Ghjcnj ybrnj, Виталий Каберник и Игорь Галабурда
Это третья часть статьи. Пожалуйста, сначала прочитайте первые две. Иначе будет непонятно. Ссылки на них внизу.
Рисунок показывает очень упрощённо развитие основных классов радаров.
Применение непрерывных сигналов для работы с фазированными антенными решетками было бы чрезвычайно сложно, так как в непрерывной локации происходят одновременные передача и приём и нужны для этого отдельно передающая и приёмная антенны и экран между ними. В основном все радары с ФАР квазинепрерывные (см. рисунок в Классический… )
Итак на канале уже описаны: Азы радиолокации __ Импульсный радар, Непрерывный радар ___ ФАР пассивная и активная.
Мы всё ближе подбираемся к рассказу о РОФАР, но сначала нужно разобраться с её предшественницей - цифровой антенной решёткой. В этой статье мы говорим о ЦАР, а про РОФАР в следующей.
Как устроена цифровая антенная решётка или просто ЦАР?
Структурная схема цифровой антенной решетки.
Структурная схема радара с цифровой антенной решёткой содержит два элемента, отличающих её от других. Цифро-аналоговый (ЦАП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. Читателям совсем далёким от электроники поясним:
- АЦП предназначен для того, чтобы плавно меняющиеся на его входе сигналы представлять в виде чисел на его выходе. Для того, чтобы числа не сливались в непрерывный поток цифр, используются «пробелы» - тактовые импульсы. По каждому тактовому импульсу производится измерение входного сигнала, и на выход АЦП выставляются результаты этого измерения в виде двоичного числа. Такие числа называются «кванты», а частота их появления – «частота квантования, или дискретизации». Эти двоичные числа можно передать, например, компьютеру или какому-то процессору, и он займётся их обработкой. Такие же преобразования производятся в вашем смартфоне, звуковой карте, цифровом термометре и т.п.
- ЦАП служит для обратного преобразования двоичного числа на входе в выходное напряжение. Если числа идут одно за другим, то на выходе мы получим колебания этого напряжения. Это может быть, например, звуковой сигнал. Такие преобразования происходят опять же в смартфоне, звуковой карте и т.п
Именно появление СВЧ АЦП-ЦАП позволило создать цифровые антенные решётки. Причём речь идёт о появлении этих устройств не в виде плат с дискретными элементами — это было бы не очень сложно, а виде чипа. Такие чипы являются одной из вершин электроники. Представьте себе – в Вашем компьютере для звука, имеющего частоту до 20 000 Гц (20 кГц), используется частота квантования вдвое больше – 44.1 кГц, это требования теоремы Котельникова, математической основы преобразований. Чем выше частота и разрядность квантования, тем выше качество звука. А теперь возьмём радиолокационный сигнал X-диапазона. Его частота 8-12 гигагерц, то есть 8 000 000 000 – 12 000 000 000 Гц (длины волн от 3,75 до 2,5 см). Для наглядности мы не поленились прописать все эти нули. Значит частоты квантования для оцифровки этого сигнала должны быть ещё выше. Задача создания таких преобразователей очень сложна.
Российская промышленность выпускает ряд микросхем для построения радаров, например двухканальный цифровой синтезатор частот 1508ПЛ8Т, четырёхканальный приемник 1288ХК1Т.
Российские микросхемы для построения цифровых антенн
Правда именно эти микросхемы не самые высокочастотные – всего 1ГГц частота дискретизации. Но поскольку мы всё равно никому не скажем, где партизаны, мы не можем показать те компоненты, которые стоят в БРЛС Су-57 и других наших новейших изделий. Вероятный противник освоил частоты до 60 ГГц. Хочется надеяться, что мы где-то рядом.
Именно вот эти процессы формирования зондирующего сигнала из цифрового кода, и преобразования эхо-сигнала в цифровой код и дают радарам с цифровыми антенными решётками преимущества перед радарами с «простыми» ПФАР И АФАР.
Вот эти преимущества:
1. Способ формирования зондирующего сигнала (ЗС) - из цифрового кода, индивидуального для каждого модуля, рассчитанного специальным вычислителем. Такой код содержит в себе и амплитудные, и фазовые, и временные характеристики сигнала. Цифроаналоговый преобразователь восстанавливает аналоговую форму (а это не огибающая импульса, а колебания) и подаёт сразу на усилитель мощности и далее в антенну. То есть в таком модуле просто не нужны аттенюаторы и фазовращатели. Не только исчезает их вес, но и упрощается система охлаждения, и здесь тоже уменьшение веса.
2. Оцифровка эхо-сигнала происходит непосредственно в каждом модуле. Приёмный тракт, такого рода, как в импульсном или непрерывном локаторах, просто отсутствует! Каждым ППМ принимается один цифровой поток и отправляется другой. Нет потерь мощности в волноводах и кабелях.
