Radar activ în fază. Keen Eye: Faruri Fighter

16 februarie 2016

La bord radar- "ochi"Și"urechi"modernluptător.

Să aflăm în limbaj popular despre dispozitivȘiparticularitatilemuncăaviaţieradarstatii.

Dinceeste format dinla bordRadar?

Din punct de vedere structural, radarul este format din mai multe unități detașabile situate în nasul aeronavei: un transmițător, un sistem de antenă, un receptor, un procesor de date, un procesor de semnal programabil, telecomenzi și comenzi și afișaje.

Astăzi, aproape toți la bord Antena radar Sistemul este o matrice de antene cu slot plat, o antenă Cassegrain, o antenă cu matrice de fază pasivă sau activă.

Radarele moderne operează într-o gamă de frecvențe diferite și permit detectarea țintelor aeriene cu EPR (Effective Scattering Area) într-o singură. metru patrat la o distanță de sute de kilometri și oferă, de asemenea, escortă pentru zeci de ținte de-a lungul drumului.
În plus față de detectarea țintei, astăzi radarele oferă corecție radio, misiuni de zbor și desemnare a țintei pentru utilizarea armelor aeriene ghidate, cartografiază suprafața pământului cu o rezoluție de până la un metru și rezolvă, de asemenea, sarcini auxiliare: urmărirea terenului, măsurarea cuiva. propria viteză, altitudine, unghi de derivă și altele.

Cum lucrărila bordradar?

Avioanele de luptă moderne folosesc radare cu impulsuri Doppler. Numele în sine descrie principiul de funcționare al unei astfel de stații radar.

Stația radar nu funcționează continuu, ci în șocuri periodice - impulsuri. În locatoarele de astăzi, trimiterea unui impuls durează doar câteva milionatimi de secundă, iar pauzele dintre impulsuri durează câteva sutimi sau miimi de secundă.

După ce au întâlnit orice obstacol de-a lungul căii de propagare a acestora, undele radio sunt împrăștiate în toate direcțiile și reflectate de la acesta înapoi la stația radar. în care. Emițătorul radar se oprește automat și receptorul radio începe să funcționeze.

Una dintre principalele probleme ale radarelor cu impulsuri este eliminarea semnalului reflectat de obiectele staționare. De exemplu, pentru radarele aeropurtate, problema este că reflexia de pe suprafața pământului ascunde toate obiectele aflate sub avion. Această interferență este eliminată folosind efectul Doppler, conform căruia frecvența undei reflectate de la un obiect care se apropie crește, iar de la un obiect care pleacă scade.

Ceastfel dePAR?

Evident, pentru a primi și transmite semnale, orice radar are nevoie de antenă. Pentru a-l potrivi într-un avion, au venit cu sisteme speciale de antenă plate, iar receptorul și transmițătorul sunt situate în spatele antenei. Pentru a vedea scopuri diferite radar, antena trebuie mutată. Deoarece antena radar este destul de masivă, se mișcă încet.
În același timp, atacul simultan al mai multor ținte devine problematic, deoarece un radar cu antenă convențională păstrează o singură țintă în „câmpul său vizual”.

Electronica modernă a făcut posibilă abandonarea unei astfel de scanări mecanice în radare. Este dispusă astfel: o antenă plată (dreptunghiulară sau rotundă) este împărțită în celule. Fiecare astfel de celulă conține un dispozitiv special - un comutator de fază, care poate unghi specificat schimba faza undei electromagnetice care intră în celulă. Semnalele procesate de la celule ajung la receptor. Acesta este modul în care puteți descrie funcționarea unei antene phased array (PAR).

Mai precis, o astfel de matrice de antene cu multe elemente de defazare, dar cu un receptor și un transmițător se numește o matrice fază pasivă. Apropo, primul luptător din lume echipat cu un radar pasiv în faze este MiG-31-ul nostru rus. A fost echipat cu radarul Zaslon dezvoltat de Institutul de Cercetare a Ingineriei Instrumentelor, numit astfel. Tihomirov.

Pentru ceNecesarAFAR?

O antenă active phased array (AFAR) este următorul pas în dezvoltarea uneia pasive. Într-o astfel de antenă, fiecare celulă de matrice conține propriul emițător-receptor. Numărul lor poate depăși o mie. Adică, dacă un localizator tradițional este o antenă, un receptor, un transmițător separat, atunci într-un AFAR receptorul cu transmițătorul și antena „se împrăștie” în module, fiecare dintre acestea conținând un slot de antenă, un defazător, un transmițător și un receptor.

Anterior, dacă, de exemplu, emițătorul a eșuat, avionul devenea „orb”. Dacă una sau două celule, chiar și o duzină, sunt afectate în AFAR, restul continuă să funcționeze. Asta este avantaj cheie AFAR. Datorită miilor de receptoare și transmițătoare, fiabilitatea și sensibilitatea antenei crește și devine posibilă operarea simultană pe mai multe frecvențe.

Dar principalul lucru este că structura AFAR permite radarului să rezolve mai multe probleme în paralel. De exemplu, poate servi nu numai zeci de ținte, ci și, în paralel cu supravegherea spațiului, să protejeze foarte eficient împotriva interferențelor, să interfereze cu radarele inamice și să cartografieze suprafața, obținând hărți de înaltă rezoluție.
Apropo, prima stație radar aeropurtată din Rusia cu AFAR a fost creată la întreprinderea KRET, în corporația Fazotron-NIIR.

CareRadarvoipeluptătora cinceageneratiiAMBALAJF?

Printre evoluții promițătoare KRET - AFAR conforme care se pot potrivi în fuzelaj aeronave, precum și așa-numita piele a corpului de avion „inteligentă”. În următoarea generație de luptători, inclusiv PAK FA, va deveni ca un singur localizator de emițător-receptor, oferind pilotului informații complete despre ceea ce se întâmplă în jurul aeronavei.

Sistemul radar PAK FA constă dintr-un AFAR promițător în bandă X în compartimentul nasului, două radare laterale și un AFAR în bandă L de-a lungul clapetelor.

Astăzi, KRET lucrează și la crearea unui radar radio-fotonic pentru PAK FA. Preocuparea intenționează să creeze un eșantion la scară completă a stației radar a viitorului până în 2018.

