dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Про АФАР (это Активная Фазированная Антенная Решётка) сейчас в популярной прессе пишут то и дело, в основном применительно к истребителю пятого поколения. Правда, даже минимальные технологические аспекты обычно остаются за кадром. Что за АФАР? Зачем? Как она работает? В общем, эта заметка поможет окинуть взглядом – конечно, в очень упрощённом виде – некоторые базовые принципы, стоящие за особенностями АФАР.

Начать придётся издалека. Известно, что радар (за некоторыми исключениями) сперва излучает зондирующий импульс – современные радары обычно импульсные – в окружающее пространство, а потом “слушает”, не последует ли отражений. Если отражённый импульс удалось принять, то по его характеристикам, имея “в уме” параметры соответствующего излучённого импульса, можно вычислить некоторую информацию о цели. Ну, по крайней мере, дальность и скорость (а хотелось бы ещё координаты, тип и тому подобные штуки).

Чтобы принимать/излучать сигналы, радару нужна антенна. Для эффективного использования энергии нужно, чтобы эта антенна обладала узкой “направленностью”. Грубо говоря, требуется, чтобы “был луч” (и по приёму, и по излучению импульсов). Создавать лучи научились разными способами. Самый банальный – использовать отражающую “тарелку-гиперболоид”: примеры подобных зеркальных антенн можно наблюдать в системах спутникового телевидения.

Правда, такую тарелку в самолёт запихивать сложно, да и управляться с ней неудобно. Поэтому придумали специальные антенные системы, которые действуют подобно тарелке, но при этом они плоские, а приёмник и передатчик находятся за антенной. Основной элемент таких антенн – очень сложная система волноводов, приводящих к приёмнику сигналы от разных “фрагментов” наружной части антенны таким образом, что “суммарный” результат получается аналогичным “отражающей” системе. Здесь “кривизна” отражающей тарелки оказывается преобразована в различное время прохождения сигналом различных волноводов системы. (Подробный разбор того, как и почему такая антенна работает, мы пока оставим за рамками нашей заметки.)

Итак, предположим, что в радаре есть один приёмник, один передатчик (генератор импульсов) и хитрая плоская антенна, подобная “отражающей тарелке”, формирующая луч. Оказывается, для того чтобы увидеть разные цели таким радаром, антенну придётся двигать, обычно в двух плоскостях. Тут уместна аналогия с фонариком в тёмной комнате: осветить стену целиком луч не может, и чтобы стену осмотреть, нужно “просканировать” её светлым пятном от луча. То есть для осмотра нашим радаром сколь-нибудь широкого сектора на практически важной дистанции потребуется механическое сканирование. Тяжёлой “тарелкой” придётся вертеть с помощью гидравлики. В большинстве современных истребителей как раз используются подобные радары с механическим сканированием.

Но механическое сканирование очень неудобно, прежде всего потому, что антенна движется медленно. Двигать ей быстро нельзя: сама антенна обычно очень массивная, если даже и удастся затолкать на борт истребителя мощную гидравлику, то при большой частоте сканирования самолёт просто начнёт рыскать и определённо развалится под воздействием механических напряжений. Поэтому обзор больших секторов происходит медленно. А, например, для атаки цели истребителем радар приходится переключать в специальный режим, в котором луч держит в “поле зрения” одну, выбранную пилотом, цель. С одновременной атакой нескольких целей возникают очень большие проблемы (и это не единственные проблемы радаров с механическим сканированием).

Так вот, от механического сканирования возможно отказаться, перейдя на электронное. Физика, стоящая за этой возможностью, не простая. А основной принцип – управление фазами сигналов. Оказывается, сформировать нужный луч можно, изменяя фазы сигналов, принятых (или излучённых) разными частями антенны. Правда, при этом антенну сперва нужно разделить на части.

Логичный вариант: плоская (прямоугольная или круглая) антенна разделена на ячейки, образующие регулярную решётку. В каждой такой ячейке находится специальный прибор – фазовращатель, который может на заданный угол изменять фазу “упавшей” в ячейку электромагнитной волны. “Обработанные” сигналы из ячеек поступают по волноводам на приёмник – понятно, что сигнал на входе приёмника образуется “суммированием” сигналов из ячеек решётки. Так получается ФАР – фазированная антенная решётка. (Для излучения сигналов антенна работает аналогично.)

