Введение

Тип фазового радара активный электронно-сканируемый массив (AESA) — это тип фазированной антенной решётки, представляющей собой антенный массив с компьютерным управлением, в котором луч радиоволн может электронно направляться в различные направления без перемещения антенны. В AESA каждый антенный элемент подключен к небольшому твердотельному модулю передачи/приёма (TRM) под управлением компьютера, который выполняет функции передатчика и/или приёмника для антенны. Это отличается от пассивного электронно-сканируемого массива (PESA), в котором все антенные элементы подключены к одному передатчику и/или приёмнику через фазовращатели под управлением компьютера. Основное применение AESA – в радиолокационных системах, известных как активные фазированные антенные решётки (APAR). AESA является более продвинутой и сложной технологией второго поколения, основанной на оригинальной технологии PESA. ПЭСА могут излучать только один луч радиоволн на одной частоте одновременно. Для формирования нескольких лучей ПЭСА должна использовать матрицу Батлера. AESA может излучать несколько лучей радиоволн на разных частотах одновременно. Радары AESA могут распространять свои сигналы в более широком диапазоне частот, что затрудняет их обнаружение на фоне шумов, позволяя кораблям и самолётам излучать мощные радарные сигналы, оставаясь незаметными, а также быть более устойчивыми к помехам. Также встречаются гибридные системы AESA и PESA, состоящие из подмассивов, каждый из которых по отдельности напоминает PESA, при этом каждый подмассив имеет свой собственный RF-тракт. Использование гибридного подхода позволяет реализовать преимущества AESA (например, несколько независимых лучей) при более низкой стоимости по сравнению с чисто AESA.

История

В 1960 году Bell Labs предложила заменить радары Nike Zeus системой фазированных антенных решеток, и в июне 1961 года было дано разрешение на разработку. Результатом стал Zeus Multi function Array Radar (ZMAR) – ранний пример радиолокационной системы с активной электронной системой формирования луча. ZMAR стал MAR после завершения программы Zeus в пользу системы Nike X в 1963 году. MAR (Многофункциональный радар) состоял из большого числа небольших антенн, каждая из которых была подключена к отдельному передатчику или приемнику, управляемому компьютером. Используя различные методы формирования диаграммы направленности и обработки сигналов, один MAR мог выполнять обнаружение целей на больших расстояниях, построение траекторий, отделение боевых головок от ложных целей и сопровождение перехватывающих ракет. MAR позволял осуществлять управление всей обороной на обширной территории с единой позиции. Каждый MAR и связанный с ним командный пункт обрабатывали данные сопровождения сотен целей. Система выбирала наиболее подходящую батарею для каждой цели и передавала ей информацию для атаки. Обычно одна батарея находилась в непосредственной близости от MAR, а остальные располагались вокруг него. Отдаленные батареи оснащались более простым радаром, основной задачей которого было сопровождение ракет Sprint до момента их обнаружения основным, потенциально более удаленным, MAR. Эти небольшие ракетные радары (MSR) осуществляли пассивное сканирование, формируя лишь один луч вместо множества лучей MAR. Несмотря на то, что MAR в конечном итоге оказался успешным, стоимость системы была огромной. Когда проблема противоракетной обороны стала настолько сложной, что даже система, подобная MAR, не могла эффективно противостоять реалистичным сценариям атаки, от концепции Nike X отказались в пользу более простых решений, таких как программа Sentinel, которая не использовала MAR. Второй образец, MAR II, был заброшен на месте на атолле Кваджалейн. Первый советский APAR, 5N65, был разработан в 1963–1965 годах в составе системы ПРО С-225. После внесения некоторых изменений в концепцию системы в 1967 году он был построен на полигоне Сары-Шаган в 1970–1971 годах и получил на Западе прозвище Flat Twin. Через четыре года еще один радар аналогичной конструкции был построен на полигоне Кура, однако система С-225 так и не была принята на вооружение. Первым военным наземным АФАР стал J/FPS 3, который поступил на вооружение 45-й группы управления и предупреждения авиации Сил самообороны Японии в 1995 году. Первым серийным корабельным АФАР был радар управления огнем OPS 24, установленный на японском эсминце класса Asagiri DD 155 Hamagiri, спущенном на воду в 1988 году. Первым серийным воздушным АФАР стал EL/M 2075 Phalcon, установленный на самолете Boeing 707 чилийских ВВС, который поступил на вооружение в 1994 году. Первым АФАР на боевом самолете был J/APG 1, установленный на Mitsubishi F-2 в 1995 году. Первым АФАР на ракете является головка самонаведения ракеты AAM-4B, управляемой с самолетов Mitsubishi F-2 и Mitsubishi/McDonnell Douglas F-15J, а также Raytheon. Эти компании также проектируют, разрабатывают и производят передающе-приемные модули, которые являются "строительными блоками" АФАР. Необходимые электронные технологии были разработаны собственными силами в рамках исследовательских программ Министерства обороны, таких как программа MMIC. В 2016 году Конгресс США выделил финансирование на конкурс между предприятиями военно-промышленного комплекса для разработки новых радаров для двух десятков истребителей Национальной гвардии.