Tehnologiile fotonice vor extinde capacitățile radarului - vor reduce masa cu mai mult de jumătate și vor crește rezoluția de zeci de ori. Astfel de radare cu antene radio-optice cu matrice de fază sunt capabile să ia un fel de „imagine cu raze X” a aeronavei.

„De exemplu, un localizator bazat pe radiofotonica a detectat o aeronavă la o distanță de 500 de kilometri. Pentru a vizualiza un obiect, radarul fotonic își va putea extinde gama de frecvente, trimiteți cantitatea de energie și în intervalul necesar. În același timp, va putea folosi mai multe radare vecine. Drept urmare, operatorul va vedea o imagine a aeronavei ca și cum ar fi în apropiere”, a spus Mikheev. Această tehnologie vă permite să priviți în interiorul unui obiect, să aflați ce echipament poartă, câți oameni sunt în el și chiar să le vedeți fețele.

Potrivit acestuia, folosind o gamă foarte largă de frecvențe, lungimi de undă de metri, centimetri sau milimetri, radarul va putea „pătrunde” chiar și în interiorul obiectelor.

„Cu acest semnal vom putea depăși orice zid de plumb, chiar și de un metru lungime și vom vedea ce este în acest obiect. Dacă este un avion, atunci radarul va oferi o secțiune transversală a acestuia, o imagine cu raze X. Va fi chiar posibil să vedem cine stă pe ce scaun”, a spus Mikheev.

Potrivit acestuia, tehnologiile fotonice aduc un nou salt tehnologic, făcând realitate, de exemplu, transferul de energie pe distanțe lungi, practic fără pierderi.

KRET, comandat de Fundația pentru Cercetare Avansată, dezvoltă o matrice activă de antene în fază bazată pe radiofotonica pentru radarele aviației. Pentru program au fost alocate 683,8 milioane de ruble. pana in 2019.

locotenent colonel inginer M. Mihov

Măsurile pentru creșterea în continuare a puterii de luptă a forțelor aeriene americane includ crearea nu numai a aeronavelor noi și mai avansate, ci și a diferitelor echipamente, a căror utilizare le-ar extinde capacitățile de luptă. În special, comanda forțelor aeriene americane acordă o mare atenție dezvoltării stațiilor radar multifuncționale pentru avioane care să asigure detectarea țintelor aeriene, terestre și de suprafață (mai multe în același timp) și determinarea coordonatelor acestora, controlul la bord. arme, evaluarea terenului în interesul asigurării siguranței zborului la altitudini joase.

Experții americani consideră că performanța secvențială sau simultană a mai multor funcții de către un radar depinde în mare măsură de viteza și de caracterul complet al studiului spațiului, adică de cât de repede se va mișca fasciculul radar într-un anumit sector și își va schimba forma (model direcțional). ). Se remarcă faptul că, pentru a căuta și urmări țintele aeriene, este necesar un model de radiație ascuțit, scanare în întreaga emisferă frontală, iar pentru vizualizarea suprafeței pământului, un model plat (pătrat cosecant în cotă) scanare în azimut în partea inferioară a este necesară emisfera frontală. Pentru a furnizare efectivă zborul la altitudini joase necesită scanarea rapidă a fasciculului radar atât în ​​plan vertical cât și orizontal.

Sistemele de antene existente, care folosesc reflectoare parabolice de semnale de înaltă frecvență pentru a forma modelul fasciculului, nu permit unui radar să îndeplinească mai multe funcții. Astfel de antene, conform experților americani, nu au lățimea câmpului vizual necesar pentru un radar multifuncțional, au o viteză insuficientă de scanare a fasciculului, sunt mari ca greutate și volum și au o fiabilitate scăzută, adică nu sunt potrivite pentru radare concepute pentru funcționarea simultană pe mai multe obiective și îndeplinire diverse funcții. Prin urmare, de exemplu, pe aeronava FB-111 sunt instalate două radare și trei antene pentru a asigura îndeplinirea tuturor misiunilor sale de luptă.

În acest sens, în Statele Unite, deja la începutul anilor 60, au început lucrările la crearea unor antene fundamental noi pentru radarele multifuncționale de avioane. Aceste antene sunt antene phased array (PAA). Presa străină notează că principalul avantaj al rețelelor în fază față de o antenă reflectorizantă (oglindă) convențională este controlul electronic al fasciculului, care este asigurat prin schimbarea fazei semnalului emis al fiecăruia dintre emițătorii elementari conform unei anumite legi. Matricea poate conține de la câteva sute la câteva mii de astfel de emițători. Timpul necesar ca fasciculul să se deplaseze între două poziții extreme nu depășește câteva microsecunde și este posibilă o schimbare rapidă a formei modelului de radiație. O caracteristică esențială a funcționării matricei în faze este necesitatea includerii în setul radar a unui computer electronic care poate controla rapid toți emițătorii matricei simultan. Matricea în fază oferă un câmp vizual mai larg decât o antenă convențională și, datorită designului său fix, este convenabil să fie plasat sub radom la bordul aeronavei. Dispozitivele de control electromecanice sau hidraulice grele și voluminoase sunt, de asemenea, eliminate și capacitatea de supraviețuire a radarului este crescută, deoarece își îndeplinește funcțiile chiar dacă un număr semnificativ de emițători elementari eșuează.

Specialiștii americani sunt unul dintre direcții promițătoare Dezvoltarea rețelelor în faze este considerată a fi crearea așa-numitelor „matrice conformate”, ale căror elemente vor fi situate de-a lungul suprafeței convexe complexe a diferitelor secțiuni ale pielii aeronavei. Acest lucru poate crește aria de vizualizare și poate elibera un volum utilizabil semnificativ în nasul aeronavei pentru plasarea altor echipamente sau arme radio-electronice.

Cel mai promițător, în ciuda complexității scheme electrice, experții străini consideră așa-numitele rețele de fază „active”, în care emițătorii elementari sunt transceiver independente. Astfel de rețele în faze fac posibilă realizarea capacităților energetice ale generatoarelor de înaltă frecvență cu eficiență ridicată și crește semnificativ fiabilitatea funcționării radarului. Un obstacol semnificativ în calea creării unor astfel de radare este lipsa actuală a generatoarelor de înaltă frecvență sau amplificatoarelor de putere suficient de economice, ușoare și puternice. Prin urmare, în SUA, antenele cu lentile pasive (reflectorizante sau de trecere) sunt dezvoltate ca versiuni intermediare ale rețelelor de fază, în care o serie de schimbători de fază de înaltă frecvență, iradiați de un fascicul larg dintr-o singură sursă de o putere puternică. -semnal de frecventa, este folosit pentru a forma modelele de radiatie necesare.

