Активная электронно-сканируемая решетка ( AESA ) — это тип фазированной антенной решетки, которая представляет собой управляемую компьютером антенную решетку , в которой луч радиоволн может быть электронно направлен в разных направлениях без перемещения антенны. [1] В AESA каждый элемент антенны подключен к небольшому твердотельному приемопередающему модулю (TRM) под управлением компьютера, который выполняет функции передатчика и /или приемника для антенны. Это контрастирует с пассивной электронно-сканируемой решеткой (PESA), в которой все элементы антенны подключены к одному передатчику и/или приемнику через фазовращатели под управлением компьютера. Основное применение AESA — в радарах , и они известны как активные радары с фазированной решеткой (APAR).
AESA — это более продвинутая, сложная, вторая версия оригинальной технологии фазированной решетки PESA. PESA могут излучать только один луч радиоволн на одной частоте за раз. PESA должна использовать матрицу Батлера , если требуется несколько лучей. AESA может излучать несколько лучей радиоволн на нескольких частотах одновременно. Радары AESA могут распространять свои сигналы на более широкий диапазон частот, что затрудняет их обнаружение на фоне фонового шума , позволяя кораблям и самолетам излучать мощные радиолокационные сигналы, оставаясь при этом скрытными, а также более устойчивыми к глушению. Также можно найти гибриды AESA и PESA, состоящие из подрешеток, которые по отдельности напоминают PESA, где каждая подрешетка имеет свой собственный входной радиочастотный каскад . Используя гибридный подход, преимущества AESA (например, несколько независимых лучей) могут быть реализованы при меньших затратах по сравнению с чистой AESA.
Bell Labs предложила заменить радары Nike Zeus на систему с фазированной решеткой в 1960 году и получила добро на разработку в июне 1961 года. Результатом стал многофункциональный радар Zeus (ZMAR), ранний пример активной радиолокационной системы с электронным управлением. [2] ZMAR стал MAR, когда программа Zeus завершилась в пользу системы Nike-X в 1963 году. MAR (многофункциональный радар с решеткой) состоял из большого количества небольших антенн, каждая из которых была подключена к отдельному передатчику или приемнику, управляемому компьютером. Используя различные этапы формирования луча и обработки сигнала , один MAR мог выполнять обнаружение на большом расстоянии, генерацию треков, различение боеголовок от ложных целей и отслеживание уходящих ракет-перехватчиков. [3]
MAR позволяла контролировать всю битву на большом пространстве с одного сайта. Каждая MAR и связанный с ней боевой центр обрабатывали треки сотен целей. Затем система выбирала наиболее подходящую батарею для каждой из них и передавала им конкретные цели для атаки. Одна батарея обычно была связана с MAR, в то время как другие распределялись вокруг нее. Дистанционные батареи были оснащены гораздо более простым радаром, чьей основной целью было отслеживание исходящих ракет Sprint до того, как они становились видимыми для потенциально удаленной MAR. Эти меньшие радары ракетных площадок (MSR) сканировались пассивно, формируя только один луч вместо нескольких лучей MAR. [3]
Хотя MAR в конечном итоге был успешным, стоимость системы была огромной. Когда проблема ПРО стала настолько сложной, что даже система, такая как MAR, больше не могла справляться с реалистичными сценариями атак, концепция Nike-X была заброшена в пользу гораздо более простых концепций, таких как программа Sentinel , которая не использовала MAR. Второй пример, MAR-II, был заброшен на месте на атолле Кваджалейн . [4]
Первая советская АФАР, 5Н65 , была разработана в 1963–1965 годах как часть системы ПРО С-225. После некоторых изменений в концепции системы в 1967 году она была построена на полигоне Сары-Шаган в 1970–1971 годах и на Западе получила прозвище Flat Twin. Четыре года спустя еще один радар этой конструкции был построен на полигоне Кура , в то время как система С-225 так и не была введена в эксплуатацию. [ необходима цитата ]
Американские производители радаров AESA, используемых в F-22 и Super Hornet, включают Northrop Grumman [7] и Raytheon. [8] Эти компании также проектируют, разрабатывают и производят модули передачи/приема, которые составляют «строительные блоки» радара AESA. Необходимая электронная технология была разработана внутри компании с помощью исследовательских программ Министерства обороны, таких как программа MMIC . [9] [10] В 2016 году Конгресс профинансировал конкурс военной промышленности на производство новых радаров для двух десятков истребителей Национальной гвардии. [11]
Радарные системы обычно работают, подключая антенну к мощному радиопередатчику для излучения короткого импульса сигнала. Затем передатчик отключается, а антенна подключается к чувствительному приемнику, который усиливает любые эхо-сигналы от целевых объектов. Измеряя время, необходимое для возврата сигнала, радарный приемник может определить расстояние до объекта. Затем приемник отправляет полученный выходной сигнал на дисплей какого-либо вида . Элементами передатчика обычно были клистронные трубки или магнетроны , которые подходят для усиления или генерации узкого диапазона частот до высоких уровней мощности. Чтобы сканировать часть неба, радарную антенну необходимо физически перемещать, чтобы она указывала в разных направлениях.