Основная концепция

Радарные системы обычно работают, соединяя антенну с мощным радиопередатчиком для излучения короткого импульса сигнала. Затем передатчик отключается, а антенна подключается к чувствительному приемнику, который усиливает любые отражения от целевых объектов. Измеряя время, необходимое для возвращения сигнала, радиолокационный приемник может определить расстояние до объекта. Приемник затем отправляет полученный результат на дисплей. Передатчиками обычно служили клистронные трубки или магнетроны, подходящие для усиления или генерации узкого диапазона частот до высоких уровней мощности. Для сканирования части неба радиолокационную антенну необходимо физически перемещать, чтобы она указывала в разных направлениях. Начиная с 1960-х годов, были внедрены новые твердотельные устройства, способные контролируемо задерживать сигнал передатчика. Это привело к созданию первого практичного крупномасштабного пассивно-сканированного электронного массива (PESA), или, проще говоря, фазированной антенной решетки. PESA принимают сигнал из одного источника, разделяют его на сотни путей, выборочно задерживают некоторые из них и отправляют на отдельные антенны. Радиосигналы от отдельных антенн перекрываются в пространстве, а интерференционные картины между отдельными сигналами контролируются для усиления сигнала в определенных направлениях и подавления во всех остальных. Задержки можно легко контролировать электронным способом, позволяя быстро направлять луч, не перемещая антенну. PESA может сканировать пространство гораздо быстрее, чем традиционная механическая система. Кроме того, благодаря прогрессу в электронике, PESA получили возможность создавать несколько активных лучей, позволяя им одновременно сканировать небо и фокусировать меньшие лучи на определенных целях для отслеживания или наведения полуактивных ракет с радиолокационным самонаведением. В 1960-х годах PESA быстро получили широкое распространение на кораблях и крупных стационарных установках, а затем и в авиации, по мере уменьшения размеров электроники. AESA являются результатом дальнейшего развития твердотельной электроники. В более ранних системах передаваемый сигнал первоначально создавался в клистроне, лампе бегущей волны или аналогичном устройстве, которые относительно велики. Приемная электроника также была громоздкой из-за высоких частот, с которыми она работала. Внедрение микроэлектроники на основе арсенида галлия в 1980-х годах позволило значительно уменьшить размеры приемных элементов, пока не стало возможным создавать эффективные элементы размером с портативные радиоприемники, всего в несколько кубических сантиметров. Внедрение JFET и MESFET оказало аналогичное влияние на передающую часть систем. Это привело к созданию усилителей-передатчиков с низкомощным твердотельным генератором формы сигнала, питающим усилитель, что позволяло любому радару, оснащенному таким образом, передавать на гораздо более широком диапазоне частот, вплоть до изменения рабочей частоты с каждым отправленным импульсом. Уменьшение всей сборки (передатчика, приемника и антенны) до единого "модуля передатчика-приемника" (TRM) размером с коробку молока и создание массива из этих элементов позволяет получить AESA. 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 создавать множество одновременных "подлучей", которые она может распознавать благодаря различным частотам и активно отслеживать гораздо большее количество целей. AESA также могут создавать лучи, состоящие из множества различных частот одновременно, используя последующую обработку комбинированного сигнала от нескольких TRM для воссоздания изображения, как будто отправляется один мощный луч. Однако это означает, что шум, присутствующий на каждой частоте, также принимается и суммируется.