În funcție de metoda de furnizare a semnalelor de înaltă frecvență, există două tipuri de rețele de fază de trecere pasive: cu un sistem de ghid de undă deschis, când matricea este iradiată de un fascicul larg dintr-o sursă slab direcțională și cu una închisă, atunci când semnalul de înaltă frecvență transmis este furnizat defazatorilor elementare ale matricei folosind un sistem extins de ghiduri de undă.

Una dintre opțiunile pentru o rețea de fază pasivă cu un sistem de ghidaj de undă închis este o matrice de sloturi de ghid de undă, în care elementele radiante sunt fante în pereții ghidurilor de undă. Faza unui semnal de înaltă frecvență într-o astfel de matrice este controlată nu într-un element separat, ci într-un grup de elemente prin utilizarea unui defazator de grup în secțiunea corespunzătoare a ghidului de undă. În acest caz, posibilitățile de control electric al modelului de radiație al matricei de fază într-un plan care trece de-a lungul secțiunii ghidului de undă sunt reduse brusc și, în legătură cu aceasta, apare necesitatea de a utiliza scanarea mecanică a fasciculului.

Una dintre părțile principale ale celulei unitare cu matrice de fază este un comutator de fază de înaltă frecvență. În mod obișnuit, defazatoarele sunt realizate folosind ferite sau diode reactive și, în ciuda pierderilor semnificative de inserție și a puterii reduse admisibile, acestea din urmă sunt preferate datorită greutății lor ușoare, ușurinței de control și vitezei mari de comutare.

Orez. 1. Schema bloc a modulului radar MERA: 1 - antena; 2 - comutator antene; 3 - multiplicator de frecventa; 4 - comutarea semnalului de la recepție la transmisie; 5 - mixer; 6 - amplificator de impuls; 7 - semnal de modulare a impulsului; 8 - amplificator de frecventa intermediara; 9 - defazator al căii de recepție, 10 - circuit de control logic; 11 - defazator al căii de transmisie; 12 - dispozitiv de defazare; 13 - amplificator de putere; 14 - semnale de control de la computer

Fig. 2. Modul radar MERA. a - amplasarea elementelor principale în părțile superioare și inferioare ale modulului; b - aspectul modulului asamblat

Schimbatoarele de fază sunt de obicei controlate folosind semnale provenite de la un computer digital Presa străină notează că, dacă semnalele au un număr mic de biți, atunci numărul de valori fixe de fază ale semnalului de înaltă frecvență scade și la instalarea fasciculului radar. apar erori de cuantizare, iar o creștere a adâncimii de biți a semnalelor de control duce la complicarea proiectării defazatoarelor și la creșterea greutății acestora. Experții americani au efectuat experimente pentru a evalua aceste erori ținând cont de scăderea puterii radiației în direcția necesară la eroarea maximă de cuantizare și au obținut următoarele rezultate: cu un semnal de control pe un singur bit (setare de fază la 180°), această scădere este 4 dB (60 la sută) și cu un semnal de control pe doi biți (setare de fază la 90 °) - doar 0,9 dB (20 la sută). Din aceasta s-a concluzionat că pentru majoritatea radarelor de aeronave, controlul unui semnal pe doi biți este optim. Se crede că eroarea de cuantizare este complet compensată datorită vitezei mari de mișcare a fasciculului și procesării ulterioare a semnalului primit.

Ca urmare a lucrărilor desfășurate în SUA în a doua jumătate a anilor ’60, Texas Instruments, Maxson Electronics, Hughes Aircraft, Raytheon și alții au dezvoltat o serie de prototipuri de radare cu matrice fază active și pasive și control electronic al fasciculului. Scurta descriere Unele dintre ele sunt prezentate mai jos.

Radar MERA (Electronică moleculară pentru aplicație radar), creat de specialiști de la Texas Instruments, este una dintre primele stații cu phased array activ. Acest radar a fost demonstrat pentru prima dată în 1968. Rețeaua de antene este formată din 604 module cu stare solidă care funcționează în intervalul de lungimi de undă de 3 cm O diagramă bloc a unui astfel de module este prezentată în Fig. 1 La transmitere, se folosesc semnale cu o frecvență de 2250 MHz pentru a excita modulele, iar la recepționarea semnalelor reflectate se folosesc oscilatoare locale care funcționează la o frecvență de 2125 MHz. Dispunerea, aspectul și dimensiunile modulului sunt prezentate în Fig. 2 (simbolurile numerice corespund simbolurilor din fig. 1). Elementele modulelor de pe zona phased array au fost plasate după o poziție empirică: două sau trei module pe zonă egală cu pătratul lungimii de undă radar. Pentru a obține o putere de impuls a unui radar de bord (destinat pentru supravegherea suprafeței pământului) egală cu 60 kW, a fost planificat să se utilizeze module cu o putere de radiație de 100 W. Cu toate acestea, capacitățile tehnice de producere a amplificatoarelor cu stare solidă de o astfel de putere în dimensiunile date s-au dovedit a fi nerealiste, iar deficitul de energie rezultat a fost compensat prin utilizarea circuitelor de compresie a impulsurilor. Sa raportat că timpul mediu estimat de funcționare a radarului pentru fiecare defecțiune a fost de câteva sute de ore.

Experiența de dezvoltare, diagramele și unele soluții de proiectare ale radarului experimental MERA au fost folosite pentru a crea un prototip al radarului RASSR (Reliable Advanced Solid State Radar) la începutul anilor 70. Specialiștii companiei au crezut că acest radar ar putea fi bine instalat pe tactici promițători aeronave 70- x ani. Matricea sa în fază a constat din 1648 de module transceiver, similare ca principiu de construcție cu modulele radar MERA.

Compania Maxson Electronics, comandată de Comandamentul Aviației Navale din SUA, a dezvoltat un prototip de radar cu o rază de acțiune de 1 cm cu o rețea reflectorizant în fază. Acest radar a fost instalat pe aeronava A-6 în 1969 pentru teste de zbor. Matricea fază cu un diametru de 72 cm a constat din 1500 de elemente cu defazatoare de înaltă frecvență folosind diode reactive. Dimensiunile fiecărui element sunt 98x10x10 mm. Semnalul către grătar a fost furnizat de la o alimentare cu patru cornuri. Defazatoarele matricei au fost controlate folosind semnale provenite de la un computer de bord ușor, de dimensiuni mici, cu o greutate de 2,3 kg, care a asigurat instalarea fasciculului în 250 μs. Radarul era alimentat de la o sursă specială de alimentare cu o greutate de 2,7 kg. Consumul de energie al stației este de 700 W.

Potrivit relatărilor din presa străină, specialiștii acestei companii, pe baza prototipului menționat mai sus, au dezvoltat un proiect pentru un radar îmbunătățit cu o matrice în fază cu diametrul de 144 cm, format din 6000 de elemente. Greutatea estimată a unei astfel de rețele este de 77 kg, iar costul este de 150 de mii de dolari. Schimbatoarele de fază ale matricei pot rezista la o putere de radiație mai mare de 2 W, așa că experții americani cred că un astfel de radar ar putea avea o putere de impuls de 1,5 MW, iar acest lucru este suficient pentru stațiile de aeronave de orice clasă. Pentru un astfel de radar trebuia să folosească un computer modificat, care asigură instalarea fasciculului în 1,5 μs.

Pentru avioanele-interceptoare promițătoare ale Marinei SUA în 1969, Hughes Aircraft a dezvoltat radarul ESIRA (Electronic Scanned Interceptor Radar Antenna). Matricea sa pasivă reflectorizant în fază, cu un diametru de aproximativ 150 cm, constă din 2400 de elemente și o alimentare cu patru coarne.

Fig.3.. Aspect Radar AN/APO-140

Orez. 4. Radar aeropurtat cu o rețea de fază cu flux complet fante instalată în nasul aeronavei F-I4

Orez. 5. Blocuri principale și matrice în fază ale radarului de navigație de supraveghere RDR-1400

La ordinul Comandamentului US Air Force, compania americană Raytheon a dezvoltat radarul AN/APQ-140, care era destinat instalării pe bombardierul strategic supersonic B-1 creat de Boeing. Un prototip al acestui radar cu o matrice fază reflectorizant cu un diametru de aproximativ 70 cm, format din 3800 de elemente (Fig. 3), a fost testat în zbor pe o aeronavă specială. Cu toate acestea, din mai multe motive, adoptarea acestui radar pentru serviciu a fost amânată, iar în primele etape ale producției în serie a aeronavei B-1, este planificată instalarea nu doar a unui radar multifuncțional, ci a unui set de stații, care este o versiune îmbunătățită a setului radar al aeronavei FB-111.

Presa străină relatează că muncă intensivă Dezvoltarea radarelor de aeronave cu rețele fază, realizate în Statele Unite încă din a doua jumătate a anilor ’60, nu a produs rezultatele așteptate. Din cauza dificultăților tehnice întâmpinate în timpul implementării proiectelor și a fiabilității insuficient de ridicate a elementelor de matrice fază solidă, aeronavele de luptă americane moderne încă nu au radare la bord cu control electronic complet al fasciculului. În plus, costul ridicat al lucrării a avut un impact semnificativ asupra implementării programelor.

Potrivit rapoartelor presei străine, în Statele Unite, atunci când se creează radare multifuncționale, se folosește o versiune de proiectare intermediară a matricei fază, care este o matrice cu sloturi de ghid de undă cu un sistem de alimentare închis și alimentată de un generator comun de energie de înaltă frecvență. După cum sa menționat mai devreme, controlul electronic limitat al diagramei de radiație într-o astfel de antenă trebuie combinat cu scanarea mecanică a matricei sale. Cu toate acestea, în ciuda acestui fapt, ele au avantaje față de antenele convenționale. În special, se remarcă faptul că treptarea atentă a emițătorilor reduce în mod semnificativ nivelul lobilor laterali, iar absența unei alimentări orientate spre înainte sau a unui contrareflector face posibilă, având în vedere dimensiunile radomului, creșterea diametrului. antena și deviațiile unghiulare maxime ale acesteia și, în consecință, să restrângă diagrama de radiație și să mărească aria de vizualizare. În plus, apropierea centrului de greutate al sistemului de antene de unitățile sale de suspensie face posibilă simplificarea semnificativă a designului acestora și creșterea vitezei de mișcare a antenei.

SUA au dezvoltat deja mai multe tipuri de radare cu matrice de antene slot. De exemplu, avioanele de vânătoare multirol F-14 Tomcat sunt echipate cu sisteme radar de control al armelor AN/AWG-9 create de Hughes Aircraft (Fig. 4). Se raportează că combinația de scanare electronică și mecanică rapidă a fasciculului în acest radar asigură urmărirea simultană a mai multor ținte aeriene. Pe baza acestei stații, compania a dezvoltat o serie de radare Atlas, care sunt planificate să fie instalate pe aeronave tactice promițătoare. O antenă de tip similar (sub forma unui ghid de undă cu fante) a fost folosită de United Aircraft în radarul Mercury, care se așteaptă să fie folosit pe un avion de luptă promițător al Forțelor Aeriene ale SUA. Antena radar Mercury, al cărei prototip a fost demonstrat de companie la sfârșitul anului 1974, constă din 30 de secțiuni orizontale de ghiduri de undă cu emițători de fante situate în pereții îngusti ai ghidurilor de undă. Designul său oferă scanare mecanică în azimut cu ±70° și scanare electronică până la 50° în altitudine.

Presa americană notează că, datorită avantajelor lor și designului relativ simplu, rețelele de antene cu ghid de undă cu fante își vor găsi aplicație nu numai în radarele multifuncționale, ci și în radarele aeriene mai simple ale aeronavelor. În special, compania Bendix a dezvoltat un radar de navigație de supraveghere RDR-1400 (Fig. 5), în care matricea de antene oferă doar formarea fasciculului, iar vizibilitatea în ambele coordonate unghiulare (azimut și elevație) este realizată datorită rotației sale mecanice. . RDR-1400 are un model de radiație îngust și este proiectat pentru a detecta ținte mici de suprafață. Este planificat să fie instalat pe aeronave și elicoptere de patrulare și căutare și salvare.

