Активная фазированная антенная решётка. В россии начат выпуск авиационных радаров пятого поколения

24.05.2019

Подполковник-инженер М. Михов

Мероприятия по дальнейшему наращиванию боевой мощи ВВС США предусматривают создание не только новых, более совершенных самолетов, но и различного оборудования, применение которого расширило бы их боевые возможности. В частности, командование американских ВВС большое внимание уделяет разработке многофункциональных самолетных радиолокационных станций, которые обеспечивали бы обнаружение воздушных, наземных и надводных целей (одновременно нескольких) и определение их координат, управление бортовым оружием, оценку рельефа местности в интересах обеспечения безопасности полетов на малых высотах.

Американские специалисты считают, что последовательное или одновременное выполнение РЛС нескольких функций в значительной мере зависит от скорости и полноты обзора пространства, то есть от того, насколько быстро луч РЛС будет перемещаться в заданном секторе и изменять свою форму (диаграмму направленности). Отмечается, что для поиска и сопровождения воздушных целей необходима острая диаграмма направленности, сканирующая в пределах всей передней полусферы, а для обзора земной поверхности - плоская диаграмма (косекансквадратной формы по углу места), сканирующая по азимуту в нижней части передней полусферы. В целях эффективного обеспечения полета на малых высотах необходимо быстрое сканирование луча РЛС как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

Существующие антенные системы, в которых для формирования диаграммы направленности луча используются параболические отражатели высокочастотных сигналов, не позволяют одной РЛС выполнять несколько функций. Такие антенны, по оценке американских специалистов, не имеют необходимой для многофункциональной РЛС ширины сектора обзора пространства, обладают недостаточной скоростью сканирования луча, имеют большой вес и объем, а также низкую надежность, то есть они не подходят для РЛС, предназначенных для одновременного действия по нескольким целям и выполнения различных функций. Поэтому, например, на самолете FB-111 для обеспечения выполнения всех его боевых задач устанавливаются две РЛС и три антенны.

В связи с этим в США уже в начале 60-х годов начались работы по созданию принципиально новых антенн для самолетных многофункциональных РЛС. Эти антенны представляют собой фазированные антенные решетки (ФАР). Иностранная печать отмечает, что основное преимущество ФАР перед обычной отражательной (зеркальной) антенной заключается в электронном управлении лучом, которое обеспечивается изменением по определенному закону фазы излучаемого сигнала каждого из элементарных излучателей. В решетке может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч таких излучателей. Время перемещения луча между двумя крайними положениями не превышает нескольких микросекунд, при этом возможно быстрое изменение формы диаграммы направленности. Существенной особенностью работы ФАР является необходимость включения в комплект РЛС электронной вычислительной машины, которая может достаточно быстро управлять одновременно всеми излучателями решетки. ФАР обеспечивает более широкий сектор обзора, чем обычная антенна, а благодаря неподвижной конструкции ее удобно размещать под обтекателем на борту самолета. Исключаются также тяжелые л громоздкие электромеханические или гидравлические устройства управления и повышается живучесть РЛС, так как она выполняет свои функции даже при выходе из строя значительного количества элементарных излучателей.

Американские специалисты одним из перспективных направлений в развитии ФАР считают создание так называемых "конформированных решеток", элементы которых будут располагаться по сложной выпуклой поверхности различных участков обшивки самолета. При этом может увеличиться зона обзора и освободиться значительный полезный объем в носовой части самолета для размещения других радиоэлектронных средств или вооружения.

Наиболее перспективными, несмотря на сложность электрических схем, иностранные специалисты считают так называемые "активные" ФАР, в которых элементарные излучатели являются самостоятельными приемопередатчиками. Такие ФАР позволяют с высоким КПД реализовать энергетические возможности высокочастотных генераторов и значительно повысить надежность работы РЛС. Существенным препятствием при создании таких РЛС является отсутствие в настоящее время достаточно экономичных, легких и мощных твердотельных высокочастотных генераторов или усилителей мощности. Поэтому в США в качестве промежуточных вариантов ФАР разрабатываются пассивные линзовые антенны (отражательные или проходные), в которых для формирования требуемых диаграмм направленности применяется решетка высокочастотных фазовращателей, облучаемая широким лучом от единого источника мощного высокочастотного сигнала.

В зависимости от способа подачи высокочастотных сигналов имеются пассивные проходные ФАР двух видов: с открытой волноводной системой, когда решетка облучается одним широким лучом от слабонаправленного источника, и с закрытой, когда передаваемый высокочастотный сигнал подается к элементарным фазовращателям решетки при помощи разветвленной системы волноводов.

Один из вариантов пассивной проходной ФАР с закрытой волноводной системой - волноводная щелевая решетка, в которой излучающими элементами являются щели в стенках волноводов. Управление фазой высокочастотного сигнала в такой решетке производится не в отдельном элементе, а в группе элементов путем применения группового фазовращателя в соответствующем отрезке волновода. В данном случае возможности электрического управления диаграммой направленности ФАР в плоскости, проходящей вдоль отрезка волновода, резко уменьшаются, и в связи с этим возникает необходимость использования механического сканирования луча.

Одной из основных частей элементарной ячейки ФАР является высокочастотный фазовращатель. Обычно фазовращатели выполняются на ферритах или реактивных диодах, причем, несмотря на значительные вносимые потери и малую допустимую рассеиваемую мощность, предпочтение отдается последним из-за их небольшого веса, простоты управления и высокой скорости переключения.

