التقنيات الحديثة في تصميمها وتطويرها
بقلم -اللواء الركن: صلاح الدين كامل مشرف
هوائيات يتطلب اكتشاف الأهداف الجوية على المسافات البعيدة توجية الأشعة الرادارية نحو هذة الأهداف وإضاءتها بطاقة كهرومغناطيسية كافية واستقبال الأشعة المنعكسة والصدى المرتد منها. وعلى قدر الطاقة النبضية المرسلة من جهاز الرادار وحساسية المستقبل لاكتشاف الإشارات المرتدة من الأهداف، يتحقق الكشف الراداري للأهداف الجوية ذات المقطع الراداري المعين على مسافات أكبر.
ولأكثر من عقد من الزمان بعد انتهاء الحرب العالمية الثانية فإنه قد حدث تطور كبير في أجهزة الرادار وذلك بالزيادة المطّردة في استخدام نطاقات التردد الكهرومغناطيسي والقدرة المرسلة لمحطات الرادار وبحلول عام 1960 كان قد امكن استغلال واستثمار كافة نطاقات التردد المتاحة في الاستخدام العملي لأجهزة الرادار، كما وصلت القيمة العظمى والمتوسطة للقدرة المرسلة الى مستويات عالية جدا تقترب من القدرات العالية المتوفرة بالرادارات الحديثة الموجودة بالخدمة الآن.
وعلى الرغم من استخدام بعض التقنيات الحديثة مثل " تقنية ضغط النبضة " التى تقلل قدر الامكان من متطلبات وقيود تصميم أجزاء المرسل، فإنه على المدى البعيد هناك زيادة كبيرة في قدرة الخرج المرسلة من جهاز الرادار غير المرغوب فيها، فقدرة الخرج المتاحة من صمام الموجة الراحلة- وهو أكثر مصدر للقدرة شيوعا في الرادارات الحديثة- تعتبر محدودة القيمة بتأثير العوامل الطبيعية العملية مثل الحاجة الى مصادر قدرة ذات جهد عال ونظم تبريد بالسائل حتى يمكن للمرسل أن يعمل بطريقة أكثر استقرارا.
وعلى الجانب الآخر فإن جهاز مستقبِل الرادار الذي يتلقى الإشارات المرتدة يجب أن يكون قادرا على العمل في وجود الأشكال المختلفة من الضوضاء المصاحبة للإشارة المرتدة؛ ولذلك يجب أن يكون جهاز المستقبل قادرا على اكتشاف الإشارة المرتدة وفصلها عن الشوشرة المرتدة من التأثيرات الأرضية غير المفيدة، وبعض هذه الشوشرة تتولد في جهاز المستقبل ذاته أي تعتبر شوشرة داخلية أو تذوب وتتداخل في الإشارات غير المرغوب فيها التى تصل الى دخل هوائي الرادار والمستقبل.
وكمثال لذلك: الإشارات المرتدة من الأرض المجاورة أو الأهداف الثابتة، والسحب التى تتحرك بسرعة الرياح، وتداخل التشويش المتعمد...
ولكن بفضل استخدام التقنيات الحديثة في معالجة الإشارات والبيانات أمكن استخلاص الأشارات المفيدة للأهداف وعزل الإشارات غير المرغوب فيها والتخلص منها لأن الإشارات غير المرغوب فيها تعتبر عشوائية، بينما تصل الإشارات المرتدة الحقيقية بصورة تكرارية الى المستقبِل، وفي هذه الحالة يستطيع مستخلص الرصد الآلي للأهداف قبول الإشارات المرتدة من الأهداف الحقيقية فقط عند وصولها تكراريا لعدة مرات طبقا لمعدل تكرار النبضة.
ولتحقيق أفضل أداء لجهاز الرادار لاكتشاف الأهداف الجوية على أكبر مسافة ممكنة وفي ظل مستوى تكنولوجي معين لنظم الإرسال والاستقبال يستلزم ذلك عمليا استخدام هوائيات ذات حجم أكبر حيث كلما زاد حجم الهوائي زاد كسبه. ويعتبر الهوائي ذو الكسب العالي في حالة تركيز الطاقة المرسلة من الرادار في حزمة أشعة ضيقة أكثر فائدة حيث يؤدي ذلك الى مضاعفة القدرة التى تسقط على الهدف المراد كشفه مما يساعد على تعظيم قيمة الإشارات الضعيفة التى ترتد من الأهداف التى توجد على مسافات بعيدة وتصل الى مستقبل جهاز الرادار بحيث يستطيع الإحساس بها واكتشافها.