Mulți experți străini cred că, în următorii ani, cel mai probabil tip de antenă pentru radarele multifuncționale pentru avioane va fi o matrice de ghiduri de undă cu fante cu scanare mecanică parțială, iar adoptarea radarelor cu control complet electronic al fasciculului ar trebui să fie așteptată nu mai devreme de începutul anilor 80.

Primele mostre de radare active phased array– AFAR – produs de Uzina de instrumente Ryazan (dezvoltat de NIIPT, Moscova*).

Instalarea acestui radar de avion în proiectarea unei aeronave de luptă este considerată unul dintre principalele semne că aparține generației a 5-a de avioane.11 seturi AFAR au fost deja fabricate, trei sunt în prezent testate ca parte a echipamentului de bord Su-57 (PAK-FA,T-50) - luptător rus multirol din a cincea generație, dezvoltat de o divizie a United Aircraft Corporation (UAC) - Sukhoi Design Bureau. Aeronava este dezvoltată pentru a înlocui avionul de luptă Su-27 din Forțele Aeriene Ruse.

Un localizator convențional este o antenă, un receptor și un transmițător în AFAR este un singur întreg unit în module. Adică, fiecare celulă, și există aproximativ două mii dintre ele, conține un transmițător și un receptor. Întreaga parte de înaltă frecvență a locatorului este „imbinată” în antenă. Și dacă emițătorul din locatoarele din generația anterioară a eșuat, avionul a devenit complet orb. Și cu AFAR pot fi afectate una, două, zece sau o sută de celule, restul va continua să funcționeze.

Top cinci luptători >>

Luptătorul are o antenă frontală și două laterale care funcționează în banda X și 2 antene suplimentare bazate pe AFAR în banda L pe consola aripii. Drept urmare, câmpul vizual al radarului Su-57 (PAK-FA, T-50) depășește 200 de grade. Cel mai nou localizator este capabil să scaneze spațiul, să miște un fascicul în spațiu în câteva secunde, să identifice ținte, să îndrepte rachete spre ele și să funcționeze ca mijloc de contramăsuri electronice conform principiului utilizat în complexul de apărare aeriană President-S.

Producția de radare bazate pe antene active phased array reprezintă o tranziție de la electronica cu siliciu la heterostructuri revoluționare și microcircuite cu microunde monolitice bazate pe arseniură de galiu, combinând mai multe dispozitive anterior independente. Apariția AFAR face posibilă implementarea ideii de rețea centrată (unificarea combatanților în o singură rețea) desfășurarea operațiunilor de luptă când un luptător devine post de comandă pentru trupele terestre, forțele de apărare aeriană, precum și grupurile de avioane de luptă.

Cel mai problema principala Crearea AFAR a fost o problemă de trecere la un nivel tehnologic complet nou de producție, la module monolitice de microunde pe bază de arseniură de galiu. Dezvoltarea structurii a fost realizată sub conducerea academicianului laureat al premiului Nobel Zhores Alferov. Aproximativ 6 miliarde de ruble au fost investite în modernizarea Uzinei de instrumente Ryazan pentru producția de AFAR. În plus, producția la întreprinderea Istok a fost modernizată. Activitatea principală este noile dezvoltări și producția în serie de produse electronice moderne și promițătoare cu microunde pentru toate tipurile de comunicații și radare.

Avionul de luptă PAK FA este gata de producție în masă >>

În prezent, NPP „Istok” din Fryazino susține aproximativ 30% din întreaga gamă de produse electronice cu microunde produse în Rusia, ceea ce determină rolul său de lider în industrie.Compania are cicluri tehnologice închise pentru dezvoltarea și producția de tranzistoare cu microunde, circuite integrate monolitice, module cu microunde de orice complexitate funcțională, dispozitive cu microunde electrovacuum și dispozitive integrate cu microunde bazate pe acestea, echipamente radio-electronice și ale acestuia. componente. Până în prezent, Istok a produs deja 25.000 de module transceiver cu caracteristicile specificate.

Cel mai important lucru: avem o nouă tehnologie industrială care va fi solicitată nu numai în aviație, ci și în Marina și în dezvoltarea de noi sisteme de apărare aeriană.. Cele mai recente modele de localizatoare în interesul acestor zone sunt deja testate.

* NIIPT a fost înființată la 1 martie 1955 ca o filială a Institutului de Cercetare Științifică din Moscova-17 al Ministerului Industriei Aviației. Direcția principală a activității sale este dezvoltarea echipamentelor radar de aviație. Acţionarii NIIPT sunt concernul Almaz-Antey VKO (56% din acţiuni) şi concernul Radioelectronic Technologies (44%), care face parte din corporaţia de stat Rostec.

Articole care v-ar putea interesa:

Aeronava militara usoara de transport Il-112V >>

Amplitudinea, defazatul si lungimea de unda (frecventa) sunt principalele caracteristici ale oricarei unde

Cu interferență, în funcție de lungimea de undă și diferența de fază dintre ele, undele se îmbunătățesc sau se slăbesc reciproc în puncte diferite spaţiu

Pentru prima dată pe un avion de luptă: radarul de bord al unei aeronave Mig-31 cu Zaslon PFAR

PFAR "Irbis-E" este instalat pe aeronavele Su-35

Ultimul scârțâit: Zhuk-AE AFAR pe Mig-35

Concurenții occidentali au, de asemenea, propriile lor AFAR - de exemplu, americanul AN/APG-81, care este planificat să fie instalat pe F-35-uri promițătoare.

Cu ajutorul AFAR, puteți efectua și sondaje topografice ale zonei - fără a fi distras de la activitatea principală a radarului de bord (poza a fost făcută de AFAR AN/APG-81)

Rețelele în faze sunt utilizate nu numai pe aeronave, ci și pe radarele de la sol (imaginea arată radarul multifuncțional Don-2N)...

...și pe navele navale - precum cvartetul de 348 de radare de pe distrugătorul chinez Haikou

Antenele Phased Array (PAA) sunt cel mai important instrument de operare atât al radarelor moderne, cât și cel mai atent „ochi” al luptătorilor moderni. Este de remarcat faptul că există două tipuri posibile de faruri instalate pe aeronave - pasive (de exemplu, „Zaslon” - primul PFAR din lume instalat pe avioanele de luptă Mig-31) și active (de exemplu, „Zhuk-AE” pe noul Mig-35). Se crede că AFAR este un element obligatoriu al aeronavelor de generația a 5-a. Dar pentru a înțelege ce este și cum funcționează, trebuie să începi de departe.

Cuvânt cheie aici - „antenă”. Să ne amintim că orice antenă este un dispozitiv pentru emiterea și recepția undelor radio. Antenele sunt folosite atât pentru comunicații, cât și pentru detectarea echipamentelor inamice. În cel mai simplu caz, antena funcționează în felul unui liliac, emițând ultrasunete în spațiu, inaudibile pentru urechile noastre, care, reflectate de obiectele din jur, dă animalului o idee despre ele.

Așa au funcționat primele radare, protejând Insulele Britanice de raidurile Luftwaffe: au emis radiații radio în spațiu și au „ascultat” semnalul reflectat. Pe baza caracteristicilor reflexiei, este posibil să se calculeze matematic unele proprietăți ale obiectului care a reflectat unda radio - de exemplu, coordonatele acesteia. Cu toate acestea, de atunci, atât știința, cât și tehnologia au făcut pași mari înainte, iar farurile moderne nu sunt mai asemănătoare cu strămoșii lor decât computer nou- la mașina de criptare Colossus (am vorbit despre asta în articolul „British Colossus”).

Spre deosebire de o antenă simplă, o matrice de antene este o gamă întreagă de sute (și uneori mii) de emițători individuali. Toți acești emițători funcționează în mod concertat, astfel încât fazele undelor radio pe care le emit se schimbă într-un mod complex (de unde și termenul „fazat”).

Să ne amintim că o undă radio, ca orice altă undă, este o oscilație transversală a câmpurilor electrice și magnetice. Și, ca orice fluctuație „decentă”, se caracterizează prin:

Amplitudinea, care determină „puterea” oscilației.

Lungimea de undă și frecvența de vibrație asociată. Această valoare determină natura oscilației electromagnetice. Undele radio au lungimi de undă de la zecimi de milimetru la zeci de metri. Pentru radar se folosesc unde de lungime centimetrică, cu o frecvență de aproximativ 3-30 GHz.

Faza - adică starea sistemului oscilator la un moment dat în timp. Deoarece lungimea și frecvența noastră sunt, în principiu, constante, faza semnalului radar arată „poziția” curentă a undei pe scara de amplitudine.

Dintre aceste caracteristici, ne interesează în special faza, sau mai bine zis, diferența de fază a oscilațiilor. Din curs școlar Ca fizicieni, ne amintim că undele, care se întâlnesc în diferite puncte ale spațiului, interferează, adică se „recombină” unele cu altele în conformitate cu diferența dintre fazele lor în aceste puncte. Ambele se pot întări reciproc și se pot slăbi reciproc.

Să terminăm această scurtă digresiune teoretică și să revenim la faruri. După cum ne amintim, fiecare antenă din matrice emite separat de celelalte, dar în acord cu acestea - astfel încât diferența de fază a semnalelor radio emise de acestea să poată fi controlată - ceea ce înseamnă că putem controla interferența undelor în puncte. de spațiu de care avem nevoie. Făcând acest lucru, vom obține imediat o mulțime de avantaje.

În primul rând, vom putea, după bunul plac, să facem semnalul fie larg, fie foarte îngust vizat și, în principiu, să îi dăm forma foarte diferită de care avem nevoie. Acest lucru ne permite să economisim în mod semnificativ energie prin îmbunătățirea „scanării” numai în direcțiile care ne interesează.

Pentru a îngusta fasciculul, puteți, desigur, să utilizați o antenă antenă antenă hiperbolică convențională, dar instalarea acesteia pe un avion este problematică, iar controlul fasciculului său necesită rotirea întregii antene - și aceasta nu este o sarcină ușoară. Astfel de antene, în principiu, sunt instalate pe aeronavele anterioare, dar este atât greoaie, cât și lent, iar dacă începeți să rotiți antena suficient de repede, vor apărea inevitabil probleme de control.

Acest lucru ne aduce la al doilea avantaj al rețelelor de fază: pentru a schimba direcția fasciculului radio, nu este nevoie să rotim matricea de fază în sine: este suficient să schimbăm diferența de fază a semnalelor emise de antene. Aceasta înseamnă că nu sunt necesare echipamente hidraulice voluminoase și complexe și nu se pierde timp la rotirea unei antene voluminoase: comutarea fazelor este controlată de electronică, iar mișcarea „atenției” foarte concentrate a matricei în faze are loc aproape instantaneu.

În același timp, matricea în fază primește un semnal din toate direcțiile - dar în unele dintre ele devine mult mai sensibilă, ceea ce o face deosebit de utilă, de exemplu, pentru urmărirea unei ținte detectate. Acesta este deja ceva ce nu este o rușine să îl pui în orice avion!

La început, în acest scop au fost folosite antene pasive phased array (PFAR), având un emițător și un receptor. Celulele sale nu conțin emițători și receptori separati, ci defazatori speciali, care, la primirea unui semnal de la emițător, își schimbă faza în modul dorit. Dar o opțiune mai modernă este o matrice activă în fază (AFAR), fiecare celulă având propriul emițător și receptor, deși, desigur, toate funcționează sub controlul unui singur centru electronic. Fiecare celulă AFAR emite însăși un semnal controlat în fază și frecvență, iar în cele mai complexe versiuni, în amplitudine.

Spre deosebire de PFAR, acestea sunt mult mai sensibile și mai fiabile: defectarea emițătorului sau receptorului nu face din întregul AFAR un morman de fier inutil, continuă să funcționeze: există sute de astfel de receptoare și transmițătoare în AFAR-uri! Ei bine, computerele moderne și puternice extind și mai mult capacitățile acestui instrument, permițându-vă să urmăriți simultan zeci de ținte, inclusiv cele de la sol - și chiar să mapați zona în paralel cu munca dvs. principală.