Рис. 1. Блок-схема модуля РЛС MERA: 1 - антенна; 2 - антенный переключатель; 3 - умножитель частоты; 4 - сигнал переключения с приема на передачу; 5 - смеситель; 6 - импульсный усилитель; 7 - импульсный сигнал модуляции; 8 - усилитель промежуточной частоты; 9 - фазовращатель приемного тракта, 10 - логическая схема управления; 11 - фазовращатель передающего тракта; 12 - фазосдвигающее устройство; 13 - усилитель мощности; 14 - управляющие сигналы от ЭВМ

Рис, 2. Модуль РЛС MERA. а - расположение основных элементов в верхней и нижней частях модуля; б - внешний вид модуля в собранном виде

Управление фазовращателями обычно осуществляется с помощью сигналов, поступающих от цифровой ЭВМ В иностранной печати отмечается, что если сигналы имеют малое количество разрядов, то уменьшается количество фиксированных значении фазы высокочастотного сигнала и при установке луча РЛС возникают ошибки квантования, а увеличение разрядности управляющих сигналов приводит к усложнению конструкции фазовращателей и возрастанию их веса. Американские специалисты провели опыты по оценке этих ошибок путем учета падения мощности излучения в требуемом направлении при максимальной ошибке квантования и получили следующие результаты: при одноразрядном управляющем сигнале (установка фазы через 180°) это падение составляет 4 дб (60 проц.), а при двухразрядном (установка фазы через 90°) - всего 0,9 дб (20 проц.). Из этого был сделан вывод, что для большинства самолетных РЛС оптимальным является управление двухразрядным сигналом. При этом считается, что ошибка квантования вполне компенсируется за счет большой скорости перемещения луча и дальнейшей обработки принятого сигнала.

В результате проводимых работ в США во второй половине 60-х годов фирмы "Тексас инструменте", "Макссон электроникс", "Хьюз эркрафт", "Рейтеон" и некоторые другие разработали ряд опытных образцов РЛС, имеющих активные и пассивные ФАР и электронное управление луча. Краткое описание некоторых из них приводится ниже.

РЛС MERA (Molecular Electronics for Radar Application) , созданная специалистами фирмы "Тексас инструменте", является одной из первых станций с активной ФАР. Впервые эта РЛС была продемонстрирована в 1968 году. Ее антенная решетка состоит из 604 твердотельных модулей, которые работают в 3-см диапазоне волн Блок-схема одного такого модуля показана на рис. 1 При передаче для возбуждения модулей используются сигналы частотой 2250 МГц, а при приеме отраженных сигналов - гетеродины, работающие на частоте 2125 МГц. Компоновка, внешний вид и размеры модуля показаны на рис. 2 (цифровые обозначения соответствуют обозначениям на рис. 1). Элементы модулей на площади ФАР были размещены по эмпирическому положению: два-три модуля на площадь, равную квадрату длины волны РЛС. Для достижении мощности в импульсе бортовой РЛС (предназначенной для обзора земной поверхности), равной 60 кВт, предполагалось использовать модули мощностью излучения по 100 Вт Однако технические возможности выполнения твердотельных усилителей такой мощности в заданных габаритах оказались нереальными, и возникший при этом энергетический дефицит был компенсирован за счет применения схем сжатия импульсов. Сообщалось, что среднее расчетное время наработки РЛС на один отказ составило несколько сотен часов.

Опыт разработки, схемы и некоторые конструктивные решения экспериментальной РЛС MERA были использованы при создании в начале 70-х годов опытного образца РЛС RASSR (Reliable Advanced Solid State Radar), Специалисты фирмы считали, что эта РЛС вполне может быть установлена на перспективных тактических самолетах 70-х годов. Ее ФАР состояла из 1648 приемопередающих модулей, сходных по принципу построения с модулями РЛС MERA.

Фирма "Макссон электроникс" по заказу командования авиации ВМС США разработала опытный образец РЛС 1-см диапазона с отражательной ФАР. Эта РЛС в 1969 году была установлена на самолете А-6 для проведения летных испытаний. ФАР диаметром 72 см состояла из 1500 элементов с высокочастотными фазовращателями на реактивных диодах. Размеры каждого из элементов - 98х10x10 мм. Сигнал на решетку подавался от четырехрупорного облучателя. Управление фазовращателями решетки осуществлялось с помощью сигналов, поступающих от легкой малогабаритной бортовой ЭВМ весом 2,3 кг, которая обеспечивала установку луча в течение 250 мкс. Электроснабжение РЛС производилось от специального блока питания весом 2,7 кг. Потребляемая мощность станции 700 Вт.

По сообщениям иностранной печати, специалисты этой фирмы на базе вышеупомянутого опытного образца разработали проект усовершенствованной РЛС с ФАР диаметром 144 см, состоящей из 6000 элементов. Расчетный вес такой решетки 77 кг, а стоимость 150 тыс. долларов. Фазовращатели решетки выдерживают мощность излучения более 2 Вт, поэтому американские специалисты считают, что такая РЛС могла бы обладать мощностью в импульсе 1,5 МВт, а этого вполне достаточно для самолетных станций любого класса. Для такой РЛС предполагалось использовать модифицированную ЭВМ, которая обеспечивает установку луча за 1,5 мкс.

Для перспективных истребителей-перехватчиков авиации ВМС США в 1969 году фирмой "Хьюз эркрафт" была разработана РЛС ESIRA (Electronically Scanned Interceptor Radar Antenna). Ее пассивная отражательная ФАР диаметром около 150 см состоит из 2400 элементов и четырехрупорного облучателя.

