Теперь о тех событиях по миллиметровому диапазону волн, которыми мы располагали к началу работ станций "Лес". Было известно, что поглощение радиоволн в диапазоне частот 10–60 Ггц вызвано действием водяного пара и кислорода. Наибольшее поглощение водяным паром было отмечено на волне 1,35 см (около 22 Ггц), а линии поглощения кислородом лежат вблизи волны 0,5 см (60 Ггц). Поэтому выбор рабочей волны станции был обусловлен областями, в которых общая кривая потерь на поглощение при распространении радиоволн имела минимумы. Мы также знали, что получить большие выходные мощности генерирующих приборов не удастся, а уровень входных шумов приёмников будет увеличенным. Считалось, что получить большие дальности действия станции мы не сможем, но ответить на вопрос, какова мера снижения дальности, никто не мог. Было ясно, что для увеличения разрешения по дальности необходимо расширение полосы излучаемых сигналов, но вопрос о том, как снизить шум-фактор приёмника таких сигналов до приемлемой величины повисал в воздухе. Для того чтобы реализовать высокое разрешение по углу, следовало не только сократить в разы ширину луча, но и обеспечить узкую диаграмму антенны и малые боковые лепестки во всём секторе качания луча и в заданном диапазоне частот. Но всё-таки большинство вопросов, возникших в начале проектирования станции, было связано с распространением радиоволн этого диапазона. Будет ли станция работоспособна при моросящем, среднем дожде или ливне, а при грозе? Что ожидать во время снегопадов? Можно ли рассчитывать на рефракцию? Отсутствовали сведения об эффективной поверхности рассеяния реальных наземных объектов в новом диапазоне частот. Не было данных о роли поляризации излучаемого сигнала и насколько он деполяризуется при отражении. В условиях подобной неопределённости работа шла, как говорят теоретики, методом последовательных приближений. Причём такой подход прослеживался как при рассмотрении теоретических проблем, так и при проведении экспериментов. На начальном этапе работы с макетом станции сканирование выключалось, луч антенны устанавливался вручную в направлении дороги, по которой передвигалась автомашина с уголковым отражателем, а сигнал с выхода приёмника рассматривался с помощью индикатора типа "А", т. е. попросту говоря, осциллографа в ждущем режиме. Если сигнал плохо просматривался, меняли смесительные диоды в кольцевых мостах или переключатель "приём – передача". Отсутствие сигнала часто было связано с отказом генерирующего прибора. Приходилось снимать с опор передатчик, перемещать его вдвоем (70 кг) на монтажный стол, вскрывать и заменять магнетрон. На это уходило добрые час-два. Когда сигнал восстанавливался, делали попытку рассмотреть изображение в режиме сканирования. На малых расстояниях отметка наблюдалась, но потенциала явно не хватало. После этого станция выключалась и начиналось обсуждение. Все понимали, что результаты, полученные на натуре при ясной и сухой погоде, свидетельствовали о нехватке энергетики, что связано с пониженным уровнем выходной мощности передатчика, потерями в высокочастотном тракте, недоработкой УПЧ, но главное кроется в недоиспользованных возможностях антенны. Присутствовавший на испытаниях конструктор антенн и радиоспециалист с большим стажем Е. Н. Майзельс молчал, обдумывая увиденное. Он не торопился высказать своё мнение. Но многоопытный Евгений Николаевич на каждом этапе умел вырабатывать адекватное решение. Обсуждая сложившееся положение, он предложил Гуськову подумать о замене зеркала рефлектора, что, с одной стороны, позволило бы поднять энергопотенциал, а с другой стороны, оттянуть луч от земли. Кроме того, следовало быть более внимательным при выборе позиции для станции.
Модернизацию станции, как я уже сказал, вели во всех возможных направлениях. На следующем этапе испытаний, осенью, зарядили дожди, условия ухудшились: порой сплошная пелена закрывала картинку, отметки, только что просматриваемые, заплывали и переставали различаться. Вспомнили о структуре дождя при радиооблучении. Капля при слабом дожде могла быть представлена в виде сферы, а облучение такой идеальной сферы, заполненной водой, на радиочастотах изучалось ещё в начале ХХ века, вскоре после изобретения радио. Если говорить о радиолокационном обратном рассеянии, его величина зависит от отношения длины окружности сферы к длине волны. Различают три области: низкочастотная или релеевская, где длина окружности сферы меньше длины волны, резонансная или область Ми, где указанное отношение лежит между 1 и 10, и оптическая область (>10). Мы работали в основном в области, которую называли областью Ми, по имени немецкой учёной G. Mie, которая впервые провела анализ рассеяния атмосферы. Из-за интерференции волн указанная выше зависимость имеет в этой области характер затухающего колебательного процесса. Рассеяние идеально проводящей сферы изотропно, т. е. не зависит от угла облучения и стремится (на высоких частотах) к площади проекции сферы. Однако наиболее важно то, что сфера является изотропной и в поляризационном смысле, что означает отсутствие деполяризации при отражении. Например, при облучении сферических капель дождя волной с круговой поляризацией отраженная волна будет также иметь круговую поляризацию, при этом она приобретает для антенны обратное направление вращения.
