линзы люнеберга в авиации что это
Зачем нужен «стелс»? Чтобы командование не знало, где он шляется…
Как-то года полтора назад была такая статья — «Все ненужное на слом, …а В-2 в заправщики!», где упоминался первый опыт использования F-35 на учениях «Рэд флэг». На днях тут израильтяне тоже вышли первопроходцами — впервые применили F-35 в бою. Даже фото (на заставке) подогнали — cебяшку над Бейрутом.
Ну, не будем про то, что фото сделано над столицей «независимого» Ливана (какая такая территориальная неприкосновенность?), интереснее другое — обведенное кружочком.
Это «линза Люнеберга», предназначенная для увеличения ЭПР самолета. То есть F-35 с ними перестает быть «стелсом». Зачем же тогда лезть в чужое воздушное пространство, если ты на экранах вражеских РЛС (там есть немного 🙂 светишь как рождественская елка?
Вообще «линзы Люнеберга» можно заметить на F-35 довольно часто, особенно при перегонах в другие страны. Вот, недавно как Северную Корею пугали, тогда тоже были. В чем дело?
А дело как всегда в «гладко было на бумаге» — хорошо быть «стелсом» в теории. Но вот ты «такой невидимый» над линией фронта и тебя неожиданно засекают СВОИ. У СВОИХ возникает резонный нордический вопрос: Du bist wer? Ну и че делать? Включать ответчик «свой-чужой», чтобы тебя на сотни километров радиоразведка взяла на крючок? Это один самолет, а если в воздухе несколько … эскадрилий? (ибо военные «одним» самолетом не оперируют) А если они неожиданно напорются друг на друга? Всем включить «ответчики»? А как этим бардаком будет управлять начальство, не видя их на экранах своих РЛС? Прямой путь к «дружественному огню» — любимой статьей потерь американцев еще со Вьетнама.
Позвольте, а зачем тогда вообще нужен «стелс»? Не, на войне все пригодится. Вспомните, чем был первый «стелс» — «Хромой карлик» F-117? (вообще большая дура, какой там карлик?). Фактически воздушным диверсантом для выполнения особо важных заданий (смотреть — Панама, Ирак, Югославия). Одиночно, «как летать в ночи», чтоб ни свои ни чужие не заметили. Если свои расстреляют собьют — сам виноват, лучше надо было маскироваться! Но много так не пошлешь, вот и было F-117, как пальцев на конечностях трех последних президентов России! Есть второй вариант — предупредить все «заинтересованные стороны» по маршруту полета — ВВС, ПВО, наземные/флот, что «летит что-то черное — turt*, не стреляйте, оно наше!» Проблема организационная — долго, ненадежно (вдруг кого забудешь) и народ банально поймет не так.
А если «стелсов» — полки и дивизии? Объем проблем представляете? Нет уж, лучше «линзы» каждому на зад вместо колокольчика!
А тогда зачем вообще нужны «стелсы»? Вопрос интересный. Зачем наши пустили в серию Су-35, когда на подходе Су-57? И зачем Израиль вдруг затребовал дополнительные истребители F-15, древние, как то самое, когда уже во всю получает «супер» F-35?
Воюют солдаты, они — главный расходный материал войны, а диверсантов много не нужно. Хотя они, конечно, «элита»…
___________
* — Тhe little turd — прозвище F-35 в ВВС США
Линза Люнеберга. От загадочного артефакта до современного истребителя
Вопросы распространения волн в неоднородной среде и электронного поворота радиолуча без механического разворота многотонной антенны актуальны до сих пор, Поэтому, давайте вспомним загадочный артефакт под названием «линза Люнеберга».
Работы по созданию радиолокаторов с электронным поворотом луча велись с конца 1950-х годов. Наиболее известен американский военно-морской радар AN/SPG-59, который разрабатывался для ракетного крейсера проекта «Тифон» (так и не завершённого). Сама линза Люнеберга находилась глубоко в корпусе корабля, а снимаемый с неё сигнал усиливался многоканальным усилителем и излучался сферической конструкцией, видной на самой верхушке надстройки.
Немецкий математик Р.К. Люнеберг создав линзу, вывел закон, согласно которому, лучи прошедшие из точки через объемную сферу будут образовывать плоский фронт волны. Если же волна падает из дальней зоны, то происходит обратный эффект – волна собирается в точку на противоположной стороне, т.е. может попадать прямо в облучатель.