Рис.3.. Внешний вид РЛС AN/APO-140

Рис. 4. Бортовая РЛС с щелевой полноводной ФАР, установленная в носовой части самолета F-I4

Рис. 5. Основные блоки и ФАР обзорной навигационной РЛС RDR-1400

По заказу командования ВВС США американская фирма "Рейтеон" разработала РЛС AN/APQ-140, которая предназначалась для установки на сверхзвуковой стратегический бомбардировщик В-1, создаваемый фирмой "Боинг". Опытный образец этой РЛС с отражательной ФАР диаметром около 70 см, состоящей из 3800 элементов (рис. 3), прошел летные испытания на специальном самолете. Однако по ряду причин принятие этой РЛС на вооружение было отложено, и на первых этапах серийного производства самолета B-1 на него планируется устанавливать не одну многофункциональную РЛС, а комплект станций, представляющий собой усовершенствованный вариант комплекта РЛС самолета FB-111.

Зарубежная печать сообщает, что интенсивные работы по созданию самолетных РЛС с ФАР, проводимые в США со второй половины 60-х годов, не дали ожидаемых результатов. В связи с техническими трудностями, возникшими при реализации проектов, и недостаточно высокой надежностью твердотельных элементов ФАР современные американские боевые самолеты до сих пор не имеют бортовых РЛС с полным электронным управлением луча. Кроме того, существенное влияние на выполнение программ оказала высокая стоимость работ.

По данным иностранной печати, в США при создании многофункциональных РЛС применяется промежуточный конструктивный вариант ФАР, представляющий собой волноводную щелевую решетку с закрытой фидерной системой и питанием от общего высокочастотного генератора мощности. Как указывалось ранее, ограниченное электронное управление диаграммой направленности в такой антенне должно сочетаться с механическим сканированием ее решетки. Однако, несмотря на это, они имеют преимущества перед обычными антеннами. В частности, отмечается, что тщательная фазировка излучателей значительно уменьшает уровень боковых лепестков, а отсутствие вынесенного вперед облучателя или контррефлектора позволяет при данных размерах обтекателя увеличить диаметр антенны и ее предельные угловые отклонения, а следовательно, сузить диаграмму направленности и увеличить зону обзора. Кроме того, приближение центра тяжести антенной системы к узлам ее подвески позволяет значительно упростить их конструкцию и повысить скорость перемещения антенны.

В США уже разработаны РЛС нескольких типов с щелевыми антенными решетками. Например, на многоцелевых палубных истребителях F-14 "Томкэт" устанавливаются созданные фирмой "Хьюз эркрафт" РЛС системы управления оружием AN/AWG-9 (рис. 4). Сообщается, что сочетание в данной РЛС электронного и быстрого механического сканирования луча обеспечивает одновременное сопровождение нескольких воздушных целей. На базе этой станции фирма разработала серию РЛС "Атлас", которые планируется устанавливать на перспективных тактических самолетах. Антенну аналогичного типа (в виде щелевой волноводной решетки) применила фирма "Юнайтед эркрафт" в РЛС "Меркурий", которую предполагается использовать на перспективном истребителе ВВС США. Антенна РЛС "Меркурий", макет которой демонстрировался фирмой в конце 1974 года, представляет собой 30 горизонтальных отрезков волноводов со щелевыми излучателями, расположенными в узких стенках волноводов. Ее конструкция обеспечивает механическое сканирование по азимуту в пределах ±70° и электронное до 50° по углу места.

Американская печать отмечает, что благодаря своим преимуществам и относительно несложной конструкции щелевые волноводные антенные решетки найдут применение не только в многофункциональных, но и в более простых самолетных бортовых РЛС. В частности, фирма "Бендикс" разработала обзорную навигационную РЛС RDR-1400 (рис. 5), у которой антенная решетка обеспечивает только формирование луча, а обзор по обеим угловым координатам (азимуту и углу места) осуществляется за счет механического ее вращения. RDR-1400 имеет узкую диаграмму направленности и предназначена для обнаружения малоразмерных надводных целей. Ее намечается устанавливать на патрульные и поисково-спасательные самолеты и вертолеты.

Многие иностранные специалисты считают, что в течение ближайших лет наиболее вероятным типом антенны самолетных многофункциональных РЛС будет щелевая волноводная решетка с частичным механическим сканированием, а принятие на вооружение РЛС, имеющих полностью электронное управление луча, следует ожидать не ранее начала 80-х годов.

Амплитуда, фазовый сдвиг и длина волны (частота) — основные характеристики любой волны

При интерференции, в зависимости от длины волны и разницы фаз между ними, волны взаимно усиливают или ослабляют друг друга в разных точках пространства

Впервые на истребителе: бортовая РЛС самолета Миг-31 с ПФАР «Заслон»

ПФАР «Ирбис-Э» устанавливается на самолеты Су-35

Последний писк: АФАР «Жук-АЭ» на Миг-35

Собственные АФАР имеются и у западных конкурентов — это, например, американская AN/APG-81, которую планируется устанавливать на перспективных F-35

С помощью АФАР можно вести и топографическую съемку местности — не отвлекаясь от основной работы бортовой РЛС (снимок сделан АФАР AN/APG-81)

ФАР используются не только на самолетах, но и на наземных РЛС (на снимке — многофункциональная РЛС «Дон-2Н»)…

…и на военно-морских кораблях — как четверка радаров 348 на китайском эсминце Haikou

Фазированные антенные решетки (ФАР) — самый главный инструмент работы и современных РЛС, и самый зоркий «глаз» современных истребителей. Стоит заметить, что на самолеты ФАРы ставят двух возможных типов — пассивные (например, «Заслон» — первая в мире ПФАР, установленная на истребителях Миг-31) и активные (например, «Жук-АЭ» на новых Миг-35). Считается, что АФАР — обязательный элемент самолетов 5-го поколения. Но чтобы понять, что это такое, и как это работает, придется начать издалека.