Начиная с 1960-х годов были введены новые твердотельные устройства, способные задерживать сигнал передатчика контролируемым образом. Это привело к появлению первой практической крупномасштабной пассивной электронной сканирующей решетки (PESA) или просто фазированной решетки радара. PESA принимали сигнал из одного источника, разделяли его на сотни путей, выборочно задерживали некоторые из них и отправляли их на отдельные антенны. Радиосигналы от отдельных антенн перекрывались в пространстве, а интерференционные картины между отдельными сигналами контролировались для усиления сигнала в определенных направлениях и приглушения его во всех других. Задержки можно было легко контролировать электронным способом, что позволяло очень быстро направлять луч без перемещения антенны. PESA может сканировать объем пространства намного быстрее, чем традиционная механическая система. Кроме того, благодаря прогрессу в электронике, PESA добавили возможность создавать несколько активных лучей, что позволяло им продолжать сканировать небо, в то же время фокусируя меньшие лучи на определенных целях для отслеживания или наведения полуактивных радиолокационных самонаводящихся ракет. В 1960-х годах ПЭЗА быстро получили распространение на кораблях и крупных стационарных огневых точках, а затем, по мере уменьшения размеров электроники, появились и бортовые датчики.
AESA являются результатом дальнейшего развития твердотельной электроники. В более ранних системах передаваемый сигнал изначально создавался в клистроне или лампе бегущей волны или аналогичном устройстве, которые относительно велики. Приемная электроника также была большой из-за высоких частот, с которыми она работала. Внедрение микроэлектроники на основе арсенида галлия в 1980-х годах способствовало значительному уменьшению размера приемных элементов, пока не удалось построить эффективные элементы с размерами, аналогичными размерам портативных радиостанций, объемом всего несколько кубических сантиметров. Внедрение JFET и MESFET сделало то же самое и с передающей стороной систем. Это привело к появлению усилителей-передатчиков с маломощным твердотельным генератором формы волны, питающим усилитель, что позволило любому радару, оборудованному таким образом, передавать в гораздо более широком диапазоне частот, вплоть до изменения рабочей частоты с каждым отправленным импульсом. Уменьшение всей сборки (передатчика, приемника и антенны) до единого «приемопередающего модуля» (TRM) размером с пакет молока и размещение этих элементов в матрице дает АФАР.
Основным преимуществом AESA перед PESA является способность различных модулей работать на разных частотах. В отличие от PESA, где сигнал генерируется на отдельных частотах небольшим количеством передатчиков, в AESA каждый модуль генерирует и излучает свой собственный независимый сигнал. Это позволяет AESA производить многочисленные одновременные «подлучи», которые она может распознавать из-за разных частот, и активно отслеживать гораздо большее количество целей. AESA также могут производить лучи, которые состоят из многих разных частот одновременно, используя постобработку объединенного сигнала от нескольких TRM для воссоздания отображения, как если бы отправлялся один мощный луч. Однако это означает, что шум, присутствующий на каждой частоте, также принимается и добавляется.
AESA добавляют много собственных возможностей к возможностям PESA. Среди них: способность формировать несколько лучей одновременно, использовать группы TRM для разных задач одновременно, например, для обнаружения радаров, и, что еще важнее, их несколько одновременных лучей и сканирующих частот создают трудности для традиционных корреляционных радарных детекторов.