3. Наработка на отказ для обычной ПФАР с единственным, но мощным, передатчиком составляет 60-300 часов, а то же для ЦАР порядка 1000 часов. Выход из строя мощного электровакуумного прибора передатчика означает полную неработоспособность АФАР, а ЦАР даже при потере 10% ППМ сохраняет работоспособность.
4. Режим LPI. По мнению подхрюкивателей этот режим – приговор нашим ВКС. Ниже покажем, что это не так.
Первая авиационная ЦАР была установлена на бомбардировщике B-1B в составе радара AN/APQ-164. Из истребителей первым получил её японский истребитель Мицубиси F-2 – японская модернизация F-16. Мало того! Японцы втиснули AESA (ЦАР) в переделанный американский «Воробей» - ракету ААМ-4 на базе AIM-7 Sparrow. В США ЦАР установили на F-22 Raptor в БРЛС AN/APG-77. На F-35 стоит её модернизированная, но ослабленная версия AN/APG-81. Благодаря введённому режиму синтезированной апертуры, она приобрела хорошие возможности при работе по земле. Достигнуто разрешение 30см. В России цифровая АФАР впервые была установлена на истребителе Су-57, а на земле в РЛК 55Ж6М Небо, причём во всех используемых ей диапазонах – сантиметровом, дециметровом и метровом. Но надо признать, мы не были первыми. Наши проектировщики не имели в своём распоряжении нужной элементной базы. Если с СВЧ транзисторами на арсениде галлия ещё что-то было, то с цифро-аналоговыми и аналого-цифровыми преобразователями этого диапазона тридцать лет назад вопрос был нерешаемым. Поэтому прототипы этой станции имели активные, но не цифровые решётки. Сейчас, судя по тому, что вовсю говорят о радиооптической ФАР для Су-57, отставание ликвидировано.
Цифровая антенная решётка состоит из нескольких сотен, а то и тысяч приёмно-передающих модулей и связанных с ними элементарных антенн. Например, в антенне истребителя F-35 их 1676, а истребителя F-22 – 1956.
Цифровая антенная решетка БРЛС AN/APG-77 истребителя F-22
Цифровая антенная решетка БРЛС AN/APG-81 истребителя F-35
В качестве элементарных антенн используются «излучатели Вивальди». Они широко используются в фазированных антенных решётках, и не только военных, благодаря своей высокой технологичности.
Излучатели Вивальди
В боевых антеннах металлический слой (серебро или медь) нанесён не на текстолит, а на групповую керамическую подложку, а затем покрыт непрозрачным лаком, потому излучатели выглядят одной деталью. Каждый излучатель запитан от своего выхода группового приёмо-передающего модуля.
6-канальный приёмо-передающий модуль (ППМ по-нашему, TRM по англ.). БРЛС AN/APG-81 истребителя F-35
Модули установлены с обратной стороны полотна. Линии СВЧ связи от каждого модуля до излучателя минимальны, и длина каждой учитывается для точной фазировки. Арсенид-галлиевые СВЧ транзисторы могут обеспечить КПД только в 45%, модули греются значительно, воздушная система охлаждения не может снять с них излишки тепла, поэтому они изготавливаются в герметичных корпусах и погружаются в энергично прокачиваемую жидкость наподобие антифриза, но значительно более эффективную.
Вот один из первых ППМ для отечественной БРЛС с АФАР
Четырёхканальный приёмо-передающий модуль для российской БРЛС Н-010 ЖУК-АЕ. Предназначена для установки на истребитель МиГ-35. Фото 2006 года. Хочется надеяться, что за прошедшие годы замена американской микросхеме Altera EPLD, используемой в качестве элемента логики управления, создана. Зря что ли санкции вводили?
А на фото ниже представлен радиолокационный комплекс 55Ж6М. Фазированные антенные решетки всех модулей цифровые. Первая российская РЛС с цифровыми ФАР. Прототип появился на полигоне в далёком 1992-м.
Радиолокационный комплекс 55Ж6М Небо-М. Дальность обнаружения 600км
В следующей части мы расскажем о главной «фишке» цифровых антенных решёток – использовании режима малой заметности радара, режима LPI. Споры об этом режиме, как и споры о технологии стелс, частью которой он является только чуть-чуть уступают по накалу вечному бою «могликов» и «немогликов». Злопыхатели утверждают, что российским ВКС нечего ему противопоставить. Так ли это?
Пока в работе. Но уже скоро.
Начало этой статьи находится здесь
Но ей предшествовали два цикла статей:
Как устроен и работает радар. Радиолокация для самых маленьких.
Как устроен и работает радар. Классический импульсный
ФАР простыми словами и с анимашками