Кіріспе

Фазалы массивтік радар түрі Активті электронды сканерленген массив (AESA) – фазалы массивтік антеннаның бір түрі, бұл компьютерлік басқарудағы антенна массиві, онда радио толқындарының сәулесін антеннаны жылжытпай-ақ әртүрлі бағытта электрондық түрде бағыттауға болады. AESA-да әрбір антенна элементі компьютердің басқаруымен кішкентай қатты күйдегі тарату/қабылдау модуліне (TRM) қосылады, ол антенна үшін таратушы және/немесе қабылдағыш функцияларын орындайды. Бұл пассивті электронды сканерленген массивке (PESA) қарама-қарсы, онда барлық антенна элементтері компьютердің бақылауындағы фазалық ауыстырғыштар арқылы бір ғана таратушыға және/немесе қабылдағышқа қосылады. AESA-ның негізгі қолданылуы радарларда, олар белсенді фазалы массивтік радар (APAR) деп аталады. AESA – бұл бастапқы PESA фазалық матрица технологиясының жетілдірілген, күрделі екінші буыны. PESA бір мезгілде бір жиілікте тек бір ғана радио толқындары сәулесін шығара алады. Егер бірнеше сәуле қажет болса, PESA Бетлер матрицасын пайдалануы тиіс. AESA радио толқындарының бірнеше сәулелерін бірнеше жиіліктерде бір мезгілде сәулелендіре алады. AESA радарлары сигналды кеңірек жиілік диапазонында таратуға қабілетті, бұл оларды фондық шудың арасында анықтауды қиындатады, кемелер мен ұшақтарға жасырын күйде қала отырып, қуатты радар сигналдарын таратуға мүмкіндік береді, сондай-ақ кедергіге қарсы тұру қабілетін арттырады. AESA және PESA гибридтері де кездеседі, олар жеке-жеке PESA-ға ұқсас кіші массивтерден тұрады, мұнда әрбір кіші массивтің өзінің радио жиіліктік (RF) алдыңғы бөлігі бар. Гибридтік тәсілді қолдану арқылы AESA-ның артықшылықтарын (мысалы, бірнеше тәуелсіз сәулелер) таза AESA-ға қарағанда төмен құнмен іске асыруға болады.

Тарих

Bell Labs 1960 жылы Nike Zeus радарларын фазалық массив жүйесімен алмастыруды ұсынды және 1961 жылғы маусымда дамуға жасыл жарық берілді. Нәтижесінде Zeus Multi function Array Radar (ZMAR) құрылды, ол белсенді электрондық түрде басқарылатын массивтік радар жүйесінің ерте мысалы. Zeus бағдарламасы 1963 жылы Nike X жүйесінің пайдасына тоқтатылғанда ZMAR MAR-ға айналды. MAR (Multi function Array Radar) көптеген кішкентай антенналардан тұрды, олардың әрқайсысы жеке компьютермен басқарылатын таратушы немесе қабылдағышқа қосылған. Сәуле қалыптастыру және сигналды өңдеудің әртүрлі кезеңдерін пайдалана отырып, бір MAR ұзақ қашықтықтағы нысаналарды анықтау, траекторияны құру, оқ-дәрілерді жалған мақсаттардан ажырату және қарсыласу зымырандарын қадағалау сияқты міндеттерді орындай алды. MAR бүкіл шайқас алаңын бір орталықтан басқаруға мүмкіндік берді. Әр MAR және оған байланысты шайқас орталығы жүздеген нысананың траекториясын өңдеді. Жүйе әр нысана үшін ең қолайлы батареяны таңдап, оларға шабуыл жасау үшін мақсаттарды жіберді. Әдетте, бір батарея MAR-ға тікелей байланысты болды, ал қалғандары оның айналасына орналастырылды. Сыртқы батареялар негізгі мақсаты алысқа орналасқан MAR-ға көрінбей тұрып, Sprint зымырандарын қадағалау болған, қарапайым радармен жабдықталған. Бұл кішкентай радарлар, MAR-дың көптеген сәулелерінің орнына, тек бір сәулені пайдаланып пассивті түрде сканерленді. MAR жетістікке жеткенімен, оның құны жоғары болды. АБМ мәселесі соншалықты күрделі болғандықтан, тіпті MAR сияқты жүйе де нақты шабуыл сценарийлерін шеше алмады, сондықтан Nike X тұжырымдамасы MAR қолданбаған Sentinel бағдарламасы сияқты қарапайым тұжырымдамалардың пайдасына тоқтатылды. MAR II-нің екінші мысалы Кваджалейн атоллінде тастап кетілді. Бірінші советтік APAR-ы, 5Н65, 1963-1965 жылдары S-225 АБМ жүйесінің бөлігі ретінде әзірленді. 1967 жылы жүйелік тұжырымдамаға енгізілген өзгерістерден кейін, 1970-1971 жылдары Сары Шаған сынақ полигонында салынды және Батыста "Flat Twin" деп аталды. Төрт жылдан кейін осы үлгінің тағы бір радары Кура сынақ полигонында салынды, бірақ S-225 жүйесі ешқашан пайдалануға енгізілген жоқ. Бірінші әскери AESA жерге орналасқан J/FPS 3 болды, ол 1995 жылы Жапонияның Өзін-өзі қорғау күштерінің 45-ші әуе шабуылына қарсы ескерту және басқару тобымен толыққандай іске қосылды. AESA негізіндегі алғашқы сериялық кеме OPS 24 болды, ол 1988 жылы суға түскен жапондық Asagiri класындағы DD 155 Хамагири эсминінде орнатылған отты басқару радары. AESA-ның алғашқы сериялық өндірісі 1994 жылы Чили әуе күштерінің Boeing 707 ұшағында EL/M 2075 Phalcon болды. Ұрыс ұшақтарындағы алғашқы AESA J/APG 1 болды, ол 1995 жылы Mitsubishi F 2 ұшағына орнатылды. Зымырандағы алғашқы AESA AAM 4B іздеуші басы, Mitsubishi F 2 және Mitsubishi McDonnell Douglas F 15J ұшақтарында қолданылатын ауадан ауаға зымыран. және Raytheon компаниялары. Бұл компаниялар сондай-ақ AESA радарларының "құрылыс блоктарын" құрайтын тарату-қабылдау модульдерін жобалайды, әзірлейді және өндіреді. Қажетті электроника технологиясы Қорғаныс министрлігінің MMIC бағдарламасы сияқты зерттеу бағдарламалары арқылы әзірленді. 2016 жылы Конгресс Ұлттық гвардияның екі ондаған истребителі үшін жаңа радарларды жасау үшін әскери өнеркәсіптен конкурс өткізуге қаржы бөлді.

Негізгі түсінік

Радар жүйелері әдетте антеннаны қуатты радио таратушымен қосып, қысқа импульсті сигнал шығару арқылы жұмыс істейді. Содан кейін таратушы ажыратылады және антенна нысана объектілерден келетін кез келген эхоны күшейтеді. Радар қабылдағышы сигналдың қайтып оралу уақытын өлшеу арқылы нысанаға дейінгі қашықтықты анықтайды. Қабылдағыш содан кейін алынған нәтижені қандай да бір дисплейге жібереді. Таратушы элементтері әдетте клистрон түтікшелері немесе магнитрондар болды, олар жиіліктің тар диапазонын жоғары қуат деңгейлеріне дейін күшейтуге немесе жасауға жарамды. Аспанның бір бөлігін сканерлеу үшін радар антеннасын әртүрлі бағытта бағыттау үшін физикалық түрде жылжыту қажет. 1960 жылдардан бастап таратушы сигналын бақыланатын түрде кешіктіруге қабілетті жаңа қатты күйдегі құрылғылар енгізілді. Бұл алғашқы ірі масштабты пассивті электронды сканерленген массивке (PESA) немесе жай ғана фазалық массивтік радарға әкелді. PESA бір көзден сигналды алып, оны жүздеген жолға бөліп, кейбіреулерін таңдап кешіктіріп, жеке антенналарға жібереді. Әртүрлі антенналардан келетін радиосигналдар кеңістікте бірігіп, жеке сигналдар арасындағы интерференция үлгілері белгілі бір бағыттағы сигналды күшейту үшін, ал қалғандарында жою үшін бақыланды. Кешігулер оңай электронды түрде басқарылуы мүмкін, бұл антеннаны жылжытпай сәулені өте жылдам бағыттауға мүмкіндік береді. PESA дәстүрлі механикалық жүйеге қарағанда кеңістікті әлдеқайда жылдам сканерлей алады. Сонымен қатар, электроникадағы жетістіктердің арқасында PESA бірнеше белсенді сәуле шығару қабілетін қосты, бұл оларға аспанды сканерлеуді жалғастыруға, сонымен бірге жартылай белсенді радарлық басқару зымырандарын қадағалау немесе басқару үшін кіші сәулелерді белгілі нысаналарға бағыттауға мүмкіндік берді. PESA 1960 жылдары кемелерде және ірі бекітілген орналасқан жерлерде кеңінен тарады, содан кейін электроника кішірейген кезде әуедегі сенсорлар пайда болды. AESA – қатты күйдегі электрониканың одан әрі дамуының нәтижесі. Алдыңғы жүйелерде таратылатын сигнал бастапқыда клистрон немесе қозғалмалы толқын түтігі немесе ұқсас құрылғыда жасалған, олар салыстырмалы түрде үлкен. Қабылдағыш электроникасы да жоғары жиіліктерде жұмыс істегендіктен үлкен болды. 1980 жылдары галлий арсениді микроэлектроникасын енгізу қабылдағыш элементтерінің көлемін айтарлықтай азайтуға көмектесті, нәтижесінде тиімді құрылғылар қолмен ұсталатын радиоларға ұқсас өлшемдерде, көлемі бірнеше куб сантиметрге дейін жасалды. JFET және MESFET енгізуі жүйелердің таратушы жағында да солай болды. Бұл төмен қуатты қатты күйдегі толқын формасын жасаушы күшейткіш таратушыларды тудырды, бұл кез келген радарға жиіліктің әлдеқайда кең диапазонында хабар таратуға мүмкіндік берді, тіпті әрбір жіберілген импульспен жұмыс жиілігін өзгертуге дейін. Бүкіл жиынтықты (таратушы, қабылдағыш және антенна) сүт қорабының көлеміне тең «таратушы-қабылдағыш модуліне» (TRM) кішірейту және осы элементтерді жинау AESA құрады. AESA-ның PESA-ға қарағанда негізгі артықшылығы – әртүрлі модульдердің әртүрлі жиіліктерде жұмыс істеу мүмкіндігі. PESA-дан айырмашылығы, онда сигнал аз таратушылардан бір жиілікте жасалады, AESA-да әр модуль өзінің тәуелсіз сигналын жасап, сәулелендіреді. Бұл AESA-ға әртүрлі жиіліктерде тани алатын көптеген бір мезгілдегі «кіші сәулелерді» жасауға және әлдеқайда көп нысаналарды белсенді түрде қадағалауға мүмкіндік береді. AESA сонымен қатар бірнеше TRM-нен алынған біріктірілген сигналды өңдеу арқылы бірден көп түрлі жиіліктерден тұратын сәулелерді жасауға болады, бұл бір күшті сәуле жіберілгендей көрінеді. Алайда, бұл әр жиіліктегі шу да қабылданады және қосылады дегенді білдіреді.

Артықшылықтар

AESA-лар PESA-ның мүмкіндіктерін одан да кеңейтеді. Олардың қатарында: бір уақытта бірнеше сәулені қалыптастыру қабілеті, радарлық модульдердің топтарын бір мезгілде түрлі мақсаттар үшін қолдану, мысалы, радарды анықтау, және ең маңыздысы – олардың бірнеше бір уақыттағы сәулелері мен сканерлеу жиіліктері дәстүрлі корреляциялық типтегі радар детекторларына үлкен қиындық туғызады.

