Интересно начать с Часть 1 Часть 2 Часть 3
Большинство авторов Дзена, написавших про ФАР, иллюстрировали свои статьи фото радаров истребителей. Как будто это единственное применение. Я хочу уйти от шаблона. Покажу кое-что другое.
Мне предъявлены претензии в комментариях, что я не сказал, что таких излучателей, которые я нарисовал в 1-й и 2-й частях, должно быть много. И тогда из них можно собрать решётку. Исправляюсь. И оспорю. Как говорится – по деньгам.
Можно собрать вот такую ФАР, если Вы опираетесь на военный бюджет США.
Антенна AWACS. Это антенна самолёта E-3 Sentry AWACS (про него можно почитать здесь)
Антенна пассивная, включает около 6500 волноводно-щелевых излучателей и 28 фазовращателей.
Или вот такую, если всё на свои кровные.
Фазированная антенная решётка из двух антенн «вертикальный Moxon». Построена радиолюбителями: Владислав Щербаков (RU3ARJ), Сергей Филиппов (RW3ACQ), Юрий Золотов (UA3HR). Она не обладает возможностью быстрой перестройки диаграммы (пять минут, по словам авторов), тем не менее это настоящая ФАР.
Это было лирическое отступление. Вернёмся к главной линии.
Что является преимуществом ФАР? Часто говорят – отсутствие механического привода и, как следствие меньшие габариты и вес.
Нет, главное в ФАР - возможность электронного сканирования. Возможность сформировать луч или несколько лучей любой формы и быстро перебрасывать их в нужное направление. Для АФАР ещё и возможность получить намного бОльшую мощность с той же площади антенны – нет опасности пробоя волноводов, при подведении большой энергии от единого мощного передатчика.
Ну а насчет отсутствия привода не факт. Кажется, привод иногда бывает
ЗРК Панцирь-С1. Вращается ФАР (два полотна) радара обнаружения целей 1РС1-1Е дециметрового диапазона. Вращаются ФАР ЗРК С-400.
И в АВАКС антенна вращается вместе с обтекателем
Дело в том, что неподвижная антенна ФАР не может обеспечить круговой обзор. Одно полотно антенны работает в секторе 90-120 градусов, иногда 150, но уже с потерей качества по краям сектора – чувствительности, точности. Поэтому приходится либо вращать её, например, как антенну АВАКСа.
«Гриб» (ротодом) самолёта E-3C АВАКС с ФАР на обслуживании. На рисунке видно, что антенна в обтекателе «смотрит» только в одну сторону. Слева за антенной отсек оборудования. Всё это сооружение после установки на самолёт будет вращаться.
Либо ставить отдельное полотно на каждый сектор 90 или 120 градусов. Поэтому, например, С300/400 может одновременно сопровождать и обстреливать цели только в секторе, а для переноса огня, на другие цели антенна должна быть повёрнута. Так и обеспечивается круговой обстрел. Апологетам американского ЗРК Patriot отставить радоваться – у него точно такие же проблемы.
Но можно построить и ФАР не просто на плоскости, а на сложной поверхности или в объёме, с различными промежутками между элементами. Вот, например, антенна одного из вариантов разрабатываемого ЗРК 42С6 Морфей.
А насчет меньших габаритов – «не всё так однозначно» (С) Дочь офицера.
Размеры антенны диктуются в первую очередь длиной волны. РЛС, применяющиеся для подсветки целей и наведения ракет истребителем или ЗРК, просто обязаны работать на очень коротких – сантиметровых или даже миллиметровых волнах. При длине волны, скажем, 10см или более, практически было бы невозможно сделать антенну ГСН приемлемых размеров для диаметра корпуса ракеты 20-30см. Будь то зеркальная антенна или ФАР.
