng cả hai dạng phân cực đứng và ngang, tăng khả năng phát hiện và bám mục tiêu.
3.1.3. Những đặc trưng kỹ thuật cơ bản.
- Tần số làm việc: (35÷70)MHz (Bước chuyển 10KHz) - Số lượng tần số chuyển trong dải: 35000
- Hệ số khuếch đại anten phát: 8dB.
- Bề mặt hiệu dụng của anten: 18dB - Công suất phát: 1,2 kW
- Tần số lặp lại: 500; 1000 (Hz) - Độ rộng xung: 40ữ240 às
- Xung điều tần tuyến tính, di tần: 50KHz - Hệ số nén: 3÷200.
Tần số lặp và độ rộng xung chọn sao cho độ “xốp” thấp nhất, tức là Ptrungbinh cực đại khi làm việc ở các cụ ly khác nhau.
- Số lượng các kênh cự ly < 200.
- Số lượng các bộ lọc dople: 128, 256, 512, 1024.
- Thời gian tích lũy tương can: < 5 giây.
3.1.4. Những đặc trưng chiến thuật và tiềm năng thực hiện.
+ Phát hiện ở cự ly gần:
- Độ rộng xung: τx là 20às, cự ly tối thiểu 9km.
- Độ cao mục tiêu: