Радар активная фазированная антенная решетка. Американские самолётные РЛС с фазированной антенной решёткой

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 .

Юрий Иванович Белый родился в 1951 г. Закончил Московское высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана. С 1974 г. – на военной службе. Служил военпредом при НИИ приборостроения, заместителем начальника отдела заказывающего управления ВВС. С 1987 г. – начальник военного представительства при НИИП. Воинское звание – полковник. С марта 1998 г. – директор НИИП. В настоящее время – генеральный директор ОАО «НИИП им. В.В. Тихомирова». Доктор наук (инжиниринг), академик Международной академии информатизации, член НТС ВПК при Правительстве РФ. Кавалер орденов Дружбы и «За заслуги перед Отечеством» IV степени.

Одна из главных составляющих высоких боевых возможностей современных истребителей – совершенная система управления вооружением, в основе которой – мощная бортовая радиолокационная станция. Все поставляемые на мировой рынок и несущие службу в отечественных ВВС истребители семейства Су-27 и Су-30 оснащаются системами управления вооружением, разработанными в ОАО «НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова». НИИП является пионером в области создания радиолокаторов с фазированными антенными решетками (ФАР). Впервые «тихомировская» РЛС с ФАР была применена на истребителе-перехватчике МиГ-31. Начиная с самолета Су-30МКИ, радары с ФАР устанавливаются уже и на истребители «Сухого». В этом году начались испытания нового многофункционального истребителя Су-35, для которого НИИП создает самую совершенную в своем классе РЛС с пассивной ФАР «Ирбис-Э». А для перспективного истребителя пятого поколения тихомировцы ведут разработку первого своего радара с активной фазированной антенной решеткой (АФАР). Чтобы узнать, как развиваются работы по этим темам, корреспондент «Взлёта» Андрей Фомин встретился с генеральным директором ОАО «НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова» Юрием Белым, который любезно согласился дать интервью нашему журналу.

Юрий Иванович, расскажите, пожалуйста, как идут испытания РЛСУ с ФАР «Ирбис-Э».

Программа развивается успешно. Мы продолжаем летать на летающей лаборатории Су-30МК2 с опытным комплектом РЛСУ «Ирбис-Э» с передатчиком мощностью 1 кВт – летаем уже практически полтора года и получили подтверждение основных характеристик. Отработано большинство режимов, в частности – многоцелевой режим «воздух-воздух», режим дальнего обнаружения, режимы «воздух-поверхность» с низким, средним и высоким разрешением. Кроме того, изготовлен комплект блоков РЛСУ, включая штатный для серийного «Ирбиса-Э» 5-киловаттный передатчик, который проходит лабораторные испытания – мы их завершаем в полном объеме в этом году

Помимо этого, мы изготовили два образца РЛСУ в полной комплектации для установки на опытные самолеты Су-35. Первый из них, уже прошедший отработку в лабораториях НИИП, а затем в соответствующих подразделениях КнААПО, установлен на борт второго экземпляра Су-35. Когда по графику испытаний самолета придет черед летной отработки радиолокационного комплекса – будем его включать. Для обеспечения испытаний «Ирбиса» на Су-35 подготовлена контрольно-ремонтная автомобильная станция (КРАС) с рабочими местами – поэтому вскоре начнем летать на реальном самолете с полномасштабным комплексом «Ирбиса». Второй комплект для следующего опытного самолета тоже уже изготовлен, проверен у нас и сдан приемке. Вскоре он также будет установлен на борт. Таким образом, программа испытаний «Ирбиса» идет полным ходом, и к моменту готовности Су-35 к серийному производству его радиолокационный комплекс будет полностью отработан.

РЛСУ с ФАР «Барс», находящаяся сейчас в крупносерийном производстве. Ей оснащаются истребители Су-30МКИ, Су-30МКМ и Су-30МКА, поставляемые ВВС Индии, Малайзии и Алжира. Кроме того, лицензионное производство «Барса» осваивается в Индии, и "НИИП им. В.В. Тихомирова ведет работы по его дальнейшей поэтапной модернизации

Возможна ли установка «Ирбиса» на ранее выпущенные самолеты Су-27 в процессе их модернизации?

Такой вариант проработан в рамках программы Су-27СМ2. По сути, это та комплектация РЛСУ, которая сейчас проходит испытания на летающей лаборатории с киловаттным передатчиком (применить передатчик мощностью 5 кВт на ранее выпущенных Су-27 не позволяет энергетика самолета). Поэтому тот вариант «Ирбиса», что стоит сейчас на летающей лаборатории – это практически готовый комплект для модернизации строевых самолетов. Однако, по всей видимости из-за финансовых соображений, было принято решение развивать модернизацию Су-27СМ, не меняя тип РЛС, а лишь наращивая ее возможности – вводя новые режимы, обеспечивая применение новых образцов вооружения и т.д. Такой самолет построен и в этом году поступил на летные испытания. Но следует иметь ввиду, что испытания могут занять не один год, а остаточный календарный ресурс строевых истребителей, самые «молодые» из которых выпущены в начале 90-х гг., тем временем неуклонно снижается. Выходом из создавшейся ситуации может быть только закупка новых самолетов – типа Су-35, сразу имеющих на борту РЛСУ с ФАР «Ирбис». ВВС России уже вплотную подошли к такому решению. На презентации Су-35 в ЛИИ для представителей прессы в июле этого года Главнокомандующий ВВС генерал-полковник Александр Зелин заявил, что рассматривается возможность заказа новых самолетов типа Су-35 для перевооружения на них двух-трех полков российских Военно-воздушных сил.

А планируется ли какое-то развитие предшественника «Ирбиса» – РЛСУ «Барс», применяемой на самолетах типа Су-30МКИ? Есть ли куда двигаться по этой теме?

Куда двигаться еще есть. Вот возьмем, например, Су-30МКИ. Прошли оценочные испытания сегодняшней конфигурации «Барса» на самолетах Су-30МКИ в Индии, которые подтвердили устранение всех замечаний. И теперь ВВС Индии ставят вопрос: делать все 140 самолетов по лицензионной программе, рассчитанной до 2014 г., в облике, утвержденном еще в конце 90-х гг. – неразумно. Поэтому они предлагают нам в процессе лицензионного производства провести модернизацию «Барса», в т.ч. требуя применить на нем АФАР. Мы разработали со своей стороны предложения, предусматривающие двухэтапную модернизацию. На первом этапе «Барс» остается с пассивной ФАР, но возможности РЛС по режимам работы и характеристикам будут наращиваться. А на втором этапе, с учетом полученного к тому времени задела по АФАР в рамках работ по самолету пятого поколения, «Барс» уже можно будет оснастить активной фазированной антенной решеткой. ВВС Индии в настоящее время рассматривают эти наши предложения, и мы надеемся, что вскоре решение о том, каким образом проводить модернизацию «Барса», будет принято.

РЛСУ «Ирбис-Э» на борту Су-35 =на авиасалоне МАКС-2007 (вверху) и летающей лаборатории Су-30МК2 (внизу)

Если уж разговор зашел про модернизацию, расскажите, пожалуйста, как продвигаются работы по модернизации СУВ «Заслон» истребителей-перехватчиков МиГ-31. ВВС России уже официально сообщали, что нынешней весной получили первые модернизированные самолеты данного типа…

Переходя к теме «Заслона» нужно сначала отметить, что это наша базовая разработка, с которой мы начали применение электронного сканирования на борту самолета, использование цифровых вычислительных машин – в нашей отечественной практике это было впервые. СУВ «Заслон» с ФАР на борту истребителя МиГ-31 – безусловный приоритет не только НИИП им. В.В. Тихомирова, но и всей нашей страны. С тех пор (а МиГ-31 был принят на вооружение в 1981 г.) прошло уже немало лет, и комплекс, конечно, требует модернизации. Эта работа продолжается. В прошлом году был закончен первый этап государственных совместных испытаний (ГСИ) модернизированного МиГ-31. Завод «Ленинец» начал поставку доработанных систем на серийные самолеты, и первые из них в этом году поступили в эксплуатацию. Параллельно в ГЛИЦе в Ахтубинске продолжаются испытания по второму этапу ГСИ, который планируется завершить до конца этого года.

Что уже сделано? Во-первых, модернизация коснулась информационно-управляющего поля кабины штурмана: сделана новая система индикации на ЖКИ с новыми видами отображения информации. Во-вторых, увеличена дальность действия комплекса. В-третьих, расширен спектр применяемого оружия. Сама антенна при этом остается без изменений, но меняются некоторые блоки СУВ, полностью заменяется вычислительная система. Уже снятые с производства машины, применявшиеся на МиГ-31, уступают место современным БЦВМ нового поколения. В последующем мы планируем дальнейшее наращивание возможностей комплекса.

Ну и наконец, мы подошли к самому главному – работам по АФАР. Чуть более года назад, на авиасалоне МАКС-2007, были впервые показаны натурные фрагменты опытных образцов активных фазированных решеток разработки НИИП. Как известно, Ваш институт является головным разработчиком радиоэлектронной системы с АФАР для самолета пятого поколения. Как развиваются эти работы?

Работы идут в соответствии с графиком, по контракту, который мы подписали с компанией «Сухой». По данному графику в ноябре этого года первая полноразмерная полностью укомплектованная приемо-передающими модулями и настроенная АФАР будет поставлена на стенд для стыковки с остальными блоками станции. Сегодня первая антенна уже полностью собрана, укомплектована и передана в настройку. Развернуто производство приемо-передающих модулей на базе монолитных микросхем в НПП «Исток», идет комплектация второго образца и начато комплектование деталями и модулями третьего образца. Таким образом сегодня у нас в производстве уже три антенны. Они последовательно будут выходить на испытания – первая, как я сказал, в ноябре, вторая – в марте-апреле следующего года и т.д. Уже в следующем году АФАР предполагается установить на один из первых опытных образцов самолета пятого поколения, которые в настоящее время строятся на КнААПО, и в 2010 г. приступить к ее летной отработке. На сегодня можно уверенно сказать, что все технические проблемы по разработке и изготовлению приемо-передающих модулей преодолены. Сейчас решаем вопросы по антенне в целом – по охлаждению, сопряжению, управлению лучом, но, подчеркиваю, все движется в соответствии с утвержденным графиком. По мере испытаний будем постепенно наращивать состав комплекса – сначала на стендах, затем на самолетах, в итоге – придем к полностью предусмотренной техзаданием комплектации.

Фрагмент натурного опытного образца АФАР X-диапазона разработки НИИП им. В.В. Тихомирова, впервые показанный публично на авиасалоне МАКС-2007 в августе 2007 г.

Сколько времени может понадобиться на весь цикл испытаний и доводок АФАР?

Как известно, разработка современного радиолокатора занимает обычно 5-7 лет. Поэтому если брать за начало отсчета нынешний 2008 г., когда началась реальная отработка аппаратуры, то можно считать, что наша система будет полностью готова к эксплуатации примерно к 2014-2015 гг. Аналогичная ситуация и за рубежом: даже у F-22, который уже довольно давно принят на вооружение, еще не все режимы АФАР окончательно отработаны. В этой связи необходимо отметить, что НИИП им. В.В. Тихомирова располагает богатейшим опытом работы по фазированным антенным решеткам. Американцы в свое время пропустили этап пассивных ФАР – перейдя от щелевых решеток сразу к АФАР. У нас же есть большой опыт в области ФАР, который насчитывает уже порядка 40 лет (а мы утверждаем, что АФАР отличается от пассивной ФАР по сути только технологическим исполнением излучателей, а весь остальной математический и моделирующий аппарат мы берем от уже хорошо освоенных нами ФАР), что дает нам серьезные преимущества, в т.ч. и по срокам доводки. Мы располагаем такими наработками по ФАР, каких нет ни у кого в мире!

Вы наверняка следите за работами по АФАР, которые ведутся и за рубежом, и у нас в стране. Можно ли назвать какие-то особенности Вашего проекта относительно остальных, его преимущества?

Ну, с американцами сравнивать довольно трудно, поскольку реальной (а не рекламной) информации очень мало, и можно судить только по каким-то косвенным признакам. Но мы считаем, что заложили и реализуем характеристики как минимум не уступающие, а на самом деле в чем-то превосходящие те, которыми обладают, например, радары с АФАР самолетов F-22 и F-35. Что же касается работ, которые ведут другие отечественные разработчики РЛС, то главная разница заключается в технологии. Мы делаем ставку на наиболее современные сейчас в мире технологии монолитных СВЧ-микросхем, в то время как наши отечественные коллеги используют так называемые гибридные технологии, от которых, например, в Европе уже отказались. Как и мы, американцы строят свои АФАР на монолитных микросхемах, с перспективой увеличения степени их интеграции и перехода в дальнейшем на то, что называется «интеллектуальной обшивкой» – т.е. приемо-передающие модули могут располагаться в любом месте самолета, формируя необходимое поле излучения. Таким образом, мы находимся на магистральном мировом пути развития АФАР.

Можно ли сказать, что технологии, полученные при разработки АФАР по данной программе, смогут быть в дальнейшем использованы для создания РЛС для других летательных аппаратов и вообще – других образцов техники?

Конечно. Например, рано или поздно может встать вопрос разработки нового легкого истребителя пятого поколения или оснащения АФАР модернизированных самолетов поколения «4+», «4++» и т.п. И вот в этом случае, вместо того, чтобы снова «изобретать велосипед», лучше использовать уже отработанные технологии, одновременно обеспечивая загрузку производства (ведь чем больше будут масштабы производства приемно-передающих модулей, тем меньше будет их стоимость). Задача в этом случае сведется попросту к масштабированию: все те же самые технологии и комплектующие останутся, и нужно будет только уменьшить диаметр антенны. Это уже не научная задача, а чисто конструктивно-технологическая. Далее. Уже освоенные в производстве приемо-передающие модули могут использоваться в РЛС, например, зенитно-ракетных комплексов. Так что, чем больше применений мы найдем уже отработанным технологиям – тем лучше. Ведь если раньше у нас была задача создать и «раскрутить» производство, то теперь может возникнуть обратная ситуация: мощности «раскручены», а потребление невелико. Только в условиях хорошей загрузки производства стоимость модулей может оказаться приемлемой.

А каково Ваше видение – в будущем найдется место обоим направлениям развития ФАР (активным и массивным), или с развитием АФАР линия пассивных ФАР будет забыта?

Я считаю, что, по крайней мере в обозримом будущем, свою нишу будут иметь и то, и другое направления. АФАР сможет вытеснить обычную ФАР только в том случае, если ее элементная база станет очень дешевой. Пока же, даже в условиях массового серийного производства, на нынешнем уровне технологий, стоимость АФАР и ФАР отличается в разы. Так что пассивным ФАР еще рано уходить в историю.

Владимир ЩЕРБАКОВ Фото компании «Сикорский»

Эли Брукнер

Постоянно вращаюшаяся антенна радиолокатора, направляющая высокочастотные сигналы к линии горизонта с целью обнаружения удаленных объектов, является неотъемлемым элементом панорамы современного аэродрома. Однако во многих наиболее известных областях применения радиолокации, таких, как авиация, противовоздушная оборона и разведка, механически управляемое зеркало антенны начинает заменяться устройством нового типа. Расположенный в одной плоскости набор небольших идентичных антенн, каждая из которых способна передавать и принимать сигналы, заменяет вогнутый рефлектор. Луч, создаваемый этим набором антенн, перемещается, обозревая воздушное пространство, а сама антенная система остается неподвижной. Направление электромагнитного излучения, генерируемого радиолокатором, задается специальным электронным устройством, причем в основе управления лучом лежит использование явления интерференции электромагнитных волн. Это техническое новшество, используемое в радиолокационных системах, получило название фазированных антенных решеток. Основные принципы построения радиолокационных станций при этом остаются прежними.

В основе работы всех радиолокационных станций лежит направленное излучение радиосигналов. Как правило, частота излучения лежит в микроволновом диапазоне, от 3 108 до 1010 Гц, хотя некоторые типы радиолокационных станций с очень большой дальностью действия работают в диапазоне высоких частот (ВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ), или соответственно в диапазонах от 3 106 до 3 107 Гц и от 3 107 до 3 108 Гц. В зависимости от формы антенна излучает узкий остронаправленный луч, пригодный для точного слежения за целью, или же широкий веерообразный луч, наиболее подходящий для обзора широких областей воздушного пространства.

Когда посланный антенной сигнал достигает объекта, он отражается. Если мощность передаваемого импульса, чувствительность антенны и отражающая способность объекта достаточно велики, попадающий на антенну отраженный сигнал может быть зафиксирован радиолокационной станцией. В зависимости от типа радиолокатора и вида излучаемого импульса отраженный сигнал несет различную информацию о цели.

Направление, с которого приходит отраженный сигнал, определяет местоположение объекта, и если радиолокационная станция излучает импульсы энергии, а не непрерывный сигнал, то по времени запаздывания между посылкой импульса и приемом отраженного сигнала можно судить и о расстоянии до объекта. В некоторых радиолокационных станциях предусмотрено измерение доплеров-ского смещения частоты отраженного сигнала (т.е. разности частот прямого и отраженного сигналов), которое имеет место, когда источник излучения (в данном случае цель) и приемник (радиолокатор) движутся относительно друг друга. По величине доплеровского смещения вычисляется скорость объекта в направлении к антенне или от нее.

Для заданного расстояния до объекта интенсивность отраженного сигнала дает некоторое представление о размерах объекта. Слово «представление» используется здесь преднамеренно: два объекта одних и тех же размеров, если они имеют различную форму или же сделаны из различных материалов, будут посылать отраженные сигналы, существенно различающиеся по интенсивности. Чтобы получить более точную информацию о размерах объектов, некоторые радиолокационные станции передают такие короткие импульсы, что они физически короче целей, которые они могут встретить на пути своего распространения. Если радиолокационная станция излучает энергию только в течение нескольких миллиардных долей секунды, то к тому времени, когда передача импульса закончится, его фронт пройдет расстояние в пространстве порядка одного или нескольких метров. Такой импульс в пространстве имеет меньшую протяженность, чем, например, самолет. Радиосигналы отражаются как от дальних, так и от ближних поверхностей цели, и в случае чрезвычайно короткого импульса образуются два отраженных сигнала. Временной интервал между этими двумя отраженными сигналами соответствует длине цели.