Эти факты послужили для Е. Н. Майзельса толчком к проведению большой экспериментальной работы по измерению диаграмм рассеяния тел вращения, а затем и тел произвольной формы (конечных размеров). Примерно в те же годы в связи с запросами разработчиков РЛС крупный специалист в области электродинамики Л. А. Вайнштейн принял решение открыть серию работ по теории дифракции на телах сложной формы. Эта работа в дальнейшем была поручена тогда молодому инженеру, а впоследствии соавтору технологии Стелс П. Я. Уфимцеву. Он проводил расчёты на выпуклых металлических телах, поверхность которых имеет изломы (рёбра), а размеры – превышающими длину волны.
Свои эксперименты Е. Н. Майзельс имел возможность проводить при различных поляризациях облучающей волны, в связи с чем у него накапливались обширные экспериментальные материалы не только по отражениям от различных объектов, но и по поляризационной их структуре. Вопросы деполяризации отражённых сигналов изучал и П. Я. Уфимцев.
Выводы из своих экспериментов Е. Н. Майзельс неоднократно обсуждал с Г. Я. Гуськовым, в результате чего было принято решение о новых технических подходах к проектированию антенной системы и о доработке станции "Лес". Всё это позволило существенно повысить энергетический потенциал станции и вложиться в технические нормы, оговорённые заказчиком, а в некоторых случаях даже их превзойти. Новаторский подход к возникшим проблемам и принятые решения уверенно продвигали станцию "Лес" к успешному финалу. Суть проведённых тогда нововведений состояла в следующем.
Выше было сказано, что при отражении волны от идеально проводящей сферы деполяризация отсутствует (о поляризации см. гл. 7). Следовательно, при облучении сферических капель дождя волнами круговой поляризации, скажем, с правым вращением, отражённая волна также будет иметь круговую поляризацию с правым вращением, при этом относительно антенны как источника первичного излучения направления вращения отраженной и падающей волн оказываются противоположными. Вместе с тем известно, что антенны РЛС удовлетворяют принципу взаимности и в поляризационном смысле, т. е. антенна принимает волну той же поляризации, что и излучаемая волна. Поэтому волна, отражённая от сферической капли дождя, в идеальном случае в приёмник РЛС не попадает. Степень отклонения капли дождя от сферической формы определяется интенсивностью осадков. В реальных условиях вместо круговой поляризации принимается эллиптически-поляризованная волна, а ослабление отражений от дождя в антенне, зависящее от параметров эллиптичности волны, лежит в пределах 15–30 дб.
Как же Е. Н. Майзельс решил задачи преобразования линейно-поляризованной волны специализированной антенны в волну с круговой поляризацией?
Он установил в раскрыве антенны поляризационную решетку. Решетка состоит из набора параллельных металлических пластин, а вектор поля исходной линейно-поляризованной волны расположен под углом 45° к набору пластин. Раскладывая вектор поля на две ортогональные составляющие, отметим, что составляющая, нормальная к пластинам, проходит практически без изменений, а составляющая, параллельная пластинам, опережает по фазе другую составляющую за счёт увеличенной фазовой скорости в образовавшемся волноводе. Подбором ширины пластин при соответствующем расстоянии между пластинами добиваются 90° сдвига фаз, что и создаёт на выходе решетки поле круговой поляризации. Вводя диэлектрические вставки между пластинами, расширяют диапазонность поляризационной решетки.
Проведённые Е. Н. Майзельсом доработки кажутся сейчас очевидными, но тогда, почти 60 лет назад, тщательная и кропотливая исследовательская работа, выполненная Е. Н. Майзельсом, являлась по существу новаторской. Важно то, что экспериментальные результаты были подтверждены теорией. Совместная статья Е. Н. Майзельса и П. Я. Уфимцева, опубликованная позднее, свидетельствовала о том, что измеренная и теоретическая диаграммы рассеяния, полученные на модели с характеристикой ka = 5 (k = 2π/λ, где λ – длина волны, а – радиус модели), достаточно близки друг к другу.
Выше мы говорили о том, что в станции "Лес" впервые в мировой практике в начале 50-х годов 20 века были воплощены в жизнь технические средства борьбы с отражениями от гидрометеоров. А как при этом решалась основная задача РЛС по засечке отметок от полезных целей? Здесь следует остановиться на теоретической и экспериментальной стороне дела. Сначала о теории. Как показал П. Я. Уфимцев в своей книге, на каждом элементе освещённой поверхности идеально проводящего тела, на которое падает плоская электромагнитная волна, возбуждается такой же ток, как на касательной к этому элементу идеально проводящей плоскости бесконечных размеров. Рассеянное поле, создаваемое таким током, определяется с помощью уравнений Максвелла. Сам возбуждаемый на плоскости ток распределён на ней равномерно и поэтому может быть отнесён к "равномерной" части поверхностного тока. Кроме "равномерной" составляющей в суммарный ток входит компонента, обусловленная искривлением поверхности тела. Дополнительный ток, вызванный искривлением, по терминологии П. Я. Уфимцева является "неравномерной" частью суммарного тока. "Неравномерная" компонента тока возникает вблизи границы между освещённой и теневой частями поверхности тела, а также вблизи краёв, изломов, острий и т. д. Если размеры тела существенно превышают длину волны, дополнительные токи обычно занимают сравнительно небольшую часть его поверхности. При облучении тел волнами круговой поляризации именно неравномерная составляющая рассеянного поля подавляется поляризатором наиболее сильно. Уфимцев доказывает, что деполяризация отражённого сигнала вызвана только неравномерной частью тока. Что касается "равномерной" части поля, то она также ослабляется поляризатором, но существенно меньше (6–8 дб). Экспериментально показывается, что общий выигрыш в наблюдаемости полезных целей на фоне дождя имеет порядок 15–18 дб.
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. 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.