Виктор Млечин - На передних рубежах радиолокации

Доработанные станции «Лес» проходили испытания в 1953 г. Выбирались различные позиции для оценки возможностей и основных показателей работы станций. Станции действовали в открытой местности, поросшей кустарником, залесенной, где в качестве целей использовались одиночные автомашины или колонны грузовиков, на берегу крупных водоёмов при работе по морским целям. Для съёма координат объектов одновременно работали две станции, в головной находился Гуськов и команда, на станции-дублёре в качестве оператора работал я. Кроме того, применялись оптические средства наведения (теодолиты).

Станции уверенно засекали движущие цели в радиусе прямой видимости, особенно впечатляла возможность различения отметок от автомашин, движущихся колонной. Если дорога позволяла и машины могли передвигаться «фронтом», определялся угол разрешения. Нужно сказать, что понятие «высокое разрешение целей» мы тогда почувствовали на практике. Система дальнометрии также показала все свои качества. Когда машины двигались с интервалом 7–8 м, а отметки от них различались на экране индикатора, точность определения дальности отдельных машин определялась единицами метров. Угловая точность во много зависела от натренированности операторов. Опытный оператор был способен засечь цель с точностью до 5′. При работе станции на берегу озера или моря нередкими были случаи обнаружения морских целей далеко за пределами прямой видимости, что, по-видимому, было связано с явлением рефракции радиоволн.

К началу государственной приёмки станции «Лес» (1954 г.) для опытных образцов РЛС были изготовлены доработанные антенны, которые после заводских испытаний были установлены на посадочные места кабины и закрыты радиопрозрачным колпаком.

Что же представляла собой антенна станции «Лес»? Это была антенна, относящаяся к группе линзовых антенн и формировавшая в диапазоне миллиметровых волн остронаправленную диаграмму. Антенна обеспечивала качание главного лепестка диаграммы направленности в сравнительно широком рабочем секторе. При этом принципиально важным было то, что качание осуществлялось не путём возвратно-поступательного движения облучателя, а с помощью его вращения по замкнутой кривой, что облегчало использование антенны и её стыковку с другими элементами станции. Правильный выбор основ построения антенны позволил создать хотя и сложную, но размещённую в небольших габаритах подвижного носителя конструкцию, отвечавшую всем требованиям, предъявляемым к станции «Лес». Разработчик антенны И. Б. Абрамов фактически создал новый тип устройства – металловоздушную линзовую антенну с качанием луча – и притом в новом диапазоне волн. Попробую объяснить на простейших примерах принцип действия подобных антенн. Начну с фокусировки. Задачей фокусирующей линзы является преобразование сферических волн, радиально расходящихся из источника, в плоскую волну – параллельный пучок. Применительно к антеннам это означает, что для формирования остронаправленных диаграмм необходимо иметь в излучающем раскрыве антенны синфазное поле с почти постоянной амплитудой [13]. Поперечные размеры линз много больше длины волны, и к ним применимы законы геометрической оптики. Рассматривая однопреломляющие линзы, отметим, что у поверхности линзы как на границе раздела двух сред лучи будут преломляться, причём действует закон синусов: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления обратно пропорционально отношению коэффициентов преломления сред. В свою очередь, коэффициент преломления среды есть отношение скорости света к фазовой скорости в этой среде. Итак, преобразование расходящегося пучка лучей в параллельный может производиться с помощью ускоряющей линзы (тогда отношение коэффициентов преломления меньше единицы) или с помощью замедляющей линзы (указанное отношение > 1).

Существует большое разнообразие линзовых антенн с фиксированным облучателем, переводящих радиальный пучок лучей в параллельный. К ним относятся ускоряющие металлопластинчатые (волноводные) линзы, замедляющие линзы из искусственного диэлектрика и ряд других.

Другая большая категория линзовых антенн способна работать при переменном положении облучателя и предназначена для качания луча в пространстве. Аналогами таких антенн в оптике являются, например, двухпреломляющие линзы, устраняющие искажения при воспроизведении протяженных предметов (апланаты). В однопреломляющей линзовой антенне при выносе облучателя из фокуса преломленные лучи уже не образуют параллельный пучок, вследствие чего возникают искажения диаграммы (несимметрия главного лепестка, возрастание боковых лепестков, снижение КПД и пр.). Для апланатической линзовой антенны можно достичь условия идеального фокусирования как в самом фокусе, так и в двух других точках, симметрично расположенных относительно фокуса. Смещая облучатель из фокуса по нормали к оси линзы в пределах указанных точек, правильно выполненный апланат обеспечивает поворот луча антенны на соответствующий угол без существенных искажений. Двухпреломляющие линзовые антенны для качания луча могут быть реализованы с помощью металлопластинчатой конструкции. Кроме того, для качания луча используются линзы с переменным коэффициентом преломления (сферическая и цилиндрическая линзы Люнеберга, линзы Максвелла и др.). Однако изготовление диэлектрических линз с большим диаметром представляется трудно разрешимой задачей.

В металловоздушных линзах энергия распространяется между двумя параллельными металлическими поверхностями. Эти поверхности изгибаются таким образом, чтобы лучи на выходе оказались параллельными. Поэтому в таких линзах можно обойтись без диэлектрика. Если расстояние между поверхностями меньше длины волны и существенно меньше их радиусов кривизны, применима лучевая трактовка, когда волны распространяются вдоль лучей по кривым минимальной длины (согласно принципу Ферма). Обычно используется поперечная ТЕМ-волна, распространяющаяся с фазовой скоростью, зависящей от коэффициента преломления образовавшегося волновода. Для обеспечения вращательного движения облучателя часть поверхности линзы, на которой расположена дуга качания, сворачивают, превращая её в замкнутую кривую. Устранение искажений диаграммы направленности при качании луча и реализация принципа апланата, компенсирующего искажения, осуществляется в данном типе линзовых антенн путём двойного изгиба поверхностей линзы с разными радиусами кривизны.

Создателем нового типа антенны можно смело назвать Исаака Борисовича Абрамова. Когда в начале 50-х годов Абрамов впервые высказывал свои идеи по разработке квазиоптических антенн, многие сомневались в их реализуемости, ибо, говорили скептики, даже если признать факты, положенные в основу построения, правильными, изготовить такую свёрнутую громадину невозможно из-за отсутствия соответствующего оборудования. Но Абрамов упорно шёл к своей цели. Надо сказать, что среди последователей известного математика Г. Е. Шилова Абрамов выделялся своей прилежностью, тщательно записывал его лекции, а затем и издал их, помогая будущим поколениям. Абрамов был вполне подготовлен к тому, чтобы не только разработать теорию металловоздушных линзовых антенн, но и провести кропотливые расчёты конкретных конструкций в различных вариантах. В частности, его беспокоило прохождение высших типов волн в образовавшемся волноводе, и он вывел так называемое уравнение Эйконала, ссылку на которое сделал в своём учебнике Я. Н. Фельд.