Активная решетка с электронным сканированием ( AESA ) — это тип антенны с фазированной решеткой , которая представляет собой антенную решетку с компьютерным управлением, в которой луч радиоволн можно электронным образом направлять в разные стороны без перемещения антенны. [1] В АФАР каждый антенный элемент подключен к небольшому полупроводниковому приемопередающему модулю (TRM) под управлением компьютера, который выполняет функции передатчика и /или приемника антенны. Это контрастирует с пассивной решеткой с электронным сканированием (PESA), в которой все элементы антенны подключены к одному передатчику и/или приемнику через фазовращатели под управлением компьютера. Основное применение AESA приходится на радары , известные как радары с активной фазированной антенной решеткой (APAR).
AESA — это более продвинутое и сложное второе поколение оригинальной технологии фазированных решеток PESA. PESA могут одновременно излучать только один луч радиоволн на одной частоте. PESA должна использовать матрицу Батлера , если требуется несколько лучей. AESA может одновременно излучать несколько лучей радиоволн на нескольких частотах. Радары AESA могут распространять свои сигналы в более широком диапазоне 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 помехам. Также можно найти гибриды AESA и PESA, состоящие из подмассивов, которые по отдельности напоминают PESA, где каждый подмассив имеет свой собственный RF-интерфейс . Используя гибридный подход, преимущества AESA (например, несколько независимых лучей) могут быть реализованы при меньших затратах по сравнению с чистым AESA.
Bell Labs предложила заменить радары Nike Zeus системой с фазированной решеткой в 1960 году и получила добро на разработку в июне 1961 года. Результатом стал многофункциональный радар с решеткой Zeus (ZMAR), ранний пример активного электронного радара. радиолокационная система с управляемой решеткой. [2] ZMAR стал MAR, когда в 1963 году программа Zeus завершилась в пользу системы Nike-X. MAR (Многофункциональный радар с решеткой) состоял из большого количества небольших антенн, каждая из которых была подключена к отдельному компьютеру, управляемому компьютером. передатчик или приемник. Используя различные этапы формирования луча и обработки сигналов , одиночный MAR мог выполнять обнаружение на большом расстоянии, отслеживание, распознавание боеголовок от ложных целей и отслеживание исходящих ракет-перехватчиков. [3]
MAR позволял контролировать весь бой на большом пространстве с одного места. Каждый MAR и связанный с ним боевой центр будут обрабатывать треки сотен целей. Затем система выберет наиболее подходящую батарею для каждой из них и передаст им для атаки определенные цели. Одна батарея обычно связана с MAR, а другие располагаются вокруг нее. Удаленные батареи были оснащены гораздо более простым радаром, основной целью которого было отслеживание вылетающих ракет «Спринт» до того, как они станут видимыми для потенциально удаленной MAR. Эти меньшие по размеру радары ракетных площадок (MSR) пассивно сканировались, образуя только один луч вместо нескольких лучей MAR. [3]
Хотя MAR в конечном итоге оказался успешным, стоимость системы была огромной. Когда проблема ПРО стала настолько сложной, что даже такая система, как MAR, больше не могла справляться с реалистичными сценариями атак, от концепции Nike-X отказались в пользу гораздо более простых концепций, таких как программа Sentinel , которая не использовала MAR. Второй экземпляр, MAR-II, был брошен на месте на атолле Кваджалейн . [4]
Первый советский АФАР — 5Н65 — был разработан в 1963—1965 годах в составе 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 получила на Западе прозвище Flat Twin. Четыре года спустя на полигоне Кура была построена еще одна РЛС этой конструкции , а система С-225 так и не была введена в эксплуатацию. [ нужна цитата ]
В число американских производителей радаров AESA, используемых в F-22 и Super Hornet, входят компании Northrop Grumman [7] и Raytheon. [8] Эти компании также проектируют, разрабатывают и производят модули передачи/приёма, которые составляют «строительные блоки» радара с АФАР. Необходимая электронная технология была разработана собственными силами в рамках 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 путем подключения антенны 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 возвращения сигнала, приемник радара может определить расстояние до объекта. Затем получатель отправляет полученный результат на какой-либо дисплей . Передающими элементами обычно были клистронные трубки или магнетроны , которые подходят для усиления или генерации узкого диапазона частот до высоких уровней мощности. Чтобы сканировать часть неба, антенну радара необходимо физически перемещать в разных направлениях.
Начиная с 1960-х годов были представлены новые полупроводниковые устройства, способные контролируемо задерживать сигнал передатчика. Это привело к созданию первой практической крупномасштабной пассивной антенной решетки с электронным сканированием (PESA), или просто радара с фазированной решеткой. PESA брали сигнал из одного источника, разделяли его на сотни путей, избирательно задерживали некоторые из них и отправляли на отдельные антенны. Радиосигналы от отдельных антенн перекрывались в пространстве, а интерференционная картина между отдельными сигналами контролировалась так, чтобы усиливать сигнал в определенных направлениях и приглушать его во всех остальных. Задержками можно было легко управлять с помощью электроники, что позволяло очень быстро управлять лучом, не перемещая антенну. PESA может сканировать объем пространства гораздо быстрее, чем традиционная механическая система. Кроме того, благодаря прогрессу в электронике, PESA добавили возможность генерировать несколько активных лучей, что позволяет им продолжать сканировать небо, в то же время фокусируя меньшие лучи на определенных целях для отслеживания или наведения полуактивных радиолокационных самонаводящихся ракет. PESA быстро получили широкое распространение на кораблях и крупных стационарных огневых точках в 1960-х годах, за ними последовали бортовые датчики, когда количество электроники сократилось.