Ключевое слово здесь — «антенна». Напомним, что любая антенна — это устройство для излучения и приема радиоволн. Антенны применяются и для коммуникаций, и для обнаружения техники противника. В простейшем случае антенна работает на манер летучей мыши, испускающей в пространство неслышный нашему уху ультразвук, который, отражаясь от окружающих предметов, дает животному представление о них.

Так действовали еще самые первые РЛС, защищавшие Британские острова от налетов Люфтваффе: они испускали в пространство радиоизлучение и «слушали» отраженный сигнал. По характеристикам отражения можно математически вычислить некоторые свойства отразившего радиоволну объекта — например, его координаты. Однако с тех пор и наука, и техника сделали большой шаг вперед, и современные ФАРы похожи на своих прародителей не больше, чем новый компьютер — на шифровальную машину Colossus (о ней мы рассказывали в статье «Колосс британский »).

В отличие от простой антенны, антенная решетка представляет собой целый массив из сотен (а порой и тысяч) отдельных излучателей. Все эти излучатели работают согласованно, таким образом, что фазы испускаемых ими радиоволн изменяются комплексно (отсюда и определение «фазированная»).

Напомним, что радиоволна, как и всякая другая волна, представляет собой поперечное колебание электрического и магнитного полей. И, как всякое «порядочное» колебание, она характеризуется:

Амплитудой, которая определяет «силу» колебания.

Длиной волны и связанной с ней частотой колебаний. Эта величина определяет характер электромагнитного колебания. Радиоволны имеют длину волны от десятых долей миллиметра до десятков метров. Для радиолокации используются волны сантиметровой длины, с частотой около 3−30 ГГц.

Фазой — то есть состоянием колебательной системы в данный момент времени. Поскольку длина волны и частота у нас, в принципе, постоянны, фаза радиолокационного сигнала показывает текущее «положение» волны на шкале амплитуды.

Из этих характеристик нас особенно интересует фаза, верней, разница фаз колебаний. Из школьного курса физики мы помним, что волны, встречаясь в разных точках пространства, интерферируют, то есть «рекомбинируют» друг с другом в соответствии с разницей их фаз в этих точках. Они могут как взаимно усиливать, так и ослаблять друг друга.

Закончим небольшое теоретическое отступление и вернемся к ФАРам. Как мы помним, каждая антенна в решетке излучает отдельно от других, но согласованно с ними — так, что разницу фаз испускаемых ими радиосигналов можно контролировать — а значит, можно управлять интерференцией волн в нужных нам точках пространства. Этим мы добьемся сразу массы преимуществ.

Во-первых, мы сможем по своему желанию делать сигнал то широким, то весьма узконаправленным и, в принципе, придавать ему самую разную нужную нам форму. Это позволяет и существенно экономить энергию, усиливая «сканирование» лишь на интересующих нас направлениях.

Чтобы сузить луч, можно, конечно, использовать обычную гиперболическую антенну-«тарелку», но на самолет установить ее проблематично, да и управление ее лучом требует вращать всю антенну — а это задача не из простых. Такие антенны, в принципе, ставятся на более ранние самолеты, но это и громоздко, и медленно, а если начать вращать антенной достаточно быстро, неизбежно возникнут проблемы с управляемостью.

Это приводит нас ко второму преимуществу ФАРов: чтобы изменить направление радиолуча, нам не потребуется вращать саму ФАР: достаточно изменить разницу фаз испускаемых антеннами сигналов. А значит, не требуется громоздкое и сложное гидравлическое оборудование, уходят и потери времени на вращение громоздкой антенны: переключение фаз контролирует электроника, и перемещение узконаправленного «внимания» ФАР происходит практически мгновенно.

При этом ФАР принимает сигнал со всех направлений — но по некоторым из них становится намного более чувствительной, что делает ее особенно полезной, скажем, для ведения обнаруженной цели. Это уже — вещь, которую не стыдно поставить на любой самолет!

Сначала для этой цели были использованы пассивные фазированные антенные решетки (ПФАР), имеющие один излучатель и один приемник. В ячейках ее расположены не отдельные излучатели и приемники, а специальные фазовращатели, которые, получая сигнал от излучателя, меняют его фазу нужным образом. Но более современный вариант — активная ФАР (АФАР), в каждой ячейке которой имеется собственный излучатель и приемник, хотя, конечно, все они работают под контролем единого электронного центра. Каждая ячейка АФАР сама излучает сигнал, управляемый по фазе и частоте, а в самых сложных версиях — и по амплитуде.

В отличие от ПФАР, они намного чувствительней и надежней: выход из строя излучателя или приемника не делает всю АФАР бесполезной грудой железа, она продолжает работать: в АФАР таких приемников-передатчиков сотни! Ну а современные мощные компьютеры еще более расширяют возможности этого инструмента, позволяя одновременно вести десятки целей, в том числе и наземных — и даже картографировать местность параллельно основной работе.