Жағадан өту ықтималдығы төмен

Радарлық жүйелер сигнал жіберіп, одан кейін алыс нысаналардан келетін эхоны тыңдайды. Осы траекториялардың әрқайсысы, нысанаға және кері, жіберілген сигнал мен кері шағылысқан сигналдың таралу заңының кері квадраттық қатынасына бағынады. Яғни, радардың қабылдаған энергиясы қашықтықтың төртінші дәрежесімен төмендейді, сондықтан радарлық жүйелер ұзақ қашықтықта тиімді жұмыс істеуі үшін жоғары қуатты, көбінесе мегаватт диапазонында қажет етеді. Радардан жіберілетін сигнал қарапайым радиосигнал болып табылады және қарапайым радиоқабылдағышпен қабылдануы мүмкін. Әскери ұшақтар мен кемелерде "радарлық ескерту қабылдағыштары" (RWR) деп аталатын қорғаныс қабылдағыштары болады, олар жау радар сәулесі оларға бағытталғанда анықтап, жаудың орнын көрсетеді. Радар импульсті жіберіп, оның шағылысын қабылдауы керек болса, нысананың қабылдағышына шағылыс қажет емес, сондықтан сигнал қашықтықтың квадратымен ғана төмендейді. Бұл қабылдағыштың радардан ауқым бойынша үстемдік ететінін білдіреді – ол радар нысананың эхосын анықтамас бұрын сигналды анықтай алады. Радардың орны шабуыл кезінде маңызды ақпарат болғандықтан, радарлар шабуылға ұшыраған жағдайда ұзақ уақытқа өшірілуі керек, бұл кемелерде жиі кездеседі. Радар сигналды жіберу бағытын білсе, қабылдағыш энергия импульсін ғана алады және оны түсіндіруі керек. Радиоспектр шуға толы болғандықтан, қабылдағыштың сигналы қысқа уақыт аралығында жинақталады, бұл радар сияқты периодтық сигналдарды кездейсоқ фоннан бөліп шығаруға мүмкіндік береді. Бағытты айналмалы антенна немесе фазалық немесе амплитудалық салыстыруды пайдаланатын ұқсас пассивті массив арқылы шамамен анықтауға болады. Әдетте, RWR анықталған импульстарды қысқа уақытқа сақтап, олардың тарату жиілігі мен импульстің қайталану жиілігін белгілі радарлардың дерекқорымен салыстырады. Бағыт әдетте радиолокацияның мақсатын көрсететін белгілермен біріктіріледі – әуедегі ерте ескерту және басқару, жер-әуе зымырандары және т.б. Бұл әдіс жиілігін өзгерте алатын (қатты күйдегі) таратушысы бар радарларға қарсы тиімсіз. AESA (немесе PESA) доплерлік сүзгілерді қолданбаған кезде әр импульспен жиілігін өзгерте алады және әдетте кездейсоқ тізбекпен жасайды, сондықтан уақыт өте интеграциялау сигналды фондық шудан бөліп шығаруға көмектеспейді. Сонымен қатар, радар импульстің ұзақтығын ұзартып, оның ең жоғары қуатын төмендету үшін жасалған болуы мүмкін. AESA немесе заманауи PESA жұмыс кезінде осы параметрлерді өзгертуге қабілетті. Бұл нысанадан шағылысқан жалпы энергияға әсер етпейді, бірақ RWR жүйесімен импульсті анықтау ықтималдығын азайтады. AESA