У современных истребителей радар может за доли секунды перевести луч из одной части неба в другую, хотя сама антенна при этом остаётся неподвижной. Для этого не нужны вращающийся отражатель или сложные механические приводы. Направление радиоволн меняет электроника, которая управляет множеством небольших излучателей.
Так работают фазированные антенные решётки, или ФАР. Их устанавливают на самолёты, корабли и наземные радиолокационные станции. Чаще всего встречаются два типа: активные АФАР и пассивные ПФАР. Снаружи они могут выглядеть почти одинаково, но внутри устроены по-разному, а выбор конструкции влияет на возможности всего радара.
Как фазированная антенная решётка поворачивает луч без движения антенны
У обычного радиолокатора с механическим сканированием направление обзора меняется при повороте антенны. Фазированная решётка работает иначе. Её поверхность состоит из множества небольших излучателей, которые совместно формируют направленный радиолокационный луч.
Каждый излучатель создаёт радиоволну. Эти волны складываются в пространстве: в одних направлениях усиливают друг друга, в других частично гасят. В результате большая часть излучаемой энергии концентрируется в выбранном направлении.
Чтобы изменить направление луча, электроника меняет фазу сигнала на разных элементах антенны. Фаза показывает положение волны в её периодическом колебании. Если изменить соотношение фаз между соседними излучателями, направление максимального усиления переместится.
Такой принцип называют электронным сканированием. Он используется и в АФАР, и в ПФАР.
Управление лучом даёт несколько возможностей:
- Быстрое переключение направления. Радар может переводить луч между разными участками пространства без механического поворота антенны.
- Гибкий порядок обзора. Электроника сама выбирает, какие участки просматривать и в какой последовательности.
- Чередование режимов. РЛС может переключаться между поиском объектов и уточнением их положения.
- Работа без постоянного движения антенны. Механическим узлам не приходится выполнять каждое изменение направления луча.
У электронного сканирования есть ограничение: плоская антенна не может одинаково эффективно направлять луч во все стороны. При большом отклонении от центрального направления характеристики ухудшаются. Для кругового обзора используют несколько антенных полотен, вращающиеся установки или сочетание электронного и механического сканирования.
Как устроена ПФАР и зачем ей общий передатчик
ПФАР расшифровывается как пассивная фазированная антенная решётка. Слово пассивная относится к устройству самой антенны. Радар с ПФАР излучает радиоволны, принимает отражённые сигналы и определяет положение объектов точно так же, как другие активные радиолокационные станции.
В типичной ПФАР радиосигнал создаёт один мощный передатчик. Затем специальная распределительная система направляет его к множеству излучающих элементов антенны.
Между передатчиком и излучателями находятся фазовращатели. Они меняют фазу проходящего сигнала, чтобы сформировать луч нужного направления.
Основные части такой системы:
- Общий передатчик. Генерирует и усиливает радиочастотный сигнал.
- Распределительная сеть. Передаёт энергию к элементам антенной решётки.
- Фазовращатели. Управляют фазой сигнала на отдельных элементах или их группах.
- Приёмный тракт. Обрабатывает отражённые радиоволны, поступающие через антенну.
Похожим образом устроены многие радиолокаторы, разработанные ещё во второй половине XX века. Электронное сканирование позволило им быстро менять направление обзора без постоянного поворота антенны. Например, американская корабельная РЛС AN/SPY-1 использует ПФАР и может одновременно сопровождать множество объектов.
Слабое место такой конструкции связано с общим трактом передачи. Радиочастотная энергия проходит через распределительные элементы и фазовращатели, где возникают потери. Кроме того, серьёзная неисправность центрального передатчика может вывести из работы большую часть радиолокатора.
При этом ПФАР не требует размещать полноценный передающий усилитель за каждым излучателем. Для некоторых конструкций такая схема позволяет сократить количество сложных электронных компонентов непосредственно в антенне.
Как работает АФАР и что делают приёмопередающие модули
АФАР, или активная фазированная антенная решётка, устроена по другому принципу. Вместо одного мощного передатчика в ней используют множество небольших приёмопередающих модулей, расположенных непосредственно за антенной.
Каждый модуль обслуживает свой излучатель или небольшую группу элементов. Внутри находятся электронные компоненты, которые усиливают передаваемый сигнал, принимают слабое отражение и управляют его фазой.
Приёмопередающий модуль часто обозначают английской аббревиатурой TRM, от Transmit/Receive Module. В типичной конструкции он содержит:
- Усилитель мощности. Повышает мощность радиосигнала перед излучением.
