Ghjcnj ybrnj, Виталий Каберник и Игорь Галабурда
На пути к пониманию принципов устройства РОФАР и модного нынче в среде диванной аналитики – «квантового», как любят в ней говорить, радара, мы разобрались сначала с тем, что такое радар вообще. (см. Как устроен и работает радар, ссылка внизу). Что такое фазированная антенная решетка, мы выяснили в цикле статей «ФАР простыми словами и с анимашками» (ссылка внизу). Цифровая антенная решётка (ЦАР) – ещё один необходимый этап этого пути. Пока мы говорим о военных радарах, хотя ЦАР широко применяются и в гражданской сфере.
В «диванном экспертном сообществе» сложилась ситуация, когда волшебное слово «АФАР» применяется как решающий аргумент в сравнениях любых РЛС. И никакие аргументы уже не воспринимаются. Как в детстве – «А я в домике!». И всё! Хоть ты с пушкой, хоть с палкой – я в домике!
А у него (F-22/35) - АФАР!!! Какие нужны ещё аргументы?! Ясно же – победит всех (С-400, Су-35 и т.д.)!
А я в домике!
Давайте кратко поясним, чем же, собственно, отличаются ПФАР – пассивная фазированная активная решетка – от АФАР (активная решетка) и далее ЦАР.
В ПФАР классической конструкции используется только один мощный передатчик, который излучает только на одной частоте. Полотно излучателей может быстро и точно перебрасывать луч, а лучей может быть несколько, при этом управление фазовращателем и аттенюатором (делителем мощности) на каждом элементе ПФАР можно осуществлять отдельно и формировать различные диаграммы направленности.
Особое мнение И. Галабурда
В данном случае не согласен с моим соавтором, который написал "лучей может быть несколько". ПФАР создаёт только один луч. Невозможно сделать так, чтобы излучатель участвовал в формировании поля с левым от него излучателем и не взаимодействовал с правым. Поля ВСЕХ(!) излучателей в любой конкретный момент складываются по правилам суперпозиции и формируют ОДИН луч. Другое дело, что диаграмма направленности этого луча может иметь максимумы в желательном направлении и минимумы в нежелательном. Это и создаёт представление о том, что лучей несколько. Но физически это один луч. Далее для ПФАР слово ЛУЧ следует понимать условно, как часть общего луча диаграммы направленности.
Стоит понимать, однако, что мощность будет распределяться по лучам, при этом снизится расстояние обнаружения цели каждым лучом. Поэтому, чаще всего, используется один луч. Сканирование лучом происходит во временных интервалах, он, как Фигаро, бегает по разным направлениям в соответствии с заданной циклограммой, и может в одном цикле работы и сканировать пространство, и сопровождать цель, и передавать корректирующие команды на ракету, и еще подсвечивать цель для другой ракеты. Но длительность цикла ограничена, и внутри него, разумеется, можно выполнить только ограниченное количество задач. Работа ПФАР, в большинстве случаев, подобна работе компьютера с последовательной многозадачностью: просто последовательно мечемся от одной задачи к другой, а все остальные при этом ставим на паузу. Теоретически, ПФАР может обеспечить параллельную обработку, но в реальной ситуации эта возможность почти не используется. Вот как выглядят основные варианты структур пассивных антенных решёток.
Структурные схемы пассивных антенных решёток
Пассивная антенная решётка, радиолокатора AN/APY-1/2, установленного на самолетах E-3 Sentry. Включает 28 фазовращателей (по числу строк в антенне). Размер 8.1х1.7м По правому краю картинки видны волноводы. Для неэлектронщиков - это образно говоря "трубы" по которым передаётся СВЧ энергия. От передатчика в антенну или от антенны в приёмник.
Промежуточный тип антенной решетки – АПФАР, активно-пассивная, хотя этот термин не стал устоявшимся. В ней полотно набрано из нескольких модулей ПФАР, и каждый модуль технически может работать независимо от остальных. Фактически это несколько антенн, работающих то на одну, то на разные задачи. Сколько модулей – столько и может быть обеспечено параллельных циклов работы. Но в реальности АПФАР появились не для параллельной работы нескольких лучей на нескольких частотах, а для доведения мощности в луче ПФАР до требуемых величин и повышения технологичности сборки и обслуживания антенных решеток. Забавно, что АПФАР родились после неудач с «честными» АФАР первых поколений. Недостаточная наработка на отказ элементарных модулей была очень большой проблемой, их приходилось регулярно менять вместе с элементами антенны. Тогда и придумали модули объединять в крупные блоки с большим числом пассивных фазовращателей и элементарных антенн и одним передатчиком меньшей мощности – а требуемая мощность в луче получалась за счет того, что блоков и соответственно передатчиков было несколько. Попутно стало можно работать с несколькими лучами разных частот одновременно.