Но любой огородник знает – тазом дождевой воды соберёшь больше, чем ведром. То же и с антенной. Если есть возможность сделать антенну с большой площадью, то это и делают. Чем больше антенна, тем точнее она сформирует свою диаграмму направленности (луч, грубо говоря), сделает её более узкой. Для приема - чем с большей площади антенна соберёт энергию (как таз дождевую воду), тем чувствительнее будет система. При этом она и меньше соберёт засветок – помех с ненужных направлений. Чем больше ФАР, тем меньше боковые и задний лепестки ДН. Для излучения сигнала это будет, как в примере с ручным фонариком, если сделать его луч широким, то он не будет «бить» далеко, а если сузить, то как раз наоборот.
«Малогабаритная» ПФАР радара AN/SPY-1 для МСУО Иджис. Диапазон 8,5-9,5см. 4350 элементов, мощность в импульсе 1МВт на антенну. В основном эта система смонтирована на эсминцах класса Арли Бёрк. Но есть и на крейсерах, и на фрегатах. От трёх до четырёх антенн на корабле.
Про Иджис рекомендую почитать здесь . Там же можно скачать уникальную структурную схему Иджис на русском языке.
Для ФАР большие размеры дают и дополнительные специфические преимущества. Благодаря большему количеству элементов, неважно активных или пассивных, появляется возможность выделить часть их для формирования одного луча, а часть для другого. Причём лучи могут иметь разную форму, их может быть несколько. Какие-то подсвечивают цели для ракет, какие-то производят обзор пространства и тому подобное. В активных ФАР большее количество передающих модулей позволяет решить проблему ограничения мощности из-за опасности «пробоя» в волноводах.
Вот, например, РЛС Дон-2Н в составе системы А-135 ПРО Москвы. Несмотря на достаточно короткую волну -7.5см, её антенны имеют огромные размеры.
Диаметр активной приёмной антенны -18м, размер активной передающей 10х10м. Так ведь и мощность неигрушечная - 2.7МВт средняя, 250МВт импульсная. Хотя во всех источниках пишут «мощность в импульсе», но наличие радионожа между передающей и приёмной антеннами однозначно говорит о непрерывном режиме и допплеровской обработке сигнала. Возможно, о квазинепрерывном режиме. Нужно спросить у американцев, для них это не секрет.
Передающая антенна РЛС Дон-2Н.
Такую чудовищную мощность обеспечивают 72 передающих модуля, число излучателей около 60 000 на антенну. Вот как выглядит передающая антенна при взгляде изнутри – из зала передающей секции. Таких секций 4 – на каждой стороне здания.
В левой части снимка модуль, извлечённый из массива загрузочной машиной. Его размеры приблизительно 1х1х8м, вес 3 тонны. Справа настроенные, проверенные запасные модули. Ниже модулей видны синие трубы подачи охлаждающей воды. Впечатляет плотность монтажа. По логике, когда модуль вдвигается на место, соединяются быстрые разъёмы всех коммуникаций – кабели подачи энергии, управления, сигнала, водяные трубы и воздуховоды. Но, самое главное - соединяются волноводные системы модуля и излучателей, а последних более 800 для каждого модуля.
РЛС Дон-2Н имеет дальность обнаружения боеголовки МБР – 3 700км, более крупных целей до 40 000км. Это единственная РЛС в мире, обнаружившая на сравнительных с американскими станциями испытаниях металлический шар диаметром 5см на дальности около 2000км.
Помимо огромной мощности и чувствительности наличие десятков тысяч элементов в приёмной и передающей ФАР даёт возможность РЛС одновременно сопровождать более ста баллистических целей и наводить по разным данным 30-40 противоракет. И это с учётом того, что каждая атакующая МБР создаёт до миллиона(!!!) ложных целей. Здесь без возможности использования множества лучей не обойтись. Нужно найти реальные боеголовки в этой куче мусора. Одним из важнейших критериев выделения является торможение ложных целей воздухом, это даёт ещё одно основание считать, что применяется доплеровская обработка сигналов. Управление антеннами (а их четыре пары – с каждой стороны пирамиды), противоракетами, сопровождение и селекция истинных целей осуществляется суперкомпьютером Эльбрус-2.