Поскольку радиолокатор обычного типа обозревает широкие области воздушного пространства, то он может собирать информацию о большом количестве объектов. Однако между последовательными моментами, когда одна и та же цель оказывается в поле зрения радиолокатора, неизбежно существует некоторый (иногда значительный) временной интервал. Скорость обновления информации о цели, т.е. частота, с которой одна и та же цель фиксируется радиолокатором, для большинства станций с вращающейся антенной не превышает скорости поворота зеркала антенны вокруг своей оси. В радиолокационных станциях систем управления воздушным движением, например, зеленая линия радиальной развертки, которая движется по экрану, оставляя на нем отметки, характеризующие новое местоположение самолета и несущие другую информацию о нем, поворачивается с той же скоростью, с какой вращается само зеркало антенны. Обновление информации о наблюдаемом объекте в таких радиолокационных станциях производится обычно через каждые шесть секунд, и даже в самых совершенных станциях военного назначения обновление информации редко производится чаще двух раз за одну секунду.

Существуют обстоятельства, при которых новую информацию о положении и перемещении целей требуется получать более часто. Один радиолокатор с механически управляемой антенной может обеспечить непрерывное получение данных об одном или нескольких близко расположенных друг от друга объектах путем постоянного слежения за ними с помощью поворота антенной системы. Однако для решения многих боевых задач и задач разведки, как, например, слежение с военного корабля за несколькими ракетами, движущимися к нему с различных направлений, или внимательное наблюдение за полетом нескольких компонентов разделившейся боеголовки при проведении испытаний межконтинентальных баллистических ракет, каждая из большого количества целей должна наблюдаться непрерывно. До недавнего времени в таких случаях прибегали к использованию нескольких радиолокационных станций, каждая из которых предназначалась для слежения за одной или несколькими целями. С появлением радиолокационных станций с фазированной антенной решеткой необходимость использовать в подобных случаях несколько радиолокаторов с механически управляемыми антеннами отпала. Теперь их может заменить всего одна станция, оснащенная новой антенной системой. В качестве примера можно привести радиолокационную станцию с кодовым названием COBRA DANE, имеющую фазированную антенную решетку; она установлена на берегу Берингова моря и может следить одновременно за сотнями целей, рассредоточенных в пространстве, ограниченном 120° по азимуту и примерно 80° по углу места. В действительности радиолокационная станция наблюдает за этими целями одновременно путем автоматического перебрасывания своего луча с одной цели на другую за время, измеряемое микросекундами.

Электронное управление лучом, благодаря которому достигаются такие замечательные возможности, основано на использовании простого физического явления. Когда расположенные рядом источники излучают энергию одновременно на одной и той же частоте, то исходящие из этих источников волны складываются. Это явление называется интерференцией. Характер взаимодействия двух волн от двух разнесенных в пространстве источников зависит от сдвига фаз между этими волнами. Если гребни и впадины одной волны соответственно совпадают с гребнями и впадинами другой волны (сдвиг фаз равен 0), то результирующее колебание будет иметь суммарную амплитуду. Если волны находятся не в фазе и их гребни и впадины не совпадают, то результирующий сигнал будет ослабленным или (при сдвиге фаз 180°) равным 0.

Фазированная антенная решетка обычно собирается из расположенных в одной плоскости и на одинаковом расстоянии друг от друга излучающих элементов, к которым подводятся равные по амплитуде и совпадающие по фазе сигналы микроволнового диапазона. Задающий генератор генерирует сигнал, а транзисторы и специальные лампы, предназначенные для работы в микроволновом диапазоне, такие, как лампы бегущей волны, усиливают его. Если сигналы излучаются в фазе со всех элементов решетки, то их амплитуды складываются в определенных точках пространства вдоль линии, перпендикулярной к плоскости решетки. Следовательно, излучаемый сигнал будет сильным, а сигнал, отраженный от объектов, лежащих на пути его распространения вдоль оси, перпендикулярной плоскости антенной решетки и в пределах малого угла в стороны от нее, будет иметь достаточную для его обнаружения интенсивность.

При больших углах отклонения от перпендикулярной оси антенной решетки сигналы от различных излучающих элементов должны проходить до цели неодинаковые расстояния. В результате соотношение их фаз меняется и они интерферируют, ослабляя или полностью уничтожая друг друга. Таким образом, за пределами узкого конуса, ось которого совпадает с перпендикулярной осью антенной решетки и в котором имеет место интерференция с усилением амплитуды результирующей волны, отраженные от объектов сигналы имеют малую интенсивность и обнаружить их не удается. Физические принципы, лежащие в основе формирования интерфе ренционных картин, позволяют определить ширину этого конуса. Она прямо пропорциональна рабочей длине волны излучения и обратно пропорциональна размеру антенной решетки. Если каждый элемент антенной решетки излучает сигналы в фазе с другими, то луч радиолокатора распространяется в направлении, строго перпендикулярном к плоскости решетки.

Теперь предположим, что сигналы каждого излучающего элемента задерживаются на время, которое равномерно увеличивается от элемента к элементу вдоль плоскости решетки. При этом сигнал, излучаемый каждым элементом, будет отставать на часть длины волны от сигнала соседнего элемента. В результате все сигналы будут сдвинуты по фазе относительно друг друга. Теперь зона, в которой отдельные сигналы совпадают по фазе и, складываясь, дают сигнал суммарной амплитуды, с помощью которого можно обнаруживать цели, расположена не вдоль перпендикулярной оси решетки, а смещена в направлении увеличения задержки сигнала. Угол отклонения луча зависит от сдвига фаз сигналов, излучаемых соседними элементами антенной решетки, размера последней и длины волны. И в этом случае луч принимает форму узкого конуса, окруженного областями ослабляющей интерференции. Таким образом луч радиолокатора оказывается отклоненным без изменения положения антенны.