Преимущества

AESA добавляют множество собственных возможностей к возможностям PESA. Среди них — способность формировать несколько лучей одновременно, использовать группы ТРМ для выполнения различных задач параллельно, например, для обнаружения радиолокационных целей, и, что более важно, их многочисленные одновременные лучи и частоты сканирования создают помехи для традиционных радиолокационных детекторов корреляционного типа.

Низкая вероятность перехвата

Радарные системы работают, посылая сигнал и затем принимая его отражение от удалённых объектов. Каждый из этих путей – к цели и обратно – подчиняется обратному квадрату закона распространения как для передаваемого, так и для отражённого сигнала. Это означает, что получаемая радаром энергия уменьшается пропорционально четвёртой степени расстояния, поэтому радиолокационным системам требуется высокая мощность, часто в диапазоне мегаватт, для эффективной работы на больших дальностях. Радарный сигнал, который излучается, представляет собой простой радиосигнал и может быть принят обычным радиоприёмником. Военные самолёты и корабли оснащены защитными приёмниками, называемыми "приёмниками радиолокационного предупреждения" (RWR), которые обнаруживают попадание на них вражеского радиолокационного луча, тем самым раскрывая местоположение противника. В отличие от радиолокатора, который должен излучать импульс и затем принимать его отражение, приёмник цели не нуждается в отражении, поэтому сигнал затухает пропорционально квадрату расстояния. Это означает, что приёмник всегда имеет преимущество [не принимая во внимание разницу в размерах антенн] перед радаром по дальности – он всегда сможет обнаружить сигнал раньше, чем радар увидит эхо от цели. Поскольку местоположение радара – крайне полезная информация при атаке на эту платформу, радары обычно должны отключаться на продолжительные периоды времени, если они находятся под угрозой; это обычная практика на кораблях, например. В отличие от радара, который знает направление излучения сигнала, приёмник просто получает импульс энергии и должен его интерпретировать. Поскольку радиоспектр заполнен шумом, сигнал приёмника интегрируется в течение короткого промежутка времени, что позволяет периодическим источникам, таким как радар, выделяться на фоне случайных помех. Приблизительное направление можно определить с помощью вращающейся антенны или аналогичного пассивного массива, использующего сравнение фаз или амплитуд. Как правило, RWR сохраняют обнаруженные импульсы в течение короткого времени и сравнивают их частоту передачи и частоту повторения импульсов с базой данных известных радаров. Направление на источник обычно комбинируется с символикой, указывающей на предполагаемое назначение радара – воздушное раннее предупреждение и управление, ракеты класса "земля-воздух" и т.д. Этот метод гораздо менее эффективен против радаров с гибко перестраиваемой частотой (твердотельными) передатчиком. Поскольку AESA (или PESA) может изменять свою частоту с каждым импульсом (за исключением использования доплеровской фильтрации) и обычно делает это, используя случайную последовательность, интеграция во времени не помогает отделить сигнал от фонового шума. Более того, радар может быть спроектирован так, чтобы увеличивать длительность импульса и снижать его пиковую мощность. AESA или современные PESA часто имеют возможность изменять эти параметры во время работы. Это не влияет на общую энергию, отражённую от цели, но снижает вероятность обнаружения импульса системой RWR. Кроме того, AESA не имеет фиксированной частоты повторения импульсов, которую также можно изменять, тем самым скрывая любое периодическое усиление сигнала во всём спектре. Радары старых поколений практически бесполезны против радаров AESA, поэтому AESA также известны как радары с малой вероятностью перехвата. Современные RWR должны быть высокочувствительными (малые углы и полоса пропускания для отдельных антенн, низкие потери при передаче и уровень шума).