- Малошумящий усилитель. Усиливает слабые сигналы, пришедшие от антенны, добавляя как можно меньше собственных шумов.
- Фазовращатель. Меняет фазу сигнала для управления направлением луча.
- Переключающие и защитные элементы. Обеспечивают работу передающего и приёмного трактов.
- Управляющую электронику. Настраивает модуль и помогает контролировать его состояние.
Устройство таких компонентов подробно разобрано в техническом справочнике Radartutorial.
В авиационных и других крупных радарах количество модулей может исчисляться сотнями или тысячами. Все они работают согласованно. Излучаемые волны складываются и формируют общий направленный луч, а принимаемые сигналы передаются в систему обработки.
Усилители находятся близко к антенным элементам, поэтому на пути радиосигнала меньше потерь в длинных распределительных цепях. Особенно полезно такое расположение для приёма слабых отражений: малошумящий усилитель работает рядом с излучателем.
Для производства модулей используют разные полупроводниковые технологии. Среди них арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN). Последний позволяет создавать усилители, работающие при высоких напряжениях и с высокой удельной мощностью. Это помогает уменьшать размеры некоторых компонентов и повышать эффективность электроники.
В материалах NI описано, как развитие усилителей на нитриде галлия влияет на конструкцию современных активных решёток. Но характеристики готового радара зависят не только от полупроводников: важны вся антенна, питание, охлаждение и обработка сигнала.
Чем АФАР отличается от ПФАР на практике
Оба типа решёток умеют быстро направлять луч и сопровождать несколько объектов. Главное различие связано с тем, как радиолокатор создаёт, распределяет и принимает радиосигнал.
| Параметр | ПФАР | АФАР |
|---|---|---|
| Источник мощности | Обычно общий мощный передатчик | Множество небольших усилителей |
| Управление лучом | Электронное | Электронное |
| Приём сигнала | Через общую распределительную систему | Приёмные усилители находятся возле элементов антенны |
| Работа с несколькими лучами | Зависит от архитектуры, обычно менее гибкая | Больше возможностей при соответствующей конструкции |
| Отказ отдельных компонентов | Серьёзная неисправность общего тракта может остановить работу РЛС | Отказ части модулей обычно приводит к постепенному ухудшению характеристик |
| Охлаждение | Отвод тепла от мощного передатчика и других узлов | Отвод тепла от множества модулей в антенне |
| Стоимость | Зависит от конструкции, часто дешевле при сопоставимом назначении | Сложное производство и большое количество модулей |
Одно из преимуществ современной АФАР связано с гибкостью радиолокатора. Электроника может быстро менять параметры передаваемых сигналов и распределять работу между разными участками антенной решётки.
В некоторых конструкциях это позволяет формировать несколько независимых лучей. Но наличие АФАР само по себе не гарантирует многолучевую работу. Такая возможность зависит от схемы управления модулями, приёмных каналов и вычислительной аппаратуры.
То же относится к цифровому формированию луча. Обработка сигналов может происходить на разных уровнях: от общих аналоговых цепей до отдельных цифровых каналов. Активная решётка хорошо подходит для гибкой обработки, но степень цифровизации определяет конструкция конкретного радара.
Поэтому две РЛС с АФАР могут заметно различаться по возможностям, даже если у них примерно одинаковый размер антенного полотна.
Что надёжнее: АФАР или ПФАР
У активной решётки есть важное конструктивное преимущество: работа антенны распределена между множеством модулей. Если один из них выйдет из строя, остальные обычно продолжат работать.
При этом характеристики могут ухудшиться. Излучаемая мощность и качество формирования луча зависят от состояния модулей, поэтому накопление неисправностей влияет на возможности всей антенны.
Такое поведение называют постепенным ухудшением характеристик, или graceful degradation. Производитель электроники Honeywell относит устойчивость к отказам отдельных элементов к преимуществам своих активных решёток.
Но у АФАР остаются общие системы: питание, охлаждение, вычислительные блоки и управляющая электроника. Неисправность одного из этих узлов может затронуть всю РЛС. Поэтому модульная конструкция антенны не означает, что радар способен работать при любой поломке.
У ПФАР основное внимание при обслуживании приходится уделять общему передающему оборудованию, распределительной сети и фазовращателям. Сама конструкция хорошо освоена, а отдельные РЛС с ПФАР эксплуатируются десятилетиями.