Когда отраженный сигнал возвращается от цели, которая находится в этом новом направлении, определяемом нарастающим сдвигом фаз, цепь, обеспечивающая временную задержку передаваемого сигнала, вводит новую серию задержек отдельных сигналов, приходящих на каждый из излучающих элементов. Поскольку фронт возвращающейся волны достигает антенной решетки под углом к ее плоскости, элементы антенны, которые излучали сигнал последними (они расположены ближе к цели), принимают отраженный импульс первыми. Поэтому та же серия задержек, за счет которой создается заданная направленность излучения, обеспечивает поступление всех составляющих отраженного сигнала в приемное устройство в одной фазе, что дает возможность производить их обработку для получения информации о цели.

Управление задержкой по фазе дает возможность отклонять луч антенной решетки обычного типа на угол до 60° от перпендикулярной оси, что обеспечивает поле обзора 120° по азимуту, т.е., сохраняя антенну неподвижной, радиолокатор обозревает третью часть круговой линии горизонта, а если плоскость решетки имеет достаточный наклон, то и от горизонта к зениту и далеко за него. Поскольку управление лучом при этом не связано ни с какими механическими перестройками, перемещение луча в пределах всей зоны обзора занимает всего несколько микросекунд. При использовании ЭВМ для расчета нужных сдвигов по фазе с целью отклонения луча на желаемый угол и для управления схемой задержки сигналов радиолокационная станция с фазированной антенной решеткой, такая, как COBRA DANE, может одновременно осуществлять слежение за несколькими сотнями целей.

Электронное устройство, которое обеспечивает управление лучом радиолокатора и создает требуемую задержку микроволнового сигнала при подаче на каждый элемент антенной решетки, называется фазо- сдвигающим устройством. Оно состоит из отрезков кабеля или волновода очень точных размеров. Увеличение длины кабеля, по которому сигнал от генератора или усилителя подводится к излучающему элементу, приводит к задержке времени прохождения сигнала. На практике невозможно сделать так, чтобы длина всех кабелей, по которым сигналы подаются к излучающим элементам фазированной антенной решетки, менялась плавно, обеспечивая непрерывное изменение задержек по фазе. Поэтому сдвиг фазы производится скачками. Каждый элемент антенной решетки соединен с несколькими кабелями различной длины. Для получения фазовых сдвигов, обеспечивающих заданное отклонение луча, в каждую цепь включается определенная комбинация кабелей.

В применяемой для разведывательных целей радиолокационной станции COBRA DANE, например, используются трехэлементные фазо-сдвигающие устройства. Каждое такое устройство имеет три полосковые линии различной длины, своего рода волноводы, которые обеспечивают передачу колебаний микроволнового диапазона вдоль узкой медной полоски, расположенной между двумя заземленными медными пластинами. Одна из полосковых линий увеличивает длину пути прохождения сигнала на величину, равную половине длины волны, около 15 см, так как рабочая частота радиолокационной станции COBRA DANE составляет примерно 1 ГГц. Это обеспечивает сдвиг фазы сигнала на 180° по отношению к незадержанному сигналу. Другая полос-ковая линия обеспечивает задержку сигнала на четверть длины волны, т.е. обеспечивает сдвиг фазы на 90°. Длина третьей полосковой линии такова, что в ней создается задержка, равная одной восьмой длины волны, что соответствует фазовому сдвигу 45°. В различных комбинациях эти три полосковые линии могут изменять фазу сигнала на любое число градусов, кратное 45, от 0 до 315°.

Ступенчатое изменение величины фазовой задержки должно, вероятно, приводить к появлению мертвых зон. Каким же образом, используя восемь различных величин запаздывания по фазе с интервалом 45 °, можно обеспечить непрерывное перемещение луча радиолокатора? Ответ на этот вопрос заключается в свойствах картин интерференции. Всякий раз, когда разность фаз между сигналами, излучаемыми с противоположных сторон антенной решетки, достигает 360°, или одной длины волны, область интерференции, где формируется луч с суммарной амплитудой, будет сдвигаться в пространстве на расстояние, приблизительно равное собственной ее ширине. Поэтому, чтобы сместить луч, перпендикулярный плоскости антенной решетки (такое направление он имеет, когда все сигналы излучаются в фазе), в соседнее положение без образования между этими двумя положениями мертвой зоны, суммарный фазовый сдвиг вдоль плоскости антенной решетки должен составлять примерно 360°.

Увеличиваются ли при этом фазовые сдвиги вдоль плоскости решетки непрерывно или ступенчато (через 45°) - не имеет значения. Ступенчатое изменение фазовых сдвигов приводит лишь к небольшому снижению мощности излучения и некоторой потере чувствительности антенной системы. Чтобы обеспечить более плавное перемещение луча антенной решетки с трехэлементными фазосдви-гающими устройствами, можно задать меньшую суммарную величину сдвига фазы, например, 180°, т.е. четыре раза по 45°.

Если луч нужно отклонить от перпендикулярного направления на величину, большую, чем его ширина, суммарное изменение фазы вдоль плоскости антенной решетки должно превысить 360°. Из-за периодического характера электромагнитных колебаний фазовый сдвиг на кратное число длин волн эквивалентен 360°. Для суммарного изменения фазы более чем на 360° линейное увеличение задержки фазы от нуля до 360° должно повторяться несколько раз на всей плоскости антенной решетки. Первая серия задержек обеспечивает суммарный сдвиг фазы на одну длину волны, вторая серия увеличивает его до двух длин волн и т.д. Графически изменение величины фазовой задержки вдоль плоскости антенной решетки представляется в виде зубьев пилы: чем круче их скосы и чем больше их количество, тем резче отклоняется луч.