В чём прелесть линзы Люнеберга? Представьте себе, что на её поверхности находится точечный источник света, например светодиод. Он излучает радиальные лучи света, но проходя через линзу они превращаются в параллельный пучок лучей. Получается прожектор.
Теперь представьте, что на поверхности линзы находится множество светодиодов. Зажигая попеременно каждый из них, мы получаем лучи разного направления. То есть мы поворачиваем луч прожектора, не поворачивая механически самой конструкции. Более того — с помощью одной линзы можно получить несколько разнонаправленных лучей.
В оптике чудеса линзы Люнеберга не нашли адекватного применения. Зато пришлись кстати в радиолокации, где узкие радиолучи, аналогичные лучам прожектора, обычно получаются с помощью параболических отражателей. Таково свойство параболы — радиальные лучи, исходящие из её фокуса, после отражения превращаются в параллельный пучок.
Чтобы радиолуч, излучаемый такой антенной, был направлен на цель, необходимо постоянно поворачивать антенну в соответствии с манёврами цели. Сопровождать же несколько целей одновременно невозможно — для этого нужно несколько антенн, каждая из которых «привязана» к одной цели.
Раньше линза Люнеберга изготавливалась методами, которые с точки зрения нашего высокотехнологичного времени кажутся неандертальскими. Метровый пенопластовый шар протыкался по радиусу множеством штырей, изготовленных из материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Профиль штырей выбирался таким, чтобы в центре шара средняя диэлектрическая проницаемость была близка к 2, а на границе была близка к единице.
Как результат — радар не показывал ни хороших характеристик, ни высокой надёжности и был благополучно отправлен в утиль.
Современные радары с электронным поворотом луча сейчас широко распространены. Их делают на основе фазированных антенных решёток — массива излучателей с регулируемыми фазами сигнала, которые создают в пространстве нужную фазовую картину электромагнитного поля.
Линзы Люнеберга сейчас используют в качестве эффективного отражателя радиоволн. Если покрыть одну её полусферу радиоотражающим материалом, то линза с очень небольшими потерями мощности отражает падающий на неё сигнал точно в том же направлении, откуда он пришёл.
Делают их многослойными — каждый слой имеет свою диэлектрическую проницаемость. Чем больше слоёв (до 10-15), тем точнее можно соблюсти требуемую квадратичную зависимость показателя преломления от радиуса.
На современных истребителях линзы Люнеберга используются для скрытия истинной ЭПР, отражая сигнал радара в ту же сторону откуда он пришел, то есть обратно к радару.
Высоконаправленные линзовые антенны Люнеберга
Аннотация
Введение
В настоящее время известно большое количество высоконаправленных антенн, применяемых в радионавигации, радиолокации, радиопротиводействии, а также системах космической и наземной радиосвязи. На рисунках ниже для наглядности изображены наиболее распространенные типы высоконаправленных антенн: зеркальные (рис. 1а), фазированные антенные решетки (ФАР) (рис. 1б), антенны на основе поверхностных гребенчатых структур, а также плоские линзовые антенны (укоряющие и замедляющие).
Рис. 1а – Внешний вид зеркальной антенны
Рис. 1б – Внешний вид фазированной антенной решетки
Как правило, задача любой высоконаправленной антенны заключается в том, чтобы сопровождать какой-либо объект в широком диапазоне углов. Для этих целей антенны должны иметь систему управления лучом (диаграммой направленности). Это управление в самом простом случае осуществляется путем механического поворота антенной системы (как например в зеркальных и двух зеркальных антенных системах), либо путем электрического управления формой диаграммы направленности, применяемого в ФАР. Условная схема работы такой системы поясняется рисунком ниже:
Рис. 2 – Работа ФАР в составе оборонного ракетного комплекса
На просторах русскоязычного интернета информативного упоминания об антенных системах типа линзы Люнеберга можно встретить достаточно мало. В частности, горячо любимая и уважаемая Википедия не раскрывает в полной мере всего потенциала этого типа антенн. Однако производством подобных антенных систем занимаются ведущие предприятия в области СВЧ из США и Франции. На просторах РФ производством занимаются некоторые НИИ (по большей части в научных целях).