Более того, появляется возможность работать с разными частотами излучения, повышая помехозащищенность или, скажем, устанавливая с помощью АФАР помехи противнику: одна часть ячеек работает как РЛС, а другая — как постановщик помех. Наконец, они экономней: в ПФАР велики потери сигнала при передаче к фазовращателям, а в АФАР их просто нет.

Конечно, в этом море меда нашлось место и изрядной доле дегтя. Главная головная боль разработчиков РЛС с АФАР — охлаждение. Такая масса излучателей чрезвычайно сильно перегревается, и даже в полете воздушного охлаждения совершенно недостаточно, и приходится использовать жидкостную систему, заполненную специальными хладагентами.

Еще одна проблема — стоимость: в современных АФАР число отдельных элементов-ячеек достигает сотен, а то и 1−1,5 тыс. И если каждый из них стоит не слишком много — допустим, пару сотен долларов — то в сумме выходит изрядно.

Активная фазированная антенная решётка (АФАР ) - разновидность фазированой антенной решётки (ФАР).

В активной фазированной антенной решётке каждый элемент решётки или группа элементов имеют свой собственный миниатюрный микроволновый передатчик, обходясь без одной большой трубки передатчика, применяемой в радарах с пассивной фазированной решёткой. В активной фазированной решётке каждый элемент состоит из модуля, который содержит щель антенны , фазовращатель , передатчик , и часто также приёмник .

Сравнение с пассивной решёткой

В обычной пассивной решётке один передатчик мощностью несколько кило ватт питает несколько сотен элементов, каждый из которых излучает только десятки ватт мощности. Современный микроволновый транзисторный усилитель может, однако, также произвести десятки ватт, и в радаре с активной фазированной решёткой несколько сотен модулей, каждый мощностью в десятки ватт, создают в целом мощный главный луч радара в несколько киловатт.

В то время как результат идентичен, активные решётки намного более надежны, поскольку отказ одного приёмо-передающего элемента решётки искажает диаграмму направленности антенны, что несколько ухудшает характеристики локатора, но в целом он остаётся работоспособным. Катастрофического отказа лампы передатчика, которая является проблемой обычных радаров , просто не может произойти. Дополнительная выгода - экономия веса без большой лампы высокой мощности, связанной с ней системой охлаждения и большого блока питания высокого напряжения.

Другой особенностью, которая может использоваться только в активных решётках, является способность управлять усилением индивидуальных приёмно-передающих модулей. Если это может быть сделано, диапазон углов, через которые луч может быть отклонен, существенно увеличивается, и таким образом многие из ограничений геометрии решеток, которые имеют обычные фазированные решётки могут быть обойдены. Такие решётки называют решётками суперувеличения. Из изданной литературы неясно, используют ли какая-либо существующая или проектируемая антенная решётка эту технику.

Недостатки

Технология АФАР имеет две ключевые проблемы:

Рассеивание мощности
Первая проблема - рассеивание мощности. Из-за недостатков микроволновых транзисторных усилителей (монолитная микроволновая интегральная схема, MMIC (англ.) русск. ), эффективность передатчика модуля - типично меньше чем 45%. В результате, AФAР выделяет большое количество теплоты, которая должна быть рассеяна, чтобы предохранить чипы передатчика от расплавления и превращения в жидкий арсенид галлия - надежность GaAs MMIC-чипов улучшается при низкой рабочей температуре. Традиционное охлаждение воздухом, используемое в обычных ЭВМ и авионике , плохо подходит при высокой плотности упаковки элементов AФAР, в результате чего современные AФAР охлаждаются жидкостью (американские проекты используют polyalphaolefin (PAO) хладагент, подобный синтетической гидравлической жидкости). Типичная жидкая система охлаждения использует насосы, вводящие хладагент через каналы в антенне, и выводящие затем его к теплообменнику - им может быть как воздушный охладитель (радиатор) так и теплообменник в топливном баке - со второй жидкостью, охлаждающей петлю теплообмена, чтобы увести высокую температуру от топливного бака.

По сравнению с обычным радаром истребителя с воздушным охлаждением, AФAР является более надёжным, однако будет потреблять бо́льшое количество электроэнергии и требовать более интенсивного охлаждения. Но AФAР может обеспечить намного большую передающую мощность, что необходимо для большей дальности обнаружения цели (увеличение передающей мощности однако имеет недостаток - увеличения следа, по которому радиоразведка противника или RWR могут обнаружить радар).

Стоимость
Другая проблема - стоимость массового производства модулей. Для радара истребителя, требующего типично от 1000 до 1800 модулей, стоимость AФAР становится неприемлемой, если модули стоят больше чем сто долларов каждый. Ранние модули стоили приблизительно 2 тыс. долл., что не допускало массового использования AФAР. Однако стоимость таких модулей и MMIC-чипов постоянно уменьшается, поскольку себестоимость их разработки и производства постоянно снижается.

Несмотря на недостатки, активные фазированные решётки превосходят обычные радарные антенны почти во всех отношениях, обеспечивая более высокую следящую способность и надёжность, пусть и при некотором увеличении в сложности и, возможно, стоимости.

Приёмо-передающий модуль

Приёмопередающий модуль АФАР

Приёмо-передающий модуль - это основа пространственного канала обработки сигнала в АФАР.