Из простых геометрических правил следует, что с увеличением отклонения луча от перпендикулярного направления эффективная площадь антенны уменьшается. В результате чувствительность фазированной антенной решетки к отраженным от цели сигналам быстро падает при углах отклонения луча от перпендикулярной оси более чем на 60°. Поэтому одна фазированная антенная решетка не может обеспечить такую же возможность обзора во всех направлениях, как механически поворачиваемые антенны. Одним из решений этой проблемы является использование нескольких антенных решеток, обращенных своими плоскостями в разные стороны. Другим способом расширения зоны обзора фазированной антенной решетки является расположение ее в горизонтальной плоскости под куполообразной линзой, которая отражает излучение, и за счет этого угол отклонения луча радиолокационной станции увеличивается. Когда антенная решетка формирует луч под углом 60° к зениту, использование линзы может обеспечить еще большее его отклонение, вплоть до 90° к зениту, т.е. в направлении на горизонт. Таким образом линза позволяет осматривать с помощью антенной решетки всю полусферу воздушного пространства. Линза может быть выполнена из специальной керамики или пластмассы, которая отражает излучение микроволнового диапазона. Она может также выполнять роль фазосдвигающих устройств второй ступени, чтобы дополнительно задерживать фазу сигнала, излучаемого антенной решеткой.

Когда управление фазой используется для посылки короткого импульса под большим углом к перпендикулярной оси антенной решетки, излучаемый импульс неизбежно будет искажаться - растягиваться во времени и пространстве. Предположим, что антенна излучает импульс длительностью 5 не. Если излучение радиолокационной станции направлено строго перпендикулярно к плоскости антенной решетки, то импульс имеет в пространстве прямоугольное продольное сечение; его ширина равна ширине антенной решетки, а длина - расстоянию, которое электромагнитная волна проходит за 5 не, т.е. 1,5 м. Если, с другой стороны, за счет сдвига фаз луч значительно отклоняется от перпендикулярной оси, то продольное сечение импульса будет иметь форму параллелограмма. По отношению к цели длина импульса окажется больше 1,5 м, поскольку сигналы, излучаемые отдельными элементами антенной решетки, достигают цели не одновременно, а последовательно. Отраженный импульс, который возвращается к антенной решетке, также будет растянутым.

Для обнаружения целей и слежения за ними обычно используются импульсы намного большей длительности, например 1000 нc, и искажение в пределах нескольких наносекунд имеет малое значение. Растягивание импульса в свою очередь мало влияет на способность радиолокационной станции определять по характеру отраженного сигнала местоположение и скорость цели. Для раздельного наблюдения целей, движущихся в тесном строю, однако, требуется излучать короткие импульсы. Они же необходимы для определения размеров цели по сигналам, отраженным от ее передней и задней поверхностей. Если передаваемый короткий импульс растягивается, то отраженные сигналы уже не приходят раздельно, а сливаются, что затрудняет получение требуемой информации.

Метод, подобный тому, который используется для управления лучом с помощью сдвига фаз сигналов, помогает и в этом случае; он позволяет сохранять форму импульса. Для обеспечения требуемого сдвига фаз необходимо производить задержки сигналовтолько на время, соответствующее частям длины волны. Задержки же, которые необходимы, чтобы избежать растягивания импульса, эквивалентны целому числу длин волн. При этом излучение сигналов отдельными элементами антенной решетки производится последовательно, причем опережение в излучении каждого сигнала по отношению к следующему пропорционально расстоянию, которое сигнал должен пройти до цели. В результате достигается тот же эффект, как если бы антенная решетка поворачивалась, удерживая цель в направлении перпендикулярной оси. Этот метод известен как управление лучом с помощью временных задержек. Подобно методу, в котором используется увеличение фазовых задержек, он дает возможность посылать в заданном направлении сигнал когерентного и поэтому мощного излучения.

Такие большие задержки, эквивалентные расстоянию в несколько метров, которое проходит сигнал, требуют включения отрезков кабеля соответствующей длины в цепь прохождения сигнала от генератора или усилителя до излучающего элемента. Большая фазированная антенная решетка может включать в себя много тысяч излучающих элементов, и если бы каждый имел свою цепь временной задержки, то радиолокационная установка была бы чрезвычайно сложной и дорогой. Поэтому конструкторы радиолокационных станций стремятся изыскать компромиссное решение, при котором одновременно достигались бы и нужная форма импульса, даже при больших углах отклонения направления излучения от перпендикулярной оси антенной решетки, и конструктивная простота. В результате в современных радиолокаторах с фазированными антенными решетками управление лучом осуществляется как с помощью сдвига фаз, так и с помощью временных задержек.

В радиолокационной станции COBRA DANE, например, каждый из 15 360 излучающих элементов связан с отдельным трехэлементным фазосдвигающим устройством, поэтому сдвиг фазы каждого сигнала производится отдельно. В режиме обнаружения целей радиолокационная станция излучает импульсы длительностью 1000 нc, и луч управляется только посредством введения фазовых задержек. Поскольку назначение радиолокационной станции состоит в слежении за баллистическими ракетами, она должна обеспечивать получение информации об их размерах после обнаружения. С этой целью антенная решетка разделена на 96 участков, каждый из которых включает 160 излучающих элементов. После того как цель обнаружена, станция начинает излучать импульсы очень малой длительности, и сигналы, подводимые к каждому участку антенной решетки, предварительно проходят по цепи временной задержки. Эти цепи аналогичны фазосдвигающим устройствам, но значительно больше по размеру. Они состоят из набора коаксиальных кабелей различной длины, и любая их комбинация может быть включена в цепь для создания временных задержек, соответствующих прохождению сигнала на расстояние от одной до 64 длин волн, или около 19,2 м, так как рабочая частота радиолокационной станции COBRA DANE равна примерно 1 ГГц.

Поскольку поперечный размер отдельных участков антенной решетки составляет около 2,7 м, что мало по сравнению с ее диаметром, равным 29 м, то искажения, которые возникают в каждом участке решетки при больших углах отклонения луча от перпендикулярной оси, лежат в допустимых пределах. Каждый участок антенной решетки излучает сигнал, занимающий в пространстве объем, продольное сечение которого имеет форму параллелограмма. За счет временных задержек эти сигналы суммируются так, что искажения отдельных сигналов не складываются. В результате форма импульса сохраняется достаточно хорошо, а устройств, обеспечивающих временные задержки сигналов, при этом используется только 96, а не 15 360. Что касается расхода материалов, то обеспечение управления лучом радиолокационной станции COBRA DANE путем введения временных задержек потребовало дополнительного использования кабелей общей длиной чуть больше 1500 м. Если бы не применялось разделение антенной решетки на отдельные участки, то дополнительно потребовалось бы 165 км кабеля.