Если в ФАР согласованно отрегулировать изменения фаз в разных ячейках, то можно, например, получить максимум усиления антенны в одном заданном направлении, аналогично зеркальной антенне с тарелкой. Так происходит, в общем, потому, что сигналы, принимаемые разными ячейками решётки (неподвижной!) с заданного направления, из-за изменения их фаз складываются с “максимальной энергией” (то же самое при излучении). Важно заметить, что в реальности ситуация сложнее, но подробный её разбор мы сейчас проводить не будем.

Ещё важнее заметить, что антенна всё равно принимает сигналы со всех направлений (даже изнутри самолёта), “по направлениям” различается только степень чувствительности.

Управление фазовращателями, конечно, должно быть электронным и центральным. В этом случае, согласованно регулируя настройки фазовращателей, можно обеспечить электронное управление перемещением луча. Правда, угловой диапазон этих перемещений будет ощутимо ограничен. Но так как при “перебросе” луча не используется механическое перемещение антенны, то в рамках доступных углов сканирование будет почти мгновенным (понятно, конечно, что в реальных системах небольшая инерционность всё равно присутствует). ФАР также позволяет формировать сразу несколько лучей. Для расширения углов обзора ФАР может использовать механическое сканирование в дополнение к электронному.

Антенная решётка, подобная только что описанной системе, со множеством элементов-фазовращателей, с одним приёмником и одним передатчиком, называется пассивной ФАР. Первый в мире истребитель, оснащённый РЛС с пассивной ФАР – МиГ-31 (система “Заслон”):

Активная ФАР (АФАР, ради которой и затеяна вся большая заметка) – это следующий шаг в развитии пассивной. В активной антенне каждая ячейка решётки содержит свой приёмо-передатчик (возможны и “половинчатые” варианты, например только приёмник), имеющий центральное управление характеристиками. Ключевые преимущества полноценной АФАР такие: гораздо выше надёжность (много независимых передатчиков и приёмников), появляется возможность работать на нескольких частотах сразу (приёмо-передатчики независимы), выше чувствительность (потому что сигнал “детектируется” сразу приёмником в базовом элементе).

(Рисунок РЛС с АФАР Raytheon AN/APG-63(V)3 – из рекламки Raytheon)

АФАР гораздо сложнее пассивной ФАР и просто требует других технологий для своего создания.

Современные радары с АФАР очень “вычислительные”, основная часть обработки сигналов производится в цифровой форме, мощным компьютером. Компьютер же занимается вычислением “параметров передачи” сигналов. Самое интересное тут то, что, имея большое количество отдельных приёмников в АФАР, можно вычислять одновременно сигналы от многих конкретных целей на основе компьютерного анализа изменений фаз излучения заданной частоты во времени на множестве приёмников (то есть можно не вращать фазы в приёмниках, а только записывать их значения). Да и вообще, используя такую систему приёма-передачи сигнала, можно очень многое вычислить из характеристик принятого излучения (об этом как-нибудь в другой раз подробности).

Поэтому радары с АФАР не только с лёгкостью обеспечивают полноценную работу одновременно по множеству целей (10-20-30, можно ещё больше, с одновременным же сопровождением и атакой), но и попутно могут проводить картографирование поверхности под самолётом (с обнаружением наземных целей), очень эффективно отстраиваться от помех и тут же ставить помехи радарам противника.

Основной технологической проблемой в создании АФАР является микроэлектронная начинка активного элемента. Есть несколько разных технологий, позволяющих добиться нужных характеристик. Но самые перспективные – это появившиеся недавно компактные интегрированные твердотельные СВЧ-элементы, так сказать, приёмник и передатчик в одном миниатюрном полупроводниковом изделии.

Кстати, радары с АФАР используются не только и не столько на истребителях. Напротив, АФАР давно применяют в комплексах ПВО, а кроме того – на прочей наземной технике, на кораблях и даже на таких экзотических устройствах, о которых популярная пресса почему-то не пишет, как, например, загоризонтные радиолокаторы. Очень эффективны и полезны АФАР, установленные на спутниках.

Читайте, также, продолжение темы:

Преимущества АФАР для современных самолётов;
АФАР и бортовые РЛС малозаметных самолётов;
РЛС с синтезированной апертурой антенны.

Адрес записки: https://dxdt.ru/2007/11/26/836/