AESA являются результатом дальнейшего развития твердотельной электроники. В более ранних системах передаваемый сигнал изначально создавался в клистроне, трубке бегущей волны или аналогичном устройстве, которые были относительно большими. Электроника приёмника также была большой из-за высоких частот, с которыми она работала. Внедрение микроэлектроники на основе арсенида галлия в 1980-х годах позволило значительно уменьшить размеры приемных элементов до тех пор, пока не удалось создать эффективные элементы размером, аналогичным размерам портативных радиоприемников, всего лишь несколько кубических сантиметров в объеме. Внедрение JFET и MESFET сделало то же самое и с передающей стороной систем. Это привело к появлению усилителей-передатчиков с маломощным полупроводниковым генератором сигналов, питающим усилитель, что позволило любому радару, оборудованному таким образом, вести передачу в гораздо более широком диапазоне частот, вплоть до изменения рабочей частоты с каждым отправленным импульсом. Сжатие всей сборки (передатчик, приемник и антенна) в единый «модуль передатчика-приемника» (TRM) размером примерно с коробку молока и расположение этих элементов в ряд позволяет получить АФАР.
Основным преимуществом AESA перед PESA является способность разных 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 собственный независимый сигнал. Это позволяет AESA одновременно создавать множество «подлучей», которые она может распознавать благодаря разным частотам, и активно отслеживать гораздо большее количество целей. AESA также может создавать лучи, состоящие из множества разных частот одновременно, используя постобработку объединенного сигнала от нескольких TRM для воссоздания изображения, как если бы был отправлен один мощный луч. Однако это означает, что шум, присутствующий на каждой частоте, также принимается и добавляется.
AESA добавляют к PESA множество собственных возможностей. Среди них: способность формировать несколько лучей одновременно, одновременно использовать группы TRM для разных целей, таких как обнаружение радаров, и, что более важно, их несколько одновременных лучей и частоты сканирования создают трудности для традиционных радар-детекторов корреляционного типа.
Радарные системы работают, посылая сигнал, а затем прослушивая его эхо от удаленных объектов. На каждом из этих путей к цели и от нее действует закон обратных квадратов распространения как передаваемого сигнала, так и отраженного обратно сигнала. Это означает, что получаемая радаром энергия падает с четвертой степенью расстояния, поэтому радиолокационные системы требуют высокой мощности, часто в мегаваттном диапазоне, чтобы быть эффективными на больших расстояниях.
Отправляемый радиолокационный сигнал представляет собой простой радиосигнал и может быть принят простым радиоприемником . Военные самолеты и корабли оснащены защитными приемниками, называемыми « приемниками радиолокационного предупреждения » (RWR), которые определяют, когда на них попадает луч радара противника, тем самым раскрывая положение противника. В отличие от радара, который должен посылать импульс, а затем принимать его отражение, приемнику цели не требуется отражение, и поэтому сигнал падает только пропорционально квадрату расстояния. Это означает, что приемник всегда имеет преимущество (пренебрегая разницей в размере антенны) перед радаром с точки зрения дальности - он всегда сможет обнаружить сигнал задолго до того, как радар сможет увидеть эхо цели. Поскольку положение радара является чрезвычайно полезной информацией при атаке на эту платформу, это означает, что радары, как правило, необходимо отключать на длительные периоды времени, если они подвергаются атаке; это часто встречается, например, на кораблях.