В его состав входит активный элемент - усилитель, который делает это устройство электродинамически невзаимным. Поэтому для обеспечения возможности работы устройства как на приём, так и на передачу в нём разделяют передающий и приёмный каналы. Разделение осуществляется либо коммутатором , либо циркулятором .

Приёмный канал

В состав приёмного канала входят следующие устройства:

Устройство защиты приёмника - обычно либо разрядник , либо другое пороговое устройство, предотвращающее перегрузку приёмного канала.
Малошумящий усилитель - два, или более каскадов активного усиления сигнала.
Фазовращатель - устройство фазовой задержки сигнала в канале для задания фазового распределения по всему раскрыву решётки.
Аттенюатор - устройство задания (понижения, ослабления) амплитуды сигнала для задания амплитудного распределения по раскрыву решётки.

Передающий канал

Состав передающего канала схож с составом приёмного канала. Отличие заключается в отсутствии устройства защиты и меньших требованиях к усилителю по шумам. Тем не менее, передающий усилитель должен обладать большей выходной мощностью, чем приёмный.

Производимые БРЛС с АФАР

AN/APG-63(V)2/3 (F-15 C/E)
AN/APG-79 (F/A-18 E/F)
AN/APG-80 (F-16 Block 60)
AN/APG-81 (F-35)
AN/APQ-181 (B-2 Spirit)
EL/M-2052 (F-15 , МиГ-29 , Mirage 2000)

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Активная фазированная антенная решётка (АФАР ) - фазированная антенная решётка, в которой направление излучения и (или) форма диаграммы направленности регулируются изменением амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения на активных излучающих элементах .

Активная фазированная антенная решётка конструктивно состоит из модулей, которые объединяют излучающий элемент (или группу излучающих элементов) и активные устройства (усилительные, генераторные или преобразовательные). Эти устройства могут в простейшем случае усиливать передаваемый или принимаемый излучающим элементом сигнал, а также осуществлять преобразование частоты сигнала, генерировать (формировать) сигнал, преобразовывать сигнал из аналоговой в цифровую форму и (или) из цифровой в аналоговую. Для совместной согласованной работы все модули АФАР должны быть объединены цепью распределения сигнала возбудителя (в режиме приёма - цепью сбора сигнала в приёмное устройство), или работа модулей должна быть синхронизирована от единого источника.

В отличие от АФАР, пассивная ФАР не содержит активных устройств. Например, в передающей системе, оснащенной пассивной ФАР, радиосигнал генерируется и усиливается до требуемой мощности в едином для всей системы радиопередатчике, после чего распределяется (а мощность радиосигнала делится) между излучающими элементами. Напротив, в передающей АФАР нет единого выходного мощного усилителя: менее мощные усилители размещены в каждом её модуле.

Сравнение с пассивной решёткой[править | править вики-текст]

В обычной пассивной решётке один передатчик мощностью несколько киловатт питает несколько сотен элементов, каждый из которых излучает только десятки ватт мощности. Современный микроволновый транзисторный усилитель может, однако, также произвести десятки ватт, и в радаре с активной фазированной решёткой несколько сотен модулей, каждый мощностью в десятки ватт, создают в целом мощный главный луч радара в несколько киловатт.

В то время как результат идентичен, активные решётки намного более надёжны, поскольку хотя отказ одного приёмо-передающего элемента решётки и искажает диаграмму направленности антенны, что несколько ухудшает характеристики локатора, в целом он остаётся работоспособным. Катастрофического отказа лампы передатчика, которая является проблемой обычных радаров, просто не может произойти. Дополнительная выгода - экономия веса без большой лампы высокой мощности, связанной с ней системой охлаждения и большого блока питания высокого напряжения.

Другой особенностью, которая может использоваться только в активных решётках, является способность управлять усилением индивидуальных приёмно-передающих модулей. Если это может быть сделано, диапазон углов, через которые луч может быть отклонен, существенно увеличивается, и таким образом многие из ограничений геометрии решёток, которые имеют обычные фазированные решётки могут быть обойдены. Такие решётки называют решётками суперувеличения. Из изданной литературы неясно, используют ли какая-либо существующая или проектируемая антенная решётка эту технику.

Недостатки[править | править вики-текст]

Технология АФАР имеет две ключевые проблемы:

Рассеивание мощности[править | править вики-текст]

Первая проблема - рассеивание мощности. Из-за недостатков микроволновых транзисторных усилителей (монолитная микроволновая интегральная схема, MMIC (англ.)русск.), эффективность передатчика модуля - типично меньше чем 45%. В результате, AФAР выделяет большое количество теплоты, которая должна быть рассеяна, чтобы предохранить чипы передатчика от расплавления - надёжность GaAs MMIC-чипов улучшается при низкой рабочей температуре. Традиционное охлаждение воздухом, используемое в обычных ЭВМ и авионике, плохо подходит при высокой плотности упаковки элементов AФAР, в результате чего современные AФAР охлаждаются жидкостью (американские проекты используют polyalphaolefin (PAO) хладагент, подобный синтетической гидравлической жидкости). Типичная жидкостная система охлаждения использует насосы, вводящие хладагент через каналы в антенне, и выводящие затем его к теплообменнику - им может быть как воздушный охладитель (радиатор) так и теплообменник в топливном баке - со второй жидкостью, охлаждающей петлю теплообмена, чтобы уменьшить нагрев содержимого топливного бака.