Историческая справка
Физику работы ЛЛ впервые описал немецкий математик Рудольф Карл Люнеберг в работе «Математическая теория оптики» [1]. Из названия самой работы понятно, что изначально такая линза должна была работать в оптическом диапазоне длин волн, соответственно должна быть изготовлена из оптически прозрачного материала. В оптике применения такие линзы не нашли, а вот со временем, когда научились делать нужные радиопрозрачные материалы, такая линза нашла свое применение в радиолокации.
Из курса физики нам известно, что функционал любой линзы заключается в том, чтобы каким-либо образом изменять ход лучей (фокусировать, расфокусировать, производить разбиение луча и др.) в теле линзы. Принцип работы линзы Люнеберга точно такой же. Как принято говорить в математике «после несложных математических преобразований» Р.К. Люнеберг получил формулу:
– относительная диэлектрическая проницаемость материала линзы в точке r
r – текущая радиальная координата;
Вид этой формулы говорит о том, что если коэффициент преломления сферического тела меняется от 2 в центре до 1 на поверхности, то это тело преломляет падающие на него лучи таким образом, что они выходят из сферы параллельно своему диаметру. Схема прохождения лучей показана на рисунке ниже:
Рис. 3 – Схема прохождения лучей через линзу Люнеберга
Антенна на базе ЛЛ обладает рядом полезных свойств: во-первых, такая антенна позволяет осуществлять сканирование лучей практически в любом диапазоне углов, путем перемещения малого облучателя вдоль поверхности. Во-вторых, в силу своей сферически-симметричной конструкции, линза способна формировать несколько независимых диаграмм направленности одновременно (при использовании нескольких облучателей). К тому же линзовые антенны по своей конструктивной особенности эргономичны и имеют малое аэродинамическое сопротивление, что позволяет устанавливать их на движущиеся объекты.
Техническая реализация линзы Люнеберга
Точно реализовать требуемый непрерывный закон изменения коэффициента преломления крайне сложно. Поэтому при технической реализации линзы оптимальный способ изготовления – это ее разбиение на сферические слои из материалов с разными электрофизическими параметрами. Например, вся линза от центра до поверхности разбивается на участки равной длины и далее по закону Люнеберга высчитывается требуемая относительная диэлектрическая проницаемость каждого участка.
Приведём несколько примеров технической реализации линзы Люнеберга. На рисунке 4 представлена конструктивная реализация многослойных ЛЛ в виде полусфер различного радиуса из натурального пенистого диэлектрика (слева), и пенистого полистирола (справа).
Рис. 4 – Конструктивная реализация многослойной линзы
То, что диэлектрическая проницаемость меняется довольно в узких приделах – от 2 до 1 создает трудности при синтезе материала линзы. Но на сегодня доступные технологии позволяют регулировать эти параметры с достаточной степенью точности. Так, например, при использовании искусственного диэлектрика при изготовлении линзы возможно внесение в него неоднородностей различного размера и формы, или, наоборот, образование в нем проницаемых отверстий и щелей. Кроме того, тело линзы может состоять из дискретных элементов кубической формы с различными коэффициентами преломления. Таким образом, необходимый закон изменения коэффициента преломления может быть реализован с достаточной степенью точности в виде переменного по радиусу скопления неоднородностей в диэлектрике. Подобная модель линзы показана на рисунке 5.
Рис. 5 – Модель ЛЛ с внедрением неоднородностей
Применение и существующие антенные комплексы
Встречаются довольно нестандартные варианты реализации и применения антенн на базе линзы Люнеберга. Примером может служить антенна РЛС «Неман-П», рисунок 6.
Рис. 6 – Приемная позиция РЛС «Неман» на Балхашском полигоне
Данная РЛС проектировалась как станция обнаружения, сопровождения и селекции большого числа баллистических целей и рассматривалась как один из вариантов стрельбового локатора систем ПРО Москвы.
Рис. 7 – Многоканальный терминал спутниковой связи с ЛЛ
Такой вариант применения довольно перспективен по сравнению с системами, использующими для тех же целей параболические или зеркальные антенны, которых необходимо намного большее количество, из-за того, что спутники расположены на большом угловом расстоянии друг от друга. К тому же, используя линзу Люнеберга для сканирования пространства, нет необходимости перемещать всю конструкцию, как это принято в зеркальных антеннах, достаточно лишь перемещать слабонаправленный облучатель по поверхности линзы. Таким образом, линза Люнеберга способна заменить целый парк параболических антенн, рисунок 8.
