Активная фазированная антенная решётка

Активная фазированная антенная решётка (АФАР) — разновидность фазированой антенной решётки (ФАР).

РЛС Н050 с АФАР для ПАК ФА представленная НИИП на МАКС-2009

AN/APG-77 — радиолокационная станция истребителя F-22

АФАР в предкрылке. МАКС-2009

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 киловатт 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

• Жук-А(Э) (МиГ-35)
• Н050 (на стадии разработки) (ПАК ФА)
• AN/APG-63(V)2/3 (F-15 C/E)
• AN/APG-79 (F/A-18E/F)
• AN/APG-80 (F-16 Block 60)
• AN/APG-77 (F-22)
• AN/APG-81 (F-35)
• AN/APQ-181 (B-2 Spirit)
• Northrop Grumman SABR (General Dynamics F-16 Fighting Falcon)
• EL/M-2052 (F-15, МиГ-29, Mirage 2000)
• AMSAR (Eurofighter Typhoon, Rafale)
• CAESAR (Eurofighter Typhoon)
• J/APG-1 (Mitsubishi F-2)

См. также

• Цифровая антенная решётка