В отличие от радара, который знает, в каком направлении он посылает сигнал, приемник просто получает импульс энергии и должен его интерпретировать. Поскольку радиоспектр заполнен шумом, сигнал приемника интегрируется за короткий период времени, в результате чего периодические источники, такие как радар, складываются и выделяются на случайном фоне. Примерное направление можно рассчитать с помощью вращающейся антенны или аналогичной пассивной решетки, используя сравнение фазы или амплитуды . Обычно RWR хранят обнаруженные импульсы в течение короткого периода времени и сравнивают частоту их передачи и частоту повторения импульсов с базой данных известных радаров. Направление на источник обычно сочетается с символикой, указывающей на вероятное назначение радара – бортовое дальнее обнаружение 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 изменять свою частоту с каждым импульсом (кроме случаев использования доплеровской фильтрации) и обычно делает это с использованием случайной последовательности, интегрирование по времени не помогает выделить сигнал из фонового шума. Более того, радар может быть спроектирован таким образом, чтобы увеличить длительность импульса и снизить его пиковую мощность. AESA или современное PESA часто имеют возможность изменять эти параметры во время работы. Это не влияет на общую энергию, отраженную целью, но снижает вероятность обнаружения импульса системой RWR. [12] AESA также не имеет какой-либо фиксированной частоты повторения импульсов, которую также можно варьировать и, таким образом, скрывать любое периодическое увеличение яркости по всему спектру. RWR старого поколения по сути бесполезны против радаров с АФАР, поэтому АФАР также известны как радары с низкой вероятностью перехвата . Современные RWR должны быть высокочувствительными (малые углы и ширина 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]
Постановка помех против АФАР также намного сложнее. Традиционно постановщики помех действуют, определяя рабочую частоту радара и затем передавая на него сигнал, чтобы сбить с толку приемник относительно того, какой импульс является «настоящим», а какой принадлежит постановщику помех. Этот метод работает до тех пор, пока радиолокационная система не может легко изменить свою рабочую частоту. Когда передатчики были основаны на клистронных трубках, это в целом было верно, и радары, особенно бортовые, имели лишь несколько частот на выбор. 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 заградительных помех на всех возможных частотах, это уменьшает количество энергии помех на любой одной частоте. AESA имеет дополнительную возможность распределять свои частоты по широкой полосе частот даже за один импульс - метод, известный как «чип». В этом случае помехи будут той же частоты, что и радар, лишь на короткий период времени, а остальная часть радиолокационного импульса не будет помеховой.
AESA также можно переключить в режим только приема и использовать эти мощные сигналы помех для отслеживания их источника, для чего на старых платформах требовался отдельный приемник. Интегрируя полученные сигналы от собственного радара цели вместе с более низкой скоростью передачи данных из собственных передач, система обнаружения с точным RWR, такая как AESA, может генерировать больше данных с меньшими затратами энергии. Некоторые приемные системы с возможностью формирования луча, обычно наземные, могут даже полностью отказаться от передатчика.
Однако использование одной приемной антенны дает только направление. Для получения дальности и целевого вектора требуется как минимум два физически отдельных пассивных устройства для триангуляции , чтобы обеспечить мгновенные определения, если не используется фазовая интерферометрия . Анализ движения цели может оценить эти величины путем включения множества измерений направления с течением времени, а также знаний о положении приемника и ограничений на возможное движение цели.
Поскольку каждый элемент АФАР представляет собой мощный радиоприемник, активные решетки выполняют множество функций, помимо традиционного радара. Одним из вариантов использования является выделение нескольких элементов для приема обычных радиолокационных сигналов, что устраняет необходимость в отдельном приемнике радиолокационных предупреждений. Та же основная концепция может быть использована для обеспечения традиционной радиоподдержки, а с некоторыми элементами также и для радиовещания, для формирования канала 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 дальностью, чем может создать любой один радар. В 2007 году испытания, проведенные компаниями Northrop Grumman , Lockheed Martin и L-3 Communications, позволили системе AESA Raptor действовать как точка доступа Wi-Fi , способная передавать данные со скоростью 548 мегабит в секунду и принимать 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 узконаправленная антенна, которую обеспечивает AESA, но которая исключает прием другими устройствами, находящимися за пределами ширины луча антенны, тогда как, как и большинство конструкций Wi-Fi, Link-16 передает свой сигнал всенаправленно, чтобы гарантировать все устройства в радиусе действия могут получать данные.
AESA также намного более надежны, чем PESA или старые конструкции. Поскольку каждый модуль работает независимо от остальных, единичные сбои мало влияют на работу системы в целом. Кроме того, модули по отдельности работают при низкой мощности, возможно, от 40 до 60 Вт, поэтому отпадает необходимость в большом высоковольтном источнике питания.
Замена решетки с механическим сканированием на фиксированную установку AESA (например, на Boeing F/A-18E/F Super Hornet ) может помочь уменьшить общую радиолокационную эффективность (ЭПР) самолета , но некоторые конструкции (например, Eurofighter Typhoon ) откажитесь от этого преимущества, чтобы объединить механическое сканирование с электронным сканированием и обеспечить более широкий угол общего охвата. [15] Такое наведение вне носа позволяет истребителю, оснащенному AESA, использовать маневр пересечения Т-образной формы , часто называемый «лучением» в контексте боя «воздух-воздух», против радара с механическим сканированием, который отфильтровывает радиолокационные сигналы. низкая скорость закрытия перпендикулярного полета из-за помех от земли, в то время как АФАР поворачивается на 40 градусов к цели, чтобы удержать ее в пределах угла отклонения АФАР в 60 градусов. [16]
При расстоянии между элементами в половину длины волны максимальный угол луча составляет примерно °. При более коротком расстоянии элемента максимальное поле зрения (FOV) для плоской фазированной антенной решетки в настоящее время составляет 120° ( °) [17] , хотя это можно комбинировать с механическим рулевым управлением, как отмечалось выше. [18] [19]
Первым радаром с АФАР, примененным на боевом корабле, был японский OPS-24 производства Mitsubishi Electric , представленный на JDS Hamagiri (DD-155), первом корабле последней партии эсминца 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)