Рис. 8 – Компактная ЛЛ, заменяющая 4 параболические антенны
Помимо этого, ЛЛ эффективно могут быть использованы в подвижных терминалах связи, когда взаимное расположение передатчика и приемника со временем меняется, и необходимо организовать систему сопровождения абонента. На рисунке 1.7 показано, как полноповоротная параболическая антенна терминала спутниковой связи, установленная на автомобиле, может быть заменена линзовой полусферой.
Рис. 1.7 – ЛЛ на движущемся объекте
В этом случае преимуществом использования линзы Люнеберга является то, что она может оставаться неподвижной, так как управление диаграммой направленности происходит путем перемещения первичного облучателя по поверхности линзы. При использовании терминала с параболической антенной необходим механизм поворота крупного зеркала. Данная конструкция не надежна, а поворотный механизм зеркала, как правило, является довольно дорогостоящим, и зачастую составляет большую часть от стоимости антенной системы.
В настоящее время на мировом рынке представлены варианты гражданского применения линз Люнеберга, устанавливаемых на крышах автомобилей для организации стабильного телевизионного сигнала по спутниковому радиоканалу. Примером могут служить системы TracVision от компании KVH, рисунок 8.
Рис. 8 – Линза Люнеберга для гражданского применения
Для обеспечения поворота облучателя вокруг линзы, необходима реализация поворотного устройства облучателя, пример реализации которого показан на рисунке 9.
Рис. 9 – Устройство перемещения первичного облучателя ЛЛ
Пример использования линзы Люнеберга в качестве спутниковой антенны на поезде показан на рисунке 10. Принимая во внимание высокую скорость движения состава, установка линзовой антенны позволит осуществить плавное сопровождение передающей станции и обеспечить тем самым качественную и стабильную передачу сигнала.
Рисунок 10 – Спутниковый терминал с ЛЛ на крыше поезда
На рисунке 11 показан пример современной технической реализации линзы Люнеберга.
Рис. 11 –Современная техническая реализация ЛЛ
Линза Люнеберга может быть использована в качестве многолучевой антенны в СВЧ-системах картографирования: в спутниковых системах для мониторинга подстилающей поверхности, влажности почвы, борьбы с лесными пожарами. Она успешно используется в спутниковых системах слежения, где спутник и пользователь перемещаются относительно друг друга.
Линзы Люнеберга могут применяться в спутниковых системах, размещаемых на суше, на борту корабля, фюзеляже самолета. Такие антенны имеют хорошие характеристики для широкоугольного сканирования и обеспечивают высокий коэффициент усиления во всем диапазоне углов. Кроме того, ЛЛ по своим конструктивным особенностям обладает малым аэродинамическим сопротивлением и удовлетворяет эргономическим требованиям.
В настоящее время можно рассматривать Линзу Люнеберга как альтернативу зеркальным антеннам и фазированным антенным решеткам. Новые технологии производства, использующие композитные диэлектрические материалы с низкими потерями, в совокупности со сложными электромагнитными технологиями проектирования позволяют построить мощные линзовые антенны с высоким коэффициентом усиления.
Электродинамическая модель ЛЛ в программном пакете AnsysHFSS
Сферическая линза Люнеберга играет ту же самую роль в антенной системе, что и фокусирующее зеркало зеркальной антенны. В качестве источника электромагнитной волны может использоваться любой тип слабонаправленного облучателя в виде одиночных вибраторов, различных рупоров, микрополосковых антенн и пр. Решение задачи моделирования антенны на базе ЛЛ начнем с задания первичного источника.
В качестве первичного источника будем использовать круглый рупор, излучающий поле основной поляризации на частоте 25ГГц. Диаметр круглого рупора Модель рупора в программном пакете Ansys HFSS показана на рисунке 12.
Рис. 12 – Модель первичного облучателя ЛЛ в Ansys
Диаграмма направленности рупора в дальней зоне приведена на рисунке 12.