Структурная схема активно-пассивной ФАР
Но исторически раньше попробовали создать АФАР. То есть каждый элемент антенны был полнофункциональным приемопередатчиком. Их и называют приёмопередающими модулями – ППМ. Первые АФАР в интересах ПРО были созданы не просто аналоговыми, а теплыми и ламповыми. Каждый ППМ содержал в себе мощный ламповый приемопередатчик, обычно на клистронах, подключенный к ЭВМ обработки. Настройка тысяч ламповых ППМ, чтобы они работали как единое целое, была крайне сложной задачей, каждый модуль калибровался вручную. Получившаяся РЛС с АФАР без сбоев могла работать считанные часы, но зато могла не обращать внимания на выход из строя отдельных модулей – из-за этого чуть падала совокупная излучаемая мощность, но общая функциональность не страдала.
Лампы бегущей волны для американской РЛС предупреждения о ракетном нападении Кобра Дейн
Первой в мире РЛС с АФАР является американская экспериментальная РЛС ПРО MAR, которая так и не функционировала по прямому назначению, ибо не смогла работать дольше нескольких часов до критического сбоя. Она как раз была ламповой, аналоговой – обратите внимание, что АФАР отнюдь не обязательно цифровая! После этой неудачи и до появления эффективных твердотельных ППМ тему полноуправляемой мультичастотной АФАР надолго забыли, переключившись на совершенствование схем управления ПФАР, чтобы втиснуть больше возможных задач в один цикл сканирования. Но при этом в СССР продолжили эксперименты с АПФАР, тоже по направлению ПРО.
Многофункциональная радиолокационная станция MAR-I системы Nike-X на полигоне Уайт-Сэндз.
Характерным примером ранней АПФАР является РЛС 5Н65 экспериментального комплекса ПВО/ПРО С-225, о котором мы писали ранее. Полотно этой РЛС представляет собой ФАР, на которую работает шесть независимых передатчиков. Технически она способна одновременно формировать шесть независимых лучей на шести различных частотах, но мощность на каждом будет в шесть и более раз ниже, чем если бы они работали как одно целое. В реальности эта РЛС использует потенциал шести модулей при сканировании сектора для повышения мощности, а при наведении ракет из циклограммы сканирования выключается пара, используемая для передачи команд. Как результат, сканирование пространства не прерывается при высокоточном наведении. Эту задачу можно было бы решить отдельной станцией подсвета цели, либо станцией передачи команд, как это делается в классических ЗРК, где радиооборудование может включать в себя много изделий разной специализации.
РЛС 5Н65 зенитной ракетной системы С-225 Азов на полигоне Кура (англ. Flat Twin – в пер. плоские близнецы)
С использованием АПФАР РЛС стала многофункциональной; одно полотно смогло взять на себя все задачи комплекса. Для наземных ЗРК это незначительное преимущество – ведь можно использовать и комплекс радиооборудования вместо многофункциональной РЛС, это еще и дает некоторое резервирование, повышает боевую устойчивость. Но в авиационных бортовых РЛС требуется как раз такая многофункциональность при высоком уровне компактности, и в небе многофункциональные РЛС начали распространяться значительно раньше, чем на земле.
Твердотельные схемы в приемо-передающей части РЛС исторически начали использоваться только в конце 1980-х гг. Это связано с тем, что реальные РЛС работают с очень высокими частотами, исчисляемыми гигагерцами, а то и сотнями гигагерц. Кремниевые и германиевые элементы на такой частоте работать не умеют. На помощь пришел арсенид галлия, работы с которым начались в СССР под руководством Жореса Алферова еще в 1960-х. Первые арсенид-галлиевые полупроводниковые компоненты использовались в космической программе для создания высокоэффективных солнечных батарей, которые могли работать в широком диапазоне температур – такие были установлены на аппаратах «Венера» и луноходах. В США арсенид-галлиевую технологию также разрабатывали под космические применения, появились первые интегральные схемы. На них уже можно было делать унифицированные ППМ для будущих АФАР.