Mai mult, devine posibil să lucrezi cu frecvente diferite radiații, creșterea imunității la zgomot sau, să zicem, utilizarea AFAR pentru a interfera cu inamicul: o parte a celulelor funcționează ca un radar, iar cealaltă ca un bruiaj. În cele din urmă, sunt mai economice: în PFAR există pierderi mari de semnal în timpul transmisiei către defazatoare, dar în AFAR pur și simplu nu există.

Desigur, în această mare de miere a existat și o parte echitabilă de gudron. Principala durere de cap pentru dezvoltatorii de radare cu AFAR este răcirea. O astfel de masă de emițători se supraîncălzi extrem de puternic și chiar și în zbor răcire cu aer este complet insuficientă și trebuie să folosim sistem lichid umplute cu agenți frigorifici speciali.

O altă problemă este costul: în AFAR-urile moderne, numărul de elemente individuale de celule ajunge la sute, sau chiar 1-1,5 mii și dacă fiecare dintre ele nu costă prea mult - să zicem câteva sute de dolari - atunci totalul se dovedește a fi destul de semnificativ.

Eli Bruckner

O antenă radar care se rotește constant, care direcționează semnale de înaltă frecvență către orizont pentru a detecta obiecte îndepărtate, este un element integrant al panoramei unui aerodrom modern. Cu toate acestea, în multe dintre aplicațiile radar mai proeminente, cum ar fi aviația, apărarea aeriană și recunoașterea, oglinda antenei orientabilă mecanic începe să fie înlocuită cu un nou tip de dispozitiv. Un set de antene mici identice situate în același plan, fiecare dintre ele capabilă să transmită și să primească semnale, înlocuiește reflectorul concav. Fasciculul creat de acest set de antene se mișcă, supraveghend spațiul aerian, în timp ce sistemul de antenă în sine rămâne staționar. Direcția radiației electromagnetice generate de radar este stabilită de un special dispozitiv electronic, iar controlul fasciculului se bazează pe utilizarea fenomenului de interferență a undelor electromagnetice. Această inovație tehnică folosită în sistemele radar se numește antene cu matrice fază. Principiile de bază ale construirii stațiilor radar rămân aceleași.

Funcționarea tuturor stațiilor radar se bazează pe emisia direcțională a semnalelor radio. De obicei, frecvența de emisie se află în intervalul de microunde, de la 3108 la 1010 Hz, deși unele tipuri de radare cu rază foarte lungă de acțiune funcționează în intervalele de înaltă frecvență (HF) și ultra înaltă frecvență (UHF), sau respectiv în intervalele de la 3106 la 1010 Hz. 1010 Hz 3107 Hz și 3107 până la 3108 Hz. În funcție de forma sa, antena emite un fascicul îngust, foarte direcțional, potrivit pentru urmărire precisăîn spatele țintei, sau un fascicul larg în formă de evantai, cel mai potrivit pentru vizualizarea unor zone largi ale spațiului aerian.

Când semnalul transmis de antenă ajunge la obiect, acesta este reflectat. Dacă puterea impulsului transmis, sensibilitatea antenei și reflectivitatea obiectului sunt suficient de mari, semnalul reflectat care lovește antena poate fi detectat de o stație radar. În funcție de tipul de radar și de tipul de impuls emis, semnalul reflectat poartă diverse informatii despre obiectiv.

Direcția din care vine semnalul reflectat determină locația obiectului și dacă stația radar emite mai degrabă impulsuri de energie decât semnal continuu, apoi după timpul de întârziere dintre trimiterea pulsului și primirea semnalului reflectat, se poate judeca și distanța până la obiect. Unele stații radar măsoară deplasarea de frecvență Doppler a semnalului reflectat (adică diferența dintre frecvențele semnalelor directe și reflectate), care apare atunci când sursa de radiație (în acest caz, ținta) și receptorul (radarul) se mișcă. relativ unul față de celălalt. Deplasarea Doppler este utilizată pentru a calcula viteza obiectului către sau departe de antenă.

Pentru distanta data obiectului, intensitatea semnalului reflectat oferă o idee despre dimensiunea obiectului. Cuvântul „reprezentare” este folosit aici în mod deliberat: două obiecte de aceeași dimensiune, dacă au forme diferite sau sunt realizate din materiale diferite, vor trimite semnale reflectate care diferă semnificativ ca intensitate. Pentru a obține informații mai precise despre dimensiunea obiectelor, unele stații radar transmit impulsuri atât de scurte încât sunt fizic mai scurte decât țintele pe care le pot întâlni pe calea lor. Dacă o stație radar emite energie doar pentru câteva miliarde de secundă, atunci când transmiterea pulsului este finalizată, frontul său va fi parcurs o distanță în spațiu de ordinul unuia sau mai multor metri. Un astfel de impuls în spațiu are o întindere mai mică decât, de exemplu, un avion. Semnalele radio sunt reflectate atât de pe suprafețele țintă îndepărtate, cât și din apropiere, iar în cazul unui impuls extrem de scurt, sunt produse două semnale reflectate. Intervalul de timp dintre aceste două semnale reflectate corespunde lungimii țintei.

Deoarece radarul convențional acoperă zone largi ale spațiului aerian, poate colecta informații despre un număr mare de obiecte. Cu toate acestea, există inevitabil un interval de timp (uneori semnificativ) între momentele succesive când aceeași țintă apare în câmpul vizual al radarului. Viteza de actualizare a informațiilor despre țintă, de ex. frecvența cu care aceeași țintă este înregistrată de radar, pentru majoritatea stațiilor cu antenă rotativă nu depășește viteza de rotație a oglinzii antenei în jurul axei acesteia. În radarele de control al traficului aerian, de exemplu, linia radială verde, care se deplasează pe ecran, lăsând urme pe ea care caracterizează noua locație a aeronavei și poartă alte informații despre aceasta, se rotește cu aceeași viteză cu care se rotește însăși oglinda antenei. . Informațiile despre obiectul observat în astfel de stații radar sunt de obicei actualizate la fiecare șase secunde și chiar și în cele mai avansate stații militare, informațiile sunt rareori actualizate de mai mult de două ori într-o secundă.