импульстің қайталану жиілігі де тұрақты емес, оны да өзгертуге болады, осылайша бүкіл спектрде кез келген периодтық жарқырауды жасыруға болады. Ескі буын RWR-лер AESA радарларына қарсы тиімсіз, сондықтан AESA-лар да тұтқындау ықтималдығы төмен радарлар деп танылады. Қазіргі заманғы RWR-лер жоғары сезімтал болуы керек (жеке антенналар үшін кіші бұрыштар мен жолақты кеңістік, төмен тарату жоғалту және шу).

Жоғары кедергіге төзімділік

AESA-ға қарсы кедергі жасау да әлдеқайда қиын. Дәстүрлі түрде, кедергі жасаушы радиолокатордың жұмыс жиілігін анықтап, содан кейін қабылдағышты шатастыру үшін, қайсысы "нақты" импульс екенін, қайсысы кедергі жасаушыға тиесілі екенін анықтауға тырысады. Бұл әдіс радар жүйесі өз жұмыс жиілігін оңай өзгерте алмайтын кезде тиімді болды. Көбінесе, трансмиттерлер клистрондық түтіктерге негізделген кезде осылай болатын, ал радарлар, әсіресе авиациялық радарлар, таңдау үшін тек бірнеше жиілікке ие болды. Кедергі жасаушы осы мүмкін болатын жиіліктерді тыңдап, кедергі жасау үшін қайсысын пайдалану керектігін таңдайтын. Қазіргі заманғы электрониканы қолданатын көптеген радарлар әр импульспен жұмыс жиілігін өзгертуге қабілетті. Бұл кедергі жасаудың тиімділігін азайтады; барлық мүмкін жиіліктерге қарсы кең жолақты ақ шуды жіберуге болады, бірақ бұл кез келген жиіліктегі кедергі жасаушының энергиясын азайтады. AESA бір импульсте жиіліктерін кең жолақта тарату мүмкіндігіне ие, бұл әдіс "шыбырлау" деп аталады. Бұл жағдайда кедергі жасаушы радар жиілігімен тек қысқа мерзімге ғана сәйкес келеді, ал радар импульсының қалған бөлігі кедергісіз болады. AESA-ны тек қабылдау режиміне ауыстыруға болады және оның көзін анықтау үшін осы қуатты кедергі сигналдарын пайдалануға болады, бұл бұрынғы платформаларда жеке қабылдағышты қажет еткен. AESA сияқты дәл RWR-мен жабдықталған анықтау жүйесі, нысананың өзінің радарынан алынған сигналдарды және өзінің хабарларын таратудан алынған төменгі жылдамдықтағы деректерді біріктіру арқылы аз энергиямен көбірек деректерді өңдей алады. Кейбір сәуле түзуге қабілетті жүйелер, әдетте жерде орналасқан, тіпті трансмиттерді толығымен жоюы мүмкін. Дегенмен, бір қабылдау антеннасын пайдалану тек бағытты ғана көрсетеді. Қашықтық пен нысана векторын алу үшін, егер фазалық интерферометрия қолданылмаса, бірден анықтау үшін кем дегенде екі физикалық бөлек пассивті құрылғы триангуляция үшін қажет. Нысананың қозғалысын талдау, қабылдағыштың орналасуы туралы біліммен және нысананың мүмкін қозғалысына қойылған шектеулермен бірге, уақыт өте келе көптеген бағыттық өлшемдерді қосу арқылы осы шамаларды бағалауға болады.