Замена подвижной антенны набором неподвижных излучающих элементов помимо возможности электронного управления лучом может дать и другие преимущества. Одним из этих преимуществ является обеспечение высокой надежности в работе. Работа неподвижной антенной решетки не зависит от состояния таких изнашиваемых механических компонентов, как подшипники и двигатели. Кроме того, в большинстве радиолокационных станций с механическим управлением антенной используется одна или несколько очень больших электронных ламп для усиления сигналов микроволнового диапазона.

В качестве примера можно привести радиолокационную станцию Marconi Martello, изготовленную в Великобритании и предназначенную для использования в системе противовоздушной обороны. Основным схемным элементом в этой станции является электронная лампа с выходной мощностью около 3 МВт. В случае ее отказа вся система выходит из строя. Правда, в таких радиолокационных станциях, предназначенных для работы в системах разведки и противовоздушной обороны, всегда предусматривается возможность быстрого переключения на вспомогательные источники энергии микроволнового излучения.

В противоположность этому в радиолокационной станции COBRA DANE излучаемая энергия генерируется 96 лампами, каждая мощностью 160 кВт. Выходной сигнал с каждой лампы поступает на делитель, а затем на 160 излучающих элементов, составляющих один участок антенной решетки. Отказ одной лампы в данном случае приводит к выходу из строя только одной из 96 частей антенной решетки, и радиолокационная станция в целом остается работоспособной, хотя качество ее работы несколько ухудшается. Более того, лампы меньшего размера в случае отказа заменять легче, чем одну большую лампу, используемую в радиолокационной станции Martello.

Радиолокаторы с фазированными антенными решетками со схемой на полупроводниковых элементах имеют еще более высокий уровень надежности и легкости в эксплуатации. Транзисторные схемы генераторов и усилителей используются, например, в радиолокационных станциях с кодовым названием PAVE PAWS, предназначенных для обнаружения баллистических ракет, запускаемых с кораблей и подводных лодок (такие станции уже установлены на п-ве Кэйп-Код и в штате Калифорния, и их размещение планируется в штатах Джорджия и Техас). В отдельных модулях смонтировано по четыре параллельно включенных транзистора мощностью по 100 Вт. Каждый модуль обеспечивает возбуждение одного излучающего элемента. Таким образом, сигналы, подводимые к каждой из двух поверхностей сдвоенной антенны, усиливаются одновременно 1792 модулями в цепи антенных элементов, а не 96 лампами, так что отказ в работе одного элемента еще меньше влияет на характеристики радиолокационной станции в целом. К тому же среднее время между двумя отказами для одного полупроводникового модуля значительно больше, чем для лампы, используемой в радиолокационной станции COBRA DANE. В первом случае этот показатель равен 100 000 ч, во втором - 20 000 ч. При отказе модулей, имеющих длину 30 см и работающих от источника напряжения 28 В, заменять их намного легче, чем лампы в радиолокационной станции COBRA DANE, имеющие длину 1,5 м и работающие под напряжением 40 000 В.

В радиолокационной станции PAVE PAWS, как и во многих других, построенных на полупроводниковых элементах, усиление сигналов производится после того, как они будут распределены по антенным элементам и сдвинуты по фазе. Поэтому потери мощности, которые имеют место при прохождении усиленного сигнала через делитель и цепи фазосдви-гающего устройства, исключаются. Однако наряду с этим выигрышем в эффективности и всеми другими преимуществами полупроводниковая технология имеет и недостаток. Она в общем обеспечивает меньшие значения пиковых мощностей по сравнению с теми, какие можно получить с помощью электронных ламп.

Оограничения, связанные с возможностью получения в радиолокаторах на полупроводниковых элементах сигналов большой мощности, повысили важность так называемого метода кодирования и сжатия импульсов, с помощью которого можно имитировать короткие импульсы большой мощности при излучении менее мощных и больших по длительности сигналов. Этот прием не утрачивает своей важности и в случае использования мощных радиолокационных станций на электронных лампах как с механически управляемыми антеннами, так и с фазированными антенными решетками, когда требуется получить определенную информацию об удаленных объектах.

Дальность, на которой радиолокационная станция с заданной чувстри-тельностью приемного тракта может обнаруживать объекты определенного размера и с определенной отражательной способностью, зависит от общей энергии импульса. Чем короче импульс, тем выше должна быть пиковая мощность излучения при заданной дальности действия. Радиолокационная станция COBRA DANE может обнаруживать металлические объекты величиной с грейпфрут на расстоянии около 2000 км. Для этого при длительности импульса 5 нc пиковая мощность излучения должна быть не меньше 3 1012 Вт, что более чем достаточно для разрушения всех цепей радиолокационной станции.

И все же определить размеры объекта или же раздельно наблюдать ряд объектов, летящих на близком расстоянии друг от друга, можно только с помощью импульсов малой длительности. То, что дальность действия радиолокационной станции определяется не пиковой мощностью, а общей энергией импульса, помогает найти решение. Оно заключается в следующем. Когда радиолокатор работает в режиме передачи, излучаемый импульс растягивается и соответственно снижается пиковая мощность. Этот прием называется кодированием импульса. В режиме приема производится сжатие отраженного сигнала с целью извлечения из него всей информации, которая могла бы быть получена при передаче действительно короткого импульса. В радиолокационной станции COBRA DANE, например, импульс длительностью 5 нc перед тем, как он усиливается и излучается, растягивается в 200 тысяч раз и его длительность становится равной 1 мс. Требуемая пиковая мощность снижается в такое же число раз - с 3 1012 Вт до 15 МВт, фактической мощности излучения COBRA DANE.

При обычной технике кодирования импульс длительностью 5 нс, включающий в себя спектр частот, проходит через дисперсионную линию задержки, которая вызывает различное запаздывание отдельных составляющих этого спектра: чем выше частота составляющей, тем больше задержка; составляющая сигнала с самой низкой частотой излучается без задержки, в то время как составляющая с самой высокой частотой получает максимальную задержку, равную 1 мс. После этого импульс, имеющий уже длительность 1 мс, усиливается и излучается; принимаемый отраженный сигнал имеет ту же длительность.

