Фазированная антенная решётка

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

(Перенаправлено с ФАР)

Текущая версия (не проверялась)

Перейти к: навигация, поиск

Огромная наземная ФАР системы предупреждения о ракетном нападении на Аляске, США

Система управления вооружением современного истребителя

Фазированная антенная решётка в волновой теории — группа антенных излучателей, в которых относительная фазировка сигналов этих излучателей изменяется комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.

Установка защитного колпака на ФАР

[править] Введение

Щелевая плоская решётка — антенна СВЧ-диапазона, которая использует сотни или тысячи крошечных щелей, где каждая из которых действует как элементарный излучатель.

Сложная сеть волноводов и элементов задержки, скрытых позади антенны, выстраивает времена прибытия СВЧ-сигналов таким способом, что в диаграмме направленности антенны появляется очень узкий (< 5-10°) главный лепесток, и очень маленькие боковые лепестки. Как и в обычном радаре, передатчик использует большой микроволновый усилитель на лампе бегущей волны, который подаёт очень мощный микроволновый сигнал в антенну. В противоположном направлении, элементы щелей/волноводов/задержки подают сигнал в приёмник, который потом в свою очередь подаёт в обычное pulse Doppler сигнал обрабатывающие устройство. Это первое семейство микроволновых антенн, показавшее огранниченные возможности применения принципов фазированных решеток. Обычно они используются для нахождения высоты цели.

Фазированные решётки являются усовершенствованием плоских решеток. В плоских решетках луч имеет постоянное направление и форму, так как фазы микроволн, подаваемых в такое множество, постояны. Однако, если фазы могут быть изменены, то и форма луча и его направление может быть изменено. Реализуя это с помощью электроники, форма и направление луча может быть изменено в очень короткое время (доли секунды).

Само собой разумеется, это может быть сложной задачей, потому что несколько сотен или тысяч элементов решетки должны быть рассчитаны одновременно. Ключевым элементом в построении такого множества является программируемый изменитель фаз (или более разговорно, «шифтер»), устройство, которое может изменить фазу (то есть задержку времени) микроволн, проходящих через него при электронном управлении цифровым компьютером. Используя компьютер, чтобы управлять шифтерами, вся решетка становится в результате антенной с программируемой формой луча и его направлением.

До конца восьмидесятых создание такой системы требовало применения большого количества устройств, из-за чего фазированные решётки, полностью управляемые электроникой, использовались, главным образом, в больших стационарных радарах, типа массивного BMEWS (Ballistic Missile Warning Radar) и несколько меньшего американского морского радара противовоздушной обороны SPY-1 Aegis, установленного на крейсерах класса Ticonderoga и позже на противолодочных кораблях Arleigh Burke. Единственными известными применениями на самолётах был большой радар Flash Dance, установленный на советском перехватчике МиГ-31 Foxhound, и радар нападения на Rockwell B-1B Lancer. В текущий момент применяется в Су-35.

Такие радары не устанавливались на самолётах главным образом из-за их большого веса, поскольку первое поколение технологии фазированных решёток использовало обычную радарную архитектуру. В то время как антенна изменилась, все остальное ещё оставалось прежним, но были добавлены дополнительные компьютеры, чтобы управлять шифтерами антенны. Это привело к более тяжёлой антенне, дополнительным компьютерам, и дополнительной нагрузке в электрической системе, которая нуждалась в больших дополнительных генераторах тока.

Выгоды применения фазированных решёток, однако, оправдывали дополнительную стоимость. Фазированные решетки могли в единственной антенне делать работу нескольких антенн, почти одновременно. Широкие лучи могли использоваться для поиска, узкие лучи для сопровождения, плоские лучи в форме веера для определения высоты, узкие направленные лучи для полёта по ландшафту (B-1B). Во враждебной зоне глушения выгоды были еще больше, поскольку фазированные решётки позволяют системе размещать «ноль», область нулевой чувствительности приёмника, на волне глушения и таким образом блокировать ее от попадания в приёмник. Другая выгода, хотя и маленькая, — то, что нет больше потребности механически поворачивать антенну в направлении цели. Обычно многосторонняя антенна могла обеспечить охват в 360 градусов, неподвижными антеннами, охватывающими все направления сразу.

Эта технология также предоставляла менее очевидные выгоды. Одна могла быстро обыскать маленький участок неба, чтобы увеличить вероятность обнаружения маленькой и мимолетной цели, в отличие от медленно вращающейся антенны, которая может обыскать специфический сектор только однажды за оборот, типично через секунды. Маленькую цель, например, низко летящую крылатую ракету почти невозможно заметить при таких условиях. Способность фазированной решётки к почти мгновенному изменению направления и формы луча фактически добавляют целое новое измерение к сопровождению целей, поскольку разные цели могут быть отслежены разными лучами, каждый из которых переплетаются вовремя с периодически обыскивающим лучом обзора. Например, луч обзора может охватывать 360 градусов периодически, тогда как сопровождающие лучи могут следить за индивидуальными целями независимо от того, куда в это время направлен луч обзора.

Фазированные решётки, как и все проекты, имеют и ограничения. Основное ограничение -— диапазон углов, на которые луч может быть отклонён. Практически, предел составляет 45 -— 60 градусов от вертикальной плоскости антенны. Отклонение луча на большие углы значительно ухудшает работу антенны. Это объясняется двумя эффектами. Первый из них -— уменьшение эффективной длины (ширины) антенны с ростом угла отклонения луча. В свою очередь, сокращение длины решётки в сочетании со снижением коэффициента усиления антенны уменьшает способность обнаружения цели на расстоянии.

Второй эффект менее очевиден и вызван видом излучения выбранных элементов, щелей, которые излучают меньше с увеличением угла по вертикали, таким образом сокращая передающую энергию и чувствительность. В результате, при предельных значениях углов луч существенно ослаблен и дефокусирован. Это сокращение столь существенно, что в типичной ситуации составляет сокращение усиления антенны, и следовательно излученной мощности и чувствительности до 25% при 60 градусах от вертикали.