По сравнению с обычным радаром истребителя с воздушным охлаждением, радар с AФAР более надёжен, однако потребляет больше электроэнергии и требует более интенсивного охлаждения. Но AФAР может обеспечить намного большую передаваемую мощность, что необходимо для большей дальности обнаружения цели (увеличение передающей мощности однако имеет недостаток - увеличения следа, по которому радиоразведка противника или RWR могут обнаружить радар).

Стоимость

Другая проблема - стоимость массового производства модулей. Для радара истребителя, требующего типично от 1000 до 1800 модулей, стоимость AФAР становится неприемлемой, если модули стоят больше чем сто долларов каждый. Ранние модули стоили приблизительно 2 тыс. долл., что не допускало массового использования AФAР. Однако стоимость таких модулей и MMIC-чипов постоянно уменьшается, поскольку себестоимость их разработки и производства постоянно снижается.

Семь вопросов и ответов о работе бортовой радиолокационной станции

БРЛС с АФАР («Жук-АЭ») Источник: Авиапанорама

Сегодня авиация немыслима без радаров. Бортовая радиолокационная станция (БРЛС) является одним из самых важных элементов радиоэлектронного оборудования современного летательного аппарата. По мнению экспертов, в скором будущем БРЛС останутся основным средством обнаружения, сопровождения целей и наведения на них управляемого оружия.

Мы попытаемся ответить на самые распространенные вопросы о работе РЛС на борту и рассказать, как создавались первые радары и чем смогут удивить перспективные радиолокационные станции.

1. Когда появились первые радары на борту?

К идее использования радиолокационных средств на самолетах пришли несколько лет спустя после того, как появились первые наземные РЛС. У нас в стране прототипом первой БРЛС стала наземная станция «Редут».

Одной из основных проблем стало размещение аппаратуры на самолете - комплект станции с источниками питания и кабелями весил примерно 500 кг. На одноместном истребителе того времени установить такую аппаратуру было нереально, поэтому станцию было решено разместить на двухместном Пе-2.

Первая отечественная бортовая радиолокационная станция под названием «Гнейс-2» была принята на вооружение в 1942 году. В течение двух лет было выпущено более 230 станций «Гнейс-2». А в победном 1945 году «Фазотрон-НИИР», ныне входящий в КРЭТ, начал серийный выпуск самолетной радиолокационной станции «Гнейс-5с». Дальность обнаружения цели достигала 7 км.

За рубежом первая авиационная РЛС «AI Mark I» — британская — была передана на вооружение немного раньше, в 1939 году. Из-за большого веса ее устанавливали на тяжелые истребители-перехватчики Bristol Beaufighter. В 1940 году на вооружение поступила новая модель — «AI Mark IV». Она обеспечивала обнаружение целей на дальности до 5,5 км.

2. Из чего состоит бортовая РЛС?

Конструктивно БРЛС состоит из нескольких съемных блоков, расположенных в носовой части самолета: передатчика, антенной системы, приемника, процессора обработки данных, программируемого процессора сигналов, пультов и органов управления и индикации.

Сегодня практически у всех бортовых РЛС антенная система представляет собой плоскую щелевую антенную решетку, антенну Кассегрена, пассивную или активную фазированную антенную решетку.

Современные БРЛС работают в диапазоне различных частот и позволяют обнаруживать воздушные цели с ЭПР (Эффективная площадь рассеяния) в один квадратный метр на дальности в сотни километров, а также обеспечивают сопровождение на проходе десятки целей.

Кроме обнаружения целей, сегодня БРЛС обеспечивают радиокоррекцию, полетное задание и выдачу целеуказания на применение управляемого бортового оружия, осуществляют картографирование земной поверхности с разрешением до одного метра, а также решают вспомогательные задачи: следование рельефу местности, измерение собственной скорости, высоты, угла сноса и другие.

3. Как работает бортовой радиолокатор?

Сегодня на современных истребителях используются импульсно-доплеровские РЛС. В самом названии описан принцип действия такой радиолокационной станции.

Радиолокационная станция работает не непрерывно, а периодическими толчками — импульсами. В сегодняшних локаторах посылка импульса длится всего лишь несколько миллионных долей секунды, а паузы между импульсами — несколько сотых или тысячных долей секунды.

Встретив на пути своего распространения какое-либо препятствие, радиоволны рассеиваются во все стороны и отражаются от него обратно к радиолокационной станции. При этом, передатчик радара автоматически выключается, и начинает работать радиоприемник.

Одной из основных проблем импульсных РЛС является избавление от сигнала, отражающегося от неподвижных объектов. Например, для бортовых РЛС проблема в том, что отражение от земной поверхности затеняет все объекты, лежащие ниже самолета. Эти помехи устраняют, используя эффект Доплера, согласно которому частота волны, отраженной от приближающегося объекта, увеличивается, а от уходящего объекта — уменьшается.

4. Что означают Х, К, Ка и Кu диапазоны в характеристиках РЛС?

Сегодня диапазон длин волн, в котором работают бортовые радиолокационные станции чрезвычайно широк. В характеристиках РЛС диапазон станции указывается латинскими буквами, к примеру, Х, К, Ка или Кu.

Например, РЛС «Ирбис» с пассивной фазированной антенной решеткой, установленная на истребителе Су-35, работает в X-диапазоне. При этом дальность обнаружения воздушных целей «Ирбиса» достигает 400 км.

Бортовая РЛС с фазированной антенной решеткой Ирбис-Э

X-диапазон широко используется в радиолокации. Он простирается от 8 до 12 ГГц электромагнитного спектра, то есть это длины волн от 3,75 до 2,5 см. Почему он назван именно так? Есть версия, что во время Второй Мировой войны диапазон был засекречен и поэтому получил название X-диапазона.