Рис. 12 – Диаграмма направленности рупора
Зададим трехслойную модель линзы Люнеберга. Электрический радиус линзы
. то есть две длины волны, рисунок 13. Диаграмма антенной системы приводится на рисунке 14.
Рис. 13 – Модель трехслойной линзы Люнеберга в Ansys
Рис. 14 – ДН трехслойной линзы Люнеберга
В качестве первичного облучателя может быть использована микрополосковая антенна (МПА). К примеру, микрополосковая антенна, работающая в диапазоне 2.4 ГГц, формирующая поле круговой поляризации выглядит следующим образом ( рисунок 15):
Рис. 15– Вид МПА и ее диаграммы направленности
Реализуемый коэффициент усиления микрополосковой антенны составляет G=5,6 дБ. Применение линзы Люнеберга в качестве фокусирующей системы позволит увеличить коэффициент усиления МПА. В качестве примера рассмотрим каких результатов усиления можно добиться при совместном использовании вместе с этой МПА шестислойной линзы Люнеберга диаметром 150 мм. Характеристики слоев ЛЛ приведены в таблице 1 и удовлетворяют закону Люнеберга.
Нормированные радиусы слоев
Диэлектрическая проницаемость слоев
0,39; 0,56; 0,68; 0,78; 0,88; 0,96
1,93; 1,77; 1,61; 1,46; 1,31; 1,16
Модель антенны в программном пакете AnsysHFSS представлена на рисунке 16, а ее диаграмма на рисунке 17.
Рис.17– Диаграммы линзы Люнеберга
Диаграмм антенной системы реализует КНД в 10.7 dB.
Таким образом, линза Люнеберга с облучателем в виде микрополосковой антенны может быть эффективно использована для организации связи в Wi-Fi диапазоне, показывает отличные антенные характеристики с коэффициентом усиления в 10 dB при малых габаритных размерах устройства.
И еще немного многотонных линз напоследок, установленных в США для нужд противоракетной обороны:
Здесь мы расскажем вам о необычном типе антенны в форме шара. В этой статье принцип ее работы, применение и достоинства.
Сейчас появились спутники с более мощной энергетикой и активно осваивается Ка-диапазон (20. 30 ГГц), в котором зона обслуживания обеспечивается не одним большим «пятном», а множеством маленьких «пятен». Возможно, тема линзовых антенн снова станет актуальной.
Спасибо за информативное дополнение! Приведенные на рисунках антенные комплексы действительно являются линзами Люнеберга. Исключение может составлять японский экспонат на рисунке 11 (левый снизу). По поводу сложной технологии изготовления полностью согласен, но в свое время и транзистор было сложно сделать. Технологии производства материалов с заданными электротехническими свойствами не стоят на месте. Думаю что у этих антенн еще есть шанс «выжить».
Уж очень тяжелые это антенны, наверное, в сравнении с зеркальными. А несколько спутников можно принять и на зеркальную.
Уж очень тяжелые это антенны, наверное, в сравнении с зеркальными. А несколько спутников можно принять и на зеркальную.
Да, вес антенны это еще один ее недостаток, ведь выполнена она из сплошного диэлектрика. Но следует отметить, что есть вариант реализации такой линзы из диэлектрических штырьков, в результате большая часть фокусирующей части занимает воздух. Это разработка Питерского университета ИТМО.
Штырьки же работают ровно на одной частоте? Не?
Размещение линз Люнеберга на малозаметном истребителе F-35A для увеличения ЭПР
Истребитель F-35A c установленными отражателями для увеличения эффективной поверхности рассеяния.
На F-35 обнаружено четыре линзы, в то время как на F-22 известна всего одна:
Последние записи в этом журнале
Дело о подготовке Савченко и Рубаном расстрела Верховной Рады из минометов «разваливается»
Обвинительный акт по делу Савченко-Рубана вернули прокурору. Фото: facebook.com/Savchenko.Nadiia Дело в отношении бывшего народного депутата…
Зеленский уволил начальника контрразведки СБУ Руснака, о котором хорошо отозвался Бутусов
Президент Владимир Зеленский внезапно уволил начальника Департамента контрразведки Службы безопасности Украины Александра Руснака. Указ об…
Подъем переворотом
Менее 48-ми часов осталось до анонсированного Владимиром Александровичем переворота. 1 декабря все начнется. Либо 2-го. Тут есть определенный…