Высокая устойчивость к помехам

Заглушение также значительно сложнее в отношении AESA. Традиционно, средства радиоэлектронной борьбы определяли рабочую частоту радара и затем передавали сигнал на этой частоте, чтобы ввести в заблуждение приемник и затруднить определение, какой сигнал является "настоящим" импульсом, а какой – помехой. Эта тактика эффективна, пока радарная система не может быстро изменять свою рабочую частоту. Когда передатчики были основаны на клистронах, это обычно было так, и радары, особенно бортовые, имели лишь несколько доступных частот. Средство РЭБ могло прослушивать эти возможные частоты и выбирать ту, которую использовать для глушения. Большинство современных радаров способны менять рабочую частоту с каждым импульсом. Это снижает эффективность глушения; хотя можно передавать широкополосный белый шум для создания массированного глушения по всем возможным частотам, это уменьшает мощность помех на каждой отдельной частоте. AESA обладает дополнительной возможностью распределять свои частоты по широкой полосе даже в рамках одного импульса, используя технику, известную как "чирп". В этом случае помехи совпадают по частоте с радаром лишь короткое время, а остальная часть импульса радара остается незаглушенной. AESA также могут переключаться в режим приема и использовать мощные сигналы помех для определения источника излучения, что ранее требовало отдельного приемника на старых платформах. Интегрируя принимаемые сигналы от радара цели вместе с данными собственных передач, система обнаружения с точным RWR, как у AESA, может генерировать больше данных, потребляя меньше энергии. Некоторые системы формирования диаграммы направленности в приёмном режиме, как правило, наземного базирования, могут даже отказаться от передатчика. Однако использование одной приемной антенны дает только направление. Для определения дальности и вектора цели требуется как минимум два физически разделенных пассивных устройства для триангуляции, обеспечивающей мгновенное определение, если не используется фазовая интерферометрия. Анализ движения цели может оценить эти параметры, используя множество направленных измерений во времени, а также информацию о положении приемника и ограничениях на возможное движение цели.

Другие преимущества

Поскольку каждый элемент в AESA является мощным радиоприемником, активные фазированные антенные решетки (АФАР) выполняют множество функций, помимо традиционных радиолокационных задач. Одно из применений заключается в выделении нескольких элементов для приема общеизвестных радиолокационных сигналов, что устраняет необходимость в отдельном приемнике радиолокационного предупреждения. Та же базовая концепция может быть использована для обеспечения традиционной радиосвязи, а с некоторыми элементами, осуществляющими передачу, – для создания высокоскоростного канала передачи данных. F-35 использует этот механизм для обмена данными от датчиков между самолетами, чтобы формировать синтетическую картину с более высоким разрешением и дальностью, чем может обеспечить один радар. В 2007 году испытания, проведенные компаниями Northrop Grumman, Lockheed Martin и L3 Communications, позволили системе АФАР истребителя Raptor функционировать как точка доступа Wi-Fi, способная передавать данные со скоростью 548 мегабит в секунду и принимать со скоростью в гигабит в секунду; это значительно быстрее, чем система Link 16, используемая самолетами США и их союзников, которая передает данные со скоростью чуть более 1 Мбит/с. Для достижения таких высоких скоростей передачи данных требуется высоконаправленная антенна, которую обеспечивает АФАР, но это исключает прием другими устройствами, находящимися за пределами диаграммы направленности антенны. В то время как, как и большинство конструкций Wi-Fi, Link 16 передает свой сигнал всенаправленно, чтобы обеспечить прием данных всеми устройствами в зоне действия. АФАР также значительно 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, отдельные модули работают на низкой мощности, возможно, от 40 до 60 ватт, что устраняет необходимость в мощном источнике питания высокого напряжения. Замена механически сканируемой антенной решетки на стационарный узел АФАР (например, на Boeing F/A-18E/F Super Hornet) может помочь снизить общую эффективную площадь рассеяния (ЭПР) самолета, но некоторые конструкции (например, Eurofighter Typhoon) отказываются от этого преимущества, чтобы объединить механическое и электронное сканирование и обеспечить более широкий угол обзора. Такое высокое отклонение от оси самолета позволяет истребителю, оснащенному АФАР, применять маневр "пересечение курса", часто называемый "излучением" в контексте воздушного боя, против механически сканируемого радара, который отфильтровывает низкую скорость сближения при перпендикулярном полете, принимая ее за наземные помехи, в то время как АФАР поворачивается на 40 градусов к цели, чтобы удерживать ее в пределах 60-градусного угла отклонения АФАР.

Ограничения

При расстоянии, равном половине длины волны между элементами, максимальный угол луча составляет приблизительно °. При меньшем расстоянии между элементами, максимальное поле зрения (FOV) для плоской фазированной антенной решётки в настоящее время составляет 120° (°), хотя это может быть совмещено с механическим управлением направлением, как указано выше.