Суперкомпьютер Эльбрус-2. Здесь 10 процессоров, каждый процессор занимает 3 шкафа.
Работает на чудовищной частоте аж 20МГц, но не смейте смеяться, свои задачи он решает так, что никакой самый продвинутый и разогнанный игровой комп даже и рядом не стоит.
Конструктор этого суперкомпьютера Владимир Пентковский уже в 1989 году начал сотрудничать с Intel в рамках программ по обмену опытом. А с 1993 стал одним из её ведущих разработчиков. Он принимал участие в разработке процессоров Pentium III, Core 2 Duo. При проектировании серверного процессора Pentium Pro он был главным архитектором. А вы говорите…
Но Дон-2Н имеет всё же не самую большую в мире фазированную антенную решётку. Как Вам, например, такая
Пущинская Радиоастрономическая Обсерватория. Диапазонный крестообразный радиотелескоп ДКР-1000. Антенна Восток-Запад.
37 20м мачт с 40м с параболическими фермами, между которыми натянуты проводники. Получается зеркало – параболический цилиндр. Общая длина 1000м. Работает в диапазоне 2.5-10м. Самая настоящая фазированная антенная решётка. Правда, никто её так не называет, но она формирует свой луч именно методами, применяемыми для ФАР. При этом по склонению (угол между плоскостью небесного экватора и осью Y параболического цилиндра) диаграмма направленности управляется с помощью 37-ми электромоторов, работающих согласованно, а по «прямому восхождению», как изящно выражаются астрономы, применяется электрическое сканирование, частотно-временное с использованием диффракционных максимумов, т.е более замысловато, чем в военных ФАР. Таким образом, луч радиотелескопа отклоняется на +- 0,2 часа (для простых смертных +-3 градуса) от плоскости меридиана. Именно с помощью этого радиотелескопа был определён истинный диаметр Солнца.
Проволоки, образующие полотно антенны. В лихие 90-е над телескопом поработали охотники за цветным металлом, в результате антенна Север-Юг пришла в нерабочее состояние. Но антенна Восток-Запад работает. Сейчас с помощью ДКР-1000 исследуют пульсары.
В Пущинской обсерватории есть и другой большой радиотелескоп: БСА-1 ФИАН.
Кто догадается, что это поле с проволоками на столбиках самый чувствительный в мире радиотелескоп в диапазоне 3м? Кто догадается, что это фазированная антенная решётка с 16 384 элементами? Телескоп имеет размеры 192х384м, это 7.5га. Антенна формирует 128 лучей одновременно!
Так! Утверждение, что фазированные антенные решётки всегда малогабаритные, я опроверг? Поворачиваем доску, сыграю чёрными.
Самый маленький в мире модуль c фазированной антенной решёткой выпустила компания Qualcomm.
Модуль QTM052 mmWave для систем связи 5G. Миллиметровый диапазон.
Цитата из сообщения компании: Модули QTM052 содержат радиопередатчик 5G NR, интегральную схему управления питанием (IC), радиочастотные интерфейсные компоненты и фазированную антенную решетку, а также поддержку модема Qualcomm® Snapdragon™ X50 5G.
Таких модулей в смартфоне может быть до четырёх. Применение ФАР, позволяет уменьшить влияние рук, близких предметов, отражающих объектов на качество связи. Благодаря этому компания обещает скорость передачи данных 1.4Гбит/с даже в городской застройке. А вне её до 5Гбит/с.
Набирают популярность и модули для построения радаров как, например, плата от компании Macom™.
Модуль SPAR™ Tile
Здесь на плате смонтирована фактически полноценная АФАР с передатчиками, приёмниками, системой управления лучом, излучателями. Каждая вертикальная пластинка является, видимо, щелевым излучателем Вивальди – это один из наиболее часто применяемых типов излучателей в ФАР. Без лака он выглядит вот так
Широкополосный щелевой излучатель Вивальди.
Компания предлагает из таких модулей SPAR™ Tile строить плоские АФАР для РЛС различного назначения: военных, метеорадаров, систем управления воздушным движением.