Басқа артықшылықтар

AESA-дағы әрбір элемент қуатты радио қабылдағыш болғандықтан, белсенді массивтердің дәстүрлі радардан өзге көптеген мүмкіндіктері бар. Олардың бірі – бірнеше элементті жалпы радар сигналдарын қабылдауға жұмылдыру, арнайы радар ескерту қабылдағышының қажеттілігін жою. Осы принципті дәстүрлі радио байланысын қамтамасыз ету үшін де қолдануға болады, ал кейбір элементтер арқылы хабар тарату мүмкіндігі өте жоғары өткізгіштікке ие деректер желісін құруға мүмкіндік береді. F-35 бұл механизмді ұшақтар арасында сенсорлық деректерді алмасу үшін пайдаланады, нәтижесінде әрбір радардан алынғаннан гөрі жоғары ажыратымдылық және қашықтыққа ие синтетикалық кескінді қамтамасыз етеді. 2007 жылы Northrop Grumman, Lockheed Martin және L-3 Communications компаниялары жүргізген сынақтар Raptor ұшағының AESA жүйесін WiFi қолжетімділік нүктесі ретінде жұмыс істеуге мүмкіндік берді, ол секундына 548 мегабит жылдамдықпен деректерді жібере алады және гигабит жылдамдығымен қабылдай алады. Бұл АҚШ және одақтас елдердің ұшақтары қолданатын Link 16 жүйесінен едәуір жоғары, себебі ол секундына 1 Мбит-тан сәл жоғары жылдамдықпен деректерді жібереді. Мұндай жоғары деректерді беру жылдамдығына қол жеткізу үшін AESA ұсынатын жоғары бағытталған антенна қажет, бірақ бұл антеннаның сәуле кеңістігіне кірмеген басқа құрылымдардың қабылдау мүмкіндігін шектеуі мүмкін. Ал көптеген WiFi жүйелері сияқты, Link 16 дабылын барлық бағытта жібереді, осылайша қашықтықтағы барлық құрылымдар деректерді қабылдай алады. AESA жүйелері PESA және ескі үлгілерге қарағанда әлдеқайда сенімді. Әрбір модуль дербес жұмыс істейтіндіктен, жекелеген іркілулер жүйенің жалпы жұмысына аз әсер етеді. Сонымен қатар, модульдердің әрқайсысы төмен қуатпен жұмыс істейді, шамамен 40-тан 60 ваттқа дейін, сондықтан үлкен жоғары кернеулі қуат көзінің қажеттілігі жойылады. Механикалық сканерлеу массивін тұрақты AESA монтажымен алмастыру (мысалы, Boeing F/A-18E/F Super Hornet ұшағында) ұшақтың жалпы радарлық бейнесін (RCS) азайтуға көмектеседі, бірақ кейбір конструкциялар (мысалы, Eurofighter Typhoon) бұл артықшылықтан бас тартып, механикалық және электрондық сканерлеуді біріктіріп, кеңрек қамту бұрышын қамтамасыз етеді. Бұл жоғары бұрыштағы бағытталу AESA жабдықталған истребительге «T» маневрін қолдануға мүмкіндік береді, бұл әуе шайқасында «сәулелендіру» деп аталады, механикалық сканерленген радар перпендикуляр ұшудың төмен жылдамдығын жердің кедергісі ретінде сүзіп тастаса, AESA нысананы AESA-ның 60 градустық бұрыштық шегінде ұстау үшін 40 градусқа бұрылады.

Шектеулер

Элементтер арасындағы жарты толқын ұзындығы арақашықтығымен максималды сәуле бұрышы шамамен °-қа тең. Элементтер арақашықтығы қысқа болғанда, жазық фазалық антенна массивінің ең жоғары көру бұрышы (FOV) қазіргі уақытта 120° (°)-қа жетеді, бірақ бұл жоғарыда айтылғандай, механикалық басқарумен де қолданылуы мүмкін.