Для новых активных решёток сложнее устроено охлаждение. Каждый приёмопередающий модуль выделяет тепло, а большое количество модулей размещено очень плотно. Чтобы электроника не перегревалась, используют воздушное или жидкостное охлаждение.
В авиационных радарах это особенно важно. Системе приходится работать внутри ограниченного пространства носового обтекателя, где нужно разместить антенну, кабели, охлаждение и другое оборудование.
К стоимости добавляются изготовление полупроводниковых компонентов, сборка модулей, их проверка и настройка всей решётки. При этом высокая начальная цена не обязательно означает столь же высокие расходы на обслуживание: многое зависит от надёжности электроники и организации ремонта.
Какая решётка лучше для современного военного радара
Для новых многофункциональных радиолокаторов АФАР часто выбирают из-за гибкого управления сигналами, меньших потерь в приёмном тракте и устойчивости антенны к отказам отдельных модулей. Но эти преимущества не позволяют автоматически считать любую АФАР более дальнобойной или точной, чем любую ПФАР.
Дальность обнаружения зависит от целого набора характеристик:
- размеров и формы антенной решётки;
- рабочего диапазона частот;
- излучаемой мощности и чувствительности приёмника;
- параметров радиолокационных сигналов;
- качества обработки отражений;
- размеров, формы и ракурса наблюдаемого объекта.
Например, большая ПФАР с мощным передатчиком может иметь более высокую дальность обнаружения определённого объекта, чем компактная АФАР другого класса. Но из одного такого сравнения нельзя сделать вывод о качестве всей радиолокационной системы.
Это хорошо видно на реальных примерах. На истребителе Су-30МКИ используется радар Н011М Барс с ПФАР. На Gripen E установлен Raven ES-05 с АФАР. Оба радиолокатора умеют обнаруживать и сопровождать воздушные объекты, но отличаются устройством передающей и приёмной аппаратуры.
У Raven ES-05 есть ещё одна особенность: его антенна установлена на подвижном механизме. Электронное сканирование сочетается с механическим изменением положения всего антенного полотна. Так инженеры расширили доступный сектор обзора, сохранив преимущества активной решётки.
Встречаются и крупные корабельные АФАР, которым для кругового обзора не нужно вращаться. Несколько неподвижных антенных полотен устанавливают по разным сторонам надстройки, чтобы они вместе охватывали окружающее пространство. При этом идея нескольких полотен не связана исключительно с АФАР: аналогичная схема применялась и в корабельных ПФАР.
Для выбора радара важна не только антенна. ПФАР остаётся рабочим решением, особенно в уже существующих комплексах с подходящими характеристиками. АФАР даёт инженерам больше возможностей для создания новых многофункциональных РЛС, но требует сложной электроники, питания и охлаждения.
Вопросы и ответы
Что такое АФАР в радаре?
АФАР - активная фазированная антенная решётка. В ней радиочастотную мощность создают многочисленные приёмопередающие модули, расположенные непосредственно в антенне. Направление луча меняется электронным способом.
Что такое ПФАР?
ПФАР - пассивная фазированная антенная решётка. В типичной конструкции она использует общий мощный передатчик, распределительную систему и фазовращатели для управления направлением радиолокационного луча.
Чем отличается АФАР от ПФАР?
Основное различие заключается в устройстве передающей и приёмной электроники. ПФАР обычно использует общий передатчик, а в АФАР усилители распределены между многочисленными приёмопередающими модулями.
Какая РЛС лучше: АФАР или ПФАР?
АФАР обычно обеспечивает более гибкое управление сигналами и лучше переносит отказ отдельных антенных модулей. Но дальность, точность и другие характеристики зависят от конструкции всей РЛС. Хорошая ПФАР может превосходить отдельные АФАР по некоторым параметрам.
Может ли ПФАР сопровождать несколько целей одновременно?
Да. ПФАР способна быстро переключать направление луча и сопровождать множество объектов. Количество одновременно сопровождаемых целей зависит от радара и его системы обработки сигналов.
Зачем АФАР нужны приёмопередающие модули?
Они усиливают передаваемые сигналы, принимают слабые отражения и управляют фазой радиоволн. Модули находятся непосредственно возле антенных элементов, что уменьшает потери в радиочастотных цепях.
Почему АФАР дороже ПФАР?
АФАР содержит большое количество сложных полупроводниковых модулей, для которых требуются точная сборка, настройка и охлаждение. Однако конечная стоимость зависит от размеров, серии производства и конструкции конкретной системы.