Все названия диапазонов с латинской буквой К в названии имеют менее загадочное происхождение — от немецкого слова kurz («короткий»). Этот диапазон соответствует длинам волн от 1,67 до 1,13 см. В сочетании с английскими словами above и under, свои названия получили диапазоны Ka и Ku, соответственно находящиеся «над» и «под» K-диапазоном.

Радары Ka-диапазона способны работать на коротких расстояниях и производить измерения сверхвысокого разрешения. Такие радиолокаторы часто применяются для управления воздушным движением в аэропортах, где с помощью очень коротких импульсов — длиной в несколько наносекунд — определяется дистанция до самолета.

Часто Ка-диапазон используется в вертолетных радарах. Как известно, для размещения на вертолете антенна БРЛС должна иметь небольшие размеры. Учитывая этот факт, а также необходимость приемлемой разрешающей способности, применяется миллиметровый диапазон длин волн. К примеру, на боевом вертолете Ка-52 «Аллигатор» установлен радиолокационный комплекс «Арбалет», работающий в восьмимиллиметровом Ка-диапазоне. Этот радиолокатор разработки КРЭТ обеспечивает «Аллигатору» огромные возможности.

Таким образом, каждый диапазон имеет свои преимущества и в зависимости от условий размещения и задач, БРЛС работает в различных диапазонах частот. Например, получение высокой разрешающей способности в переднем секторе обзора реализует Ка-диапазон, а увеличение дальности действия БРЛС делает возможным Х-диапазон.

5. Что такое ФАР?

Очевидно, для того чтобы принимать и излучать сигналы, любому радару нужна антенна. Чтобы уместить ее в самолет, придумали специальные плоские антенные системы, а приемник и передатчик находятся за антенной. Чтобы увидеть разные цели радаром, антенну нужно двигать. Так как антенна радара достаточно массивная, двигается она медленно. При этом, становится проблематична одновременная атака нескольких целей, ведь радар с обычной антенной держит в «поле зрения» только одну цель.

Современная электроника позволила отказаться от такого механического сканирования в БРЛС. Устроено это следующим образом: плоская (прямоугольная или круглая) антенна разделена на ячейки. В каждой такой ячейке находится специальный прибор — фазовращатель, который может на заданный угол изменять фазу электромагнитной волны, которая попадает в ячейку. Обработанные сигналы из ячеек поступают на приемник. Именно так можно описать работу фазированной антенной решетки (ФАР).

А если точнее, подобная антенная решетка со множеством элементов-фазовращателей, но с одним приемником и одним передатчиком называется пассивной ФАР. Кстати, первый в мире истребитель, оснащенный радиолокатором с пассивной ФАР, — наш российский МиГ-31. На нем была установлена РЛС «Заслон» разработки НИИ приборостроения им. Тихомирова.

6. Для чего нужна АФАР?

Активная фазированная антенная решетка (АФАР) является следующим этапом в развитии пассивной. В такой антенне каждая ячейка решетки содержит свой приемопередатчик. Их количество может превысить одну тысячу. То есть, если традиционный локатор — это отдельные антенна, приемник, передатчик, то в АФАР приемник с передатчиком и антенна «рассыпаются» на модули, каждый из которых содержит щель антенны, фазовращатель, передатчик и приемник.

Раньше, если, например, вышел из строя передатчик, самолет становился «слепым». Если в АФАР будут поражены одна-две ячейки, даже десяток, остальные продолжают работать. В этом и есть ключевое преимущество АФАР. Благодаря тысячам приемникам и передатчикам повышается надежность и чувствительность антенны, а также появляется возможность работать на нескольких частотах сразу.

Но главное, что структура АФАР позволяет РЛС параллельно решать несколько задач. Например, не только обслуживать десятки целей, но и параллельно с обзором пространства очень эффективно защищаться от помех, ставить помехи радарам противника и картографировать поверхность, получая карты высокого разрешения.

Кстати, первую в России бортовую радиолокационную станцию с АФАР создали на предприятии КРЭТ, в корпорации «Фазотрон-НИИР».

7. Какая РЛС будет на истребителе пятого поколения ПАК ФА?

Среди перспективных разработок КРЭТ — конформные АФАР, которые смогут вписываться в фюзеляж летательного аппарата, а также так называемая «умная» обшивка планера. В истребителях следующего поколения, в том числе и ПАК ФА, она станет как бы единым приемо-передающим локатором, предоставляющим пилоту полную информацию о происходящем вокруг самолета.

Радиолокационная система ПАК ФА состоит из перспективной АФАР X-диапазона в носовом отсеке, двух радаров бокового обзора, а также АФАР L-диапазона вдоль закрылков.

Сегодня КРЭТ также работает над созданием радиофотонного радара для ПАК ФА. Концерн намерен создать натурный образец радиолокационной станции будущего до 2018 года.

Фотонные технологии позволят расширить возможности радара — снизить массу более чем вдвое, а разрешающую способность увеличить в десятки раз. Такие БРЛС с радиооптическими фазированными антенными решетками способны делать своеобразный «рентгеновский снимок» самолетов, находящихся на удалении более 500 километров, и давать их детализированное, объемное изображение. Эта технология позволяет заглянуть внутрь объекта, узнать, какую технику он несет, сколько людей в нем находится, и даже разглядеть их лица.