Радарные системы работают, посылая сигнал и затем слушая его эхо от удаленных объектов. Каждый из этих путей, к цели и от нее, подчиняется закону обратных квадратов распространения как в переданном сигнале, так и в отраженном сигнале. Это означает, что полученная радаром энергия падает с четвертой степенью расстояния, поэтому для эффективной работы на больших расстояниях радиолокационные системы требуют высокой мощности, часто в диапазоне мегаватт.
Посылаемый радиолокационный сигнал является простым радиосигналом и может быть принят простым радиоприемником . Военные самолеты и корабли имеют защитные приемники, называемые « приемниками предупреждения о радарах » (RWR), которые обнаруживают, когда на них направлен луч вражеского радара, тем самым раскрывая местоположение противника. В отличие от радиолокационного блока, который должен посылать импульс, а затем получать его отражение, приемник цели не нуждается в отражении, и, таким образом, сигнал ослабевает только пропорционально квадрату расстояния. Это означает, что приемник всегда имеет преимущество [пренебрегая разницей в размере антенны] над радаром с точки зрения дальности — он всегда сможет обнаружить сигнал задолго до того, как радар увидит эхо цели. Поскольку положение радара является чрезвычайно полезной информацией при атаке на эту платформу, это означает, что радары, как правило, должны быть выключены на длительные периоды, если они подвергаются атаке; это распространено на кораблях, например.
В отличие от радара, который знает, в каком направлении он посылает свой сигнал, приемник просто получает импульс энергии и должен его интерпретировать. Поскольку радиоспектр заполнен шумом, сигнал приемника интегрируется в течение короткого периода времени, заставляя периодические источники, такие как радар, складываться и выделяться на случайном фоне. Грубое направление можно вычислить с помощью вращающейся антенны или аналогичной пассивной решетки, используя сравнение фаз или амплитуд . Обычно RWR хранят обнаруженные импульсы в течение короткого периода времени и сравнивают свою частоту вещания и частоту повторения импульсов с базой данных известных радаров. Направление на источник обычно сочетается с символикой, указывающей вероятное назначение радара — бортовое раннее предупреждение и управление , ракета класса «земля-воздух» и т. д.
Этот метод гораздо менее полезен против радара с перестраиваемым по частоте (твердотельным) передатчиком. Поскольку AESA (или PESA) может менять свою частоту с каждым импульсом (за исключением случаев использования доплеровской фильтрации) и, как правило, делает это с помощью случайной последовательности, интегрирование по времени не помогает вычленить сигнал из фонового шума. Более того, радар может быть спроектирован так, чтобы увеличить длительность импульса и снизить его пиковую мощность. AESA или современный PESA часто имеют возможность изменять эти параметры во время работы. Это не влияет на общую энергию, отраженную целью, но делает обнаружение импульса системой RWR менее вероятным. [12] AESA также не имеет какой-либо фиксированной частоты повторения импульсов, которая также может изменяться и, таким образом, скрывать любые периодические повышения яркости по всему спектру. RWR старого поколения по сути бесполезны против радаров AESA, поэтому AESA также известны как радары с низкой вероятностью перехвата . Современные РРВ должны быть высокочувствительными (малые углы и полосы пропускания для отдельных антенн, низкие потери при передаче и шум) [12] и добавлять последовательные импульсы посредством частотно-временной обработки для достижения полезных показателей обнаружения. [13]
Аналогично, глушители гораздо сложнее против AESA. Традиционно глушители работали, определяя рабочую частоту радара, а затем передавая на него сигнал, чтобы сбить с толку приемник относительно того, какой импульс является «реальным», а какой — глушителем. Этот метод работает до тех пор, пока радарная система не может легко изменить свою рабочую частоту. Когда передатчики были основаны на клистронных трубках, это было в целом верно, и радары, особенно бортовые, имели только несколько частот для выбора. Глушитель мог прослушивать эти возможные частоты и выбирать ту, которая будет использоваться для глушения.
Большинство радаров, использующих современную электронику, способны менять свою рабочую частоту с каждым импульсом. Это может сделать глушение менее эффективным; хотя можно посылать широкополосный белый шум для проведения заградительного глушения на всех возможных частотах, это уменьшает количество энергии глушения на любой одной частоте. AESA имеет дополнительную возможность распространять свои частоты по широкому диапазону даже в одном импульсе, метод, известный как «чирп». В этом случае глушение будет той же частотой, что и у радара, только в течение короткого периода, в то время как остальная часть импульса радара не будет заглушена.