ومن المعروف أن الشعاع الضيق للهوائي، بجانب وصوله لمسافات أطول في كشف الأهداف الجوية، فإنه يحقق أيضا قدرة فصلٍ زاويّة كبيرة بين الأهداف ويؤدي هذا الى دقة أعلى في تحديد زاوية اتجاه الهدف الجوي وارتفاعه ويعطي قدرة أعلى في التمييز بين مجموعة من الأهداف التى تطير على مسافات قريبة بعضها من بعض في تشكيل جوي. وكلما كان الشعاع أضيق فإن من شأنه أن يقلل من كمية الشوشرة والتداخلات غير المرغوبة التى تصل الى المستقيل.
ومن المعروف أن كسب الهوائي وبالتالي عرض الشعاع الرئيسي لمجسم الإشعاع الراداري يتناسب طرديا مع أبعاد الهوائي، الا أنه، كما هو موضح في المراجع العلمية الخاصة بالرادار، فإن حساب كسب الهوائي يعتمد على أبعاد الهوائي التى يمكن التعبير عنها بعلاقة رياضية مع الطول الموجي، وحيث أن الطول الموجي يتناسب عكسيا مع التردد فإنه كلما استخدمت ترددات أعلى كان حجم الهوائي أصغر من الناحية العملية.
إن الكلمة الحاكمة هنا هي " التطبيق العملي " حيث يؤثر الغلاف الجوي المحيط بالأرض على انتشار الموجات الكهرومغناطيسية فليست الأمور مطلقة أمام مصمم جهاز الرادار لكى يستخدم الترددات الأعلى دون قيود. والمشكلة الرئيسية أمام المصمم ترجع الى امتصاص بخار الماء الموجود في الغلاف الجوي لطاقة الموجات الرادارية قبل وصولها الى الأهداف الجوية المطلوب اكتشافها على المسافات المحددة، ومثل هذا الامتصاص يكون في حدة الأدنى عند الترددات الأقل من جيجا هرتز، ولكن الامتصاص يزيد مع زيادة التردد حتى يصل لذروته عند تردد 22.24 جيجا هرتز الذي يعتبر تردد الرنين الذي يحدث للموجات الرادارية.
وهذا بالطبع مثال لما يقابل المصمم من قيود ومحددات عند استخدام الترددات العالية التى تحقق له أصغر حجم ممكن للهوائي.
وهناك بلا شك دراسات مستفيضة حول هذا الموضوع وظهرت جداول ومنحنيات توضح مقدار الامتصاص للموجات الرادارية عند الترددات المختلفة.
ولقد اختار السوفيت، الذين يصممون رادارات الإنذار المبكر، نطاقات التردد المنخفضة مثل نطاق التردد " س " الذي يتراوح من 0.5 الى 1 جيجا هرتز ونطاق التردد " ب " الذي يتراوح بين 250 - 500 ميجا هرتز، أو نطاق التردد الأقل " أ " الذي يتراوح بين 100 - 250 ميجا هرتز ومثل هذه الترددات المنخفضة تم استخدامها أيضا في بعض رادارات البحث والإنذار الصينية.
وكانت النتيجة الطبيعية لتصميم هده الرادارات للعمل على ترددات منخفضة هي زيادة حجم الهوائيات زيادة هائلة في معظم الرادارات.
أما بالنسبة لأجهزة رادار البحث التكتيكي ورادارات التوجيه المستخدمة مع نظم الصواريخ أرض - جو، التي تقوم بالبحث والإنذار والتوجيه على مسافات أقل، فقد أصبحت مشكلة امتصاص طاقة الموجات الرادارية أقل تأثيرا على أداء هذا الرادار حيث أمكنها العمل على ترددات أعلى وبالتالي استخدام هوائيات أصغر حجما بكثير من هوائيات رادارات الإنذار المبكر.
ولكن بالنسبة لرادارات الإنذار المبكر في المستقبل التى تعمل على مسافات بعيدة فإنه لا يمكن تجنب امتصاص طاقة الرادار بواسطة بخار الماء العالق في الجو أو توهينها.
لذلك سوف يستمر التطوير باستخدام مكونات وعناصر إليكترونية حديثة صغيرة الحجم تؤدي وظائف متعددة حتى يمكن تقليل الحجم العام لجهاز الرادار.