Принятый сигнал пропускается через цепь сжатия, которая вводит ряд дополнительных задержек. На этот раз длительность задержек связана с частотой обратным образом. Составляющая спектра импульса с самой низкой частотой получает задержку, равную 1 мс, а составляющая с самой высокой частотой не получает никакой задержки. Таким образом, в процессе выполнения операции кодирования и сжатия импульса каждая из составляющих спектра сигнала получает одну и ту же суммарную задержку. В результате отраженный сигнал получается неискаженным, имеющим длительность 5 нc.

Если излученный импульс длительностью 1 мс, который в пространстве имеет длину, равную 300 км, при рас пространении встречает объект, который значительно короче его, то импульс возвращается обратно в виде двух, перекрывающих друг друга отраженных сигналов. Обычным способом такие отраженные сигналы разделить нельзя и по их относительному положению определить размеры объекта невозможно. Однако когда кодированные, перекрывающие друг друга отраженные сигналы сжимаются, на выходе получаются два различных сигнала длительностью 5 нc.

Кодирование и сжатие импульсов выполняют ту же роль и в радиолокационных станциях, построенных на полупроводниковых элементах. Даже когда нет необходимости определять размер объекта, от которого отражается сигнал, точное определение расстояния до объекта требует применения довольно коротких импульсов. Если не использовать сжатие, то с помощью импульсов длительностью 1 мс можно определить расстояние до объекта с точностью только до 150 км. Кроме того, при излучении длинных импульсов сказывается воздействие местных помех, обусловленных отражением от выпадающих осадков и от земли. В то же время полупроводниковая техника не может обеспечить получение таких мощностей, которые необходимы при работе короткими импульсами, чтобы дальность действия радиолокатора была такой же, как и при излучении импульсов большой длительности. Поэтому, чтобы при низкой мощности излучения получить большую дальность действия и высокую разрешающую способность, в радиолокаторах на полупроводниковых элементах необходимо применять кодирование и сжатие импульсов.

Первые радиолокационные станции с фазированными антенными решетками, которые начали использоваться в 60-70-е годы, были предназначены для военных и разведывательных целей. Существуют обстоятельства, при которых гражданские отрасли экономики диктуют потребности, стимулирующие развитие военной техники. В частности, гражданская авиация нуждается в получении данных о быстро перемещающихся объектах в зоне аэродрома, где прибывающие самолеты выравнивают свой курс для захода на посадку. Радиолокационные станции, контролирующие подход самолетов к полосе, направляют их на посадку, одновременно следя за дальностью самолетов и их положением относительно взлетно-посадочной полосы. Возрастающая интенсивность воздушного движения создает все большую потребность в оснащении гражданской авиации радиолокаторами с фазированными антенными решетками.

С уменьшением количества излучающих элементов стоимость фазированной антенной решетки снижается. В большинстве областей применения радиолокационной техники антенные системы должны иметь большое количество излучающих элементов. Маленькая антенная решетка имеет менее сфокусированный и, следовательно, более широкий луч. Это снижает ее разрешающую способность по угловым координатам, а малая площадь не может обеспечить высокую чувствительность к отраженным сигналам. Когда не требуется обозревать большую область воздушного пространства, оба этих недостатка антенной решетки малого размера могут быть преодолены путем объединения ее с большим рефлектором.

Поле обзора радиолокационной станции управления заходом на посадку самолетов не должно быть большим. Обычно такая радиолокационная станция должна просматривать пространство в пределах около 10° по азимуту и от 7 до 14° по углу места. Поэтому для этих целей можно использовать гибридную систему, состоящую из фазированной антенной решетки и традиционного рефлектора. В одной из конструкций радиолокатора используется антенная решетка с 443 излучающими элементами, которая работает совместно с отражателем, имеющим размеры 3,96x4,57 м. Решетка располагается вблизи фокуса рефлектора, который отражает луч при любом угле излучения антенной решетки. В данном случае рефлектор действует как линза, фокусируя луч и снижая его боковое рассеяние. Отраженные лучи становятся уже и вписываются в более узкий угол в пространстве. В результате улучшается способность решетки разрешать две цели в пределах малого угла и определять точный азимут одиночной цели. Рефлектор также увеличивает чувствительность к отраженному сигналу. В будущем в радиолокации найдут применение новые достижения в области схемотехники. Использование в радиолокационной технике элементной базы, подобной цифровым интегральным микросхемам, применяемым в вычислительной технике, значительно снизит количество и размер компонентов, необходимых для генерирования, приема и обработки сигналов. Новые элементы на арсенид-галлиевых кристаллах, известные как монолитные микроволновые интегральные микросхемы, объединяют в себе фазосдвигающие устройства, переключатели и транзисторные усилители. Приемопередающий модуль, содержащий все цепи, необходимые для создания одного излучающего элемента фазированной антенной решетки, уже сейчас может быть полностью собран только на 11 таких микросхемах. А пока для построения приемо-передающих модулей на полупроводниковых элементах требуются сотни деталей.

Развитие электроники со временем позволит вкл

РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС С АФАР ПАК ФА

RADAR SYSTEM WITH AESA PAK FA

04.03.2014


Один из ключевых элементов для перспективного авиационного комплекса дальней авиации (ПАК ДА) — радиолокационная система — уже разрабатывается в России, сообщил в интервью РИА Новости генеральный директор Научно-исследовательского института приборостроения им В.В.Тихомирова Юрий Белый.
Ранее Минпромторг сообщил о заключении контракта с Минобороны о начале финансирования проекта создания ПАК ДА. Планируется, что этот самолет войдет в госпрограмму вооружения 2016-2025 годов.
«Если вы под элементом понимаете радиолокационную систему, то в настоящий момент мы как раз рассматриваем это предложение», — сказал Белый, отвечая на вопрос РИА Новости об участии в проекте разработки ПАК ДА. «Мы выполнили аванпроект, передали фирме Туполева, защитили его, <..> ждем, когда дадут отмашку и окончательные ТЗ», — пояснил директор НИИП.