Данная картинка (зависимость мощности от частоты) объясняет популярность арсенида галлия и нитрида галлия для изготовления высокочастотных схем без лишних слов. Выше 3 ГГц кремниевые компоненты попросту неработоспособны.
Но у арсенид-галлиевых интегральных схем есть большая проблема в сложности получения кристаллов высокой чистоты и формирования на подложке оксидных мостов. Если современные кремниевые интегральные схемы в вашем мобильном, или в актуальном компьютере разработаны по стандартам технического процесса 7-10 нм, то арсенид-галлиевые БИС используют техпроцесс 500 нм и хуже. Большую плотность упаковки при таком техпроцессе не обеспечить, а тепловыделение арсенид-галлиевых сборок требует использования активных схем теплоотвода, часто жидкостных.
Тем не менее, арсенид-галлиевые схемы позволили, наконец, создать высокочастотные приемо-передающие модули, которые можно было паковать в матрицу будущей АФАР. Первыми освоили серийное производство таких модулей японцы, и первые боевые твердотельные АФАР были установлены на японских эсминцах.
Фото в свободном доступе Взято на https://seaforces.org/marint/Japan-Maritime-Self-Defense-Force/Destroyer/Asagiri-class_DAT/DD-155-JDS-Hamagiri.htm
Японский эсминец DD 155 JDS Хамагири с РЛС OPS-24. Это первая в мире боевая корабельная твердотельная АФАР
Сам по себе такой модуль, заметим, имеет довольно малую мощность, редко больше десятка ватт в пике. Из-за очень низкого КПД (типично не лучше 45%) значительная часть подводимой мощности выделяется в виде тепла. Поэтому ранний твердотельный ППМ в значительной части своего объема был пронизан каналами интегрированной системы охлаждения, либо изначально выполнен в сборке с ребрами теплоотвода, имел значительный объём.
Со временем достижения в миниатюризации позволили создать компактные ППМ, пригодные для установки на авиационные платформы. Мощность каждого из модулей при этом снизилась – типично это единицы ватт с возможность в импульсе выдать около 10 ватт. Но при этом в модуль удалось поместить не только сам высокочастотный контур, но и какую-то часть логической схемы: цифро-аналоговые преобразователи, генераторы сигналов с цифровым управлением, предусилители, модуляторы и проч. Напомним, все это хозяйство работает на частотах, доходящих до десятков гигагерц. По сути, каждый модуль представляет собой интегральную логическую схему, каждый вставляется в индивидуальный высокочастотный разъем, а весь набор модулей работает в среде охлаждающей жидкости. Управляющая схема при этом разгружается от задач формирования сигналов и его усиления – все происходит внутри самого модуля.
Общая структурная схема активной ФАР. Цветом выделен один из сотен или даже тысяч модулей. Возможные дополнения в части цифровой обработки сигнала внутри ППМ не отражены – в зависимости от реализации они могут иметь различные конфигурации.
Но встает проблема усиления принимаемого сигнала в интегрированной сборке ППМ – усилитель внутри модуля, хоть и малошумящий, но работает в неблагоприятной среде, на повышенной температуре, что добавляет теплового шума. На такой компромисс пришлось пойти, чтобы унифицировать ППМ – малогабаритный усилитель на интегральной схеме всегда хуже внешнего. Поэтому полученный сигнал дополнительно обрабатывается в цифровом тракте, используется накопление сигнала и другие алгоритмы распределенной обработки сигнала с разных модулей. Полотно АФАР в целом, в итоге имеет характеристики усиления, сопоставимые с аналоговой ПФАР, но в общем случае уступает ПФАР с цифровым управлением по этому параметру. Например, гибридная бортовая РЛС с ПФАР Н035, устанавливаемая на Су-35, за счет большого коэффициента усиления ФАР и внешней цифровой обработки имеет значительно большую дальность обнаружения целей в сравнении с любой современной АФАР зарубежного производства.
Вот из таких ППМ-модулей и формируется уже ЦАР – модули управляются уже не аналоговыми схемами, а полностью в цифре, бортовым вычислительным комплексом РЛС. ЦАР является следующим этапом развития после АФАР, который следует выделять особо. Ведь АФАР, как таковая, могла быть и чисто ламповой, что мы пояснили выше – и вместо преимуществ у нее будет скорее набор детских болезней и плохо решаемых проблем. А вот цифровое управление излучателями переводит РЛС на новый уровень. Об этом мы рассказываем в следующих частях.
Обещанные ссылки
Как устроен и работает радар. Классический импульсный
ФАР простыми словами и с анимашками