AESA также можно переключить в режим только приема и использовать эти мощные сигналы помех для отслеживания источника, что требовало отдельного приемника в старых платформах. Интегрируя полученные сигналы от собственного радара цели вместе с более низкой скоростью передачи данных от собственных передач, система обнаружения с точным RWR, такая как AESA, может генерировать больше данных с меньшими затратами энергии. Некоторые системы с возможностью формирования луча, обычно наземные, могут даже полностью отбрасывать передатчик.
Однако использование одной приемной антенны дает только направление. Получение дальности и вектора цели требует по крайней мере двух физически отдельных пассивных устройств для триангуляции, чтобы обеспечить мгновенные определения, если только не используется фазовая интерферометрия . Анализ движения цели может оценить эти величины, включив множество направленных измерений с течением времени, а также знание положения приемника и ограничений на возможное движение цели.
Поскольку каждый элемент в AESA является мощным радиоприемником, активные решетки имеют много функций помимо традиционного радара. Одним из вариантов использования является выделение нескольких элементов для приема общих радиолокационных сигналов, что устраняет необходимость в отдельном приемнике радиолокационного предупреждения. Та же базовая концепция может использоваться для обеспечения традиционной радиоподдержки, а с некоторыми элементами, также осуществляющими вещание, формировать канал передачи данных с очень высокой пропускной способностью . F-35 использует этот механизм для передачи данных датчиков между самолетами, чтобы обеспечить синтетическую картину с более высоким разрешением и диапазоном, чем может генерировать любой один радар. В 2007 году испытания Northrop Grumman , Lockheed Martin и L-3 Communications позволили системе AESA Raptor действовать как точка доступа WiFi , способная передавать данные со скоростью 548 мегабит в секунду и принимать их на гигабитной скорости; это намного быстрее, чем система Link 16, используемая самолетами США и их союзников, которая передает данные со скоростью чуть более 1 Мбит/с. [14] Для достижения таких высоких скоростей передачи данных требуется высоконаправленная антенна, которую обеспечивает AESA, но которая исключает прием другими устройствами, находящимися за пределами ширины луча антенны, в то время как, как и большинство конструкций Wi-Fi, Link-16 передает свой сигнал всенаправленно, чтобы гарантировать, что все устройства в пределах диапазона могут принимать данные.
AESA также намного надежнее, чем PESA или более старые конструкции. Поскольку каждый модуль работает независимо от других, отдельные отказы оказывают незначительное влияние на работу системы в целом. Кроме того, модули по отдельности работают на низких мощностях, возможно, от 40 до 60 Вт, поэтому необходимость в большом высоковольтном источнике питания устраняется.
Замена механически сканирующей решетки на фиксированное крепление AESA (например, на Boeing F/A-18E/F Super Hornet ) может помочь уменьшить общую эффективную площадь рассеяния (ЭПР) самолета , но некоторые конструкции (например, Eurofighter Typhoon и Gripen NG ) отказываются от этого преимущества, чтобы объединить механическое сканирование с электронным сканированием и обеспечить более широкий угол общего покрытия. [15] [16] Такое высокое наведение с отводом от носа позволяет истребителю, оснащенному AESA, использовать маневр пересечения T , часто называемый «излучением» в контексте воздушного боя, против механически сканирующего радара, который отфильтровывал бы низкую скорость сближения перпендикулярного полета как помехи от земли, в то время как AESA поворачивается на 40 градусов в сторону цели, чтобы удерживать ее в пределах 60-градусного угла отклонения AESA. [17]
При расстоянии между элементами в половину длины волны максимальный угол луча составляет приблизительно °. При меньшем расстоянии между элементами наивысшее поле зрения (FOV) для плоской фазированной антенной решетки в настоящее время составляет 120° ( °), [18] хотя это можно сочетать с механическим управлением, как указано выше. [19] [20]
Первым радаром с АФАР, использовавшимся на действующем военном корабле, был японский OPS-24 производства Mitsubishi Electric, установленный на JDS Hamagiri (DD-155), первом корабле последней серии эсминцев класса Asagiri , спущенном на воду в 1988 году.
_of_the_Indian_Navy.png/1280px-ELM_2248_MF-STAR_radar_onboard_INS_Kolkata_(D63)_of_the_Indian_Navy.png)
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)