Sunt împrejurări în care informație nouă poziția și mișcarea țintelor trebuie obținute mai frecvent. Un singur radar cu antenă direcționată mecanic poate asigura achiziția continuă de date pe unul sau mai multe obiecte apropiate distanță prin urmărirea continuă a acestora prin rotirea sistemului de antenă. Cu toate acestea, pentru multe misiuni de luptă și recunoaștere, cum ar fi urmărirea de pe o navă de război mai multe rachete care se îndreaptă spre ea din direcții diferite sau monitorizarea atentă a zborului mai multor componente ale unui focos divizat în timpul unui test de rachete balistice intercontinentale, fiecare dintre un număr mare de ținte trebuie monitorizat continuu. Până de curând, în astfel de cazuri, se recurgea la utilizarea mai multor stații radar, fiecare dintre ele fiind destinată urmăririi uneia sau mai multor ținte. Odată cu apariția radarelor phased array, nevoia de a folosi mai multe radare cu antene controlate mecanic în astfel de cazuri a dispărut. Acum pot fi înlocuite cu o singură stație, echipată cu un nou sistem de antenă. Un exemplu este un radar cu numele de cod COBRA DANE, care are o antenă cu matrice fază; este instalat pe malul Mării Bering și poate monitoriza simultan sute de ținte dispersate într-un spațiu limitat de 120° în azimut și aproximativ 80° în altitudine. În realitate, radarul observă aceste ținte simultan, trecând automat fasciculul de la o țintă la alta într-o scară de timp măsurată în microsecunde.

Direcția electronică a fasciculului care atinge astfel de capacități remarcabile se bazează pe un fenomen fizic simplu. Când sursele din apropiere emit energie simultan la aceeași frecvență, undele emanate din aceste surse se adună. Acest fenomen se numește interferență. Natura interacțiunii a două unde din două surse separate în spațiu depinde de defazarea dintre aceste unde. Dacă crestele și, respectiv, jgheaburile unui val coincid cu crestele și, respectiv, jgheaburile altei undă (defazatul este 0), atunci oscilația rezultată va avea o amplitudine totală. Dacă undele sunt defazate și crestele și jgheaburile lor nu coincid, atunci semnalul rezultat va fi atenuat sau (la o schimbare de fază de 180°) egal cu 0.

O antenă cu matrice fază este de obicei asamblată din elemente radiante situate în același plan și la aceeași distanță unele de altele, cărora le sunt furnizate semnale cu microunde de amplitudine și fază egale. Oscilatorul principal generează semnalul, iar tranzistoarele și tuburile speciale concepute să funcționeze în intervalul de microunde, cum ar fi tuburile cu unde mișcătoare, îl amplifică. Dacă semnalele sunt emise în fază de la toate elementele matricei, atunci amplitudinile lor sunt adăugate în anumite puncte din spațiu de-a lungul unei linii perpendiculare pe planul matricei. În consecință, semnalul emis va fi puternic, iar semnalul reflectat de obiectele aflate pe calea propagării sale de-a lungul unei axe perpendiculare pe planul rețelei de antene și într-un unghi mic față de acesta va avea o intensitate suficientă pentru detectarea sa. .

La unghiuri mari de abatere de la axa perpendiculară a rețelei de antene, semnalele de la diferite elemente radiante trebuie să parcurgă distanțe inegale până la țintă. Ca urmare, raportul dintre fazele lor se schimbă și ele interferează, slăbind sau distrugându-se complet reciproc. Astfel, în afara unui con îngust, a cărui axă coincide cu axa perpendiculară a rețelei de antene și în care se produce interferențe cu creșterea amplitudinii undei rezultate, semnalele reflectate de la obiecte au intensitate scăzută și nu pot fi detectate. Principii fizice, care stau la baza formării modelelor de interferență, fac posibilă determinarea lățimii acestui con. Este direct proporțională cu lungimea de undă de funcționare a radiației și invers proporțională cu dimensiunea rețelei de antene. Dacă fiecare element al rețelei de antene emite semnale în fază cu celelalte, atunci fasciculul radar se propagă într-o direcție strict perpendiculară pe planul rețelei.

Acum să presupunem că semnalele fiecărui element radiant sunt întârziate cu un timp care crește uniform de la element la element de-a lungul planului matricei. În acest caz, semnalul emis de fiecare element va întârzia cu o parte din lungimea de undă față de semnalul elementului vecin. Ca rezultat, toate semnalele vor fi defazate unul față de celălalt. Acum, zona în care semnalele individuale sunt în fază și, adunând, oferă un semnal de amplitudine totală, cu care puteți detecta ținte, nu este situată de-a lungul axei perpendiculare a rețelei, ci este deplasată în direcția creșterii întârzierii semnalului. . Unghiul de deviere al fasciculului depinde de defazarea semnalelor emise de elementele vecine ale rețelei de antene, de dimensiunea acestora din urmă și de lungimea de undă. Și în acest caz, fasciculul ia forma unui con îngust, înconjurat de zone de interferență de atenuare. Astfel, fasciculul radar este deviat fără a schimba poziția antenei.

Când semnalul reflectat revine de la o țintă care se află în această nouă direcție, determinată de schimbarea de fază crescândă, circuitul asigură întârzierea semnal transmis, introduce o nouă serie de întârzieri ale semnalelor individuale care ajung la fiecare dintre elementele radiante. Deoarece partea frontală a undei care se întoarce ajunge la matricea antenei la un unghi față de planul său, elementele antenei care au emis semnalul ultimele (sunt situate mai aproape de țintă) primesc mai întâi impulsul reflectat. Prin urmare, aceeași serie de întârzieri, datorită cărora se creează o direcție dată de radiație, asigură că toate componentele semnalului reflectat intră în dispozitivul de recepție în aceeași fază, ceea ce face posibilă procesarea lor pentru a obține informații despre țintă.

Controlul întârzierii de fază face posibilă devierea fasciculului unei rețele de antene convenționale la un unghi de până la 60° față de axa perpendiculară, ceea ce oferă un câmp vizual de 120° în azimut, adică menținând staționarea antenei, sondajele radar. o treime din linia orizontului circular, iar dacă planul Rețeaua are o pantă suficientă, atunci de la orizont până la zenit și mult dincolo de acesta. Deoarece controlul fasciculului nu este asociat cu nicio ajustare mecanică, deplasarea fasciculului în întreaga zonă de vizualizare durează doar câteva microsecunde. Folosind un computer pentru a calcula schimbările de fază necesare pentru a devia fasciculul la unghiul dorit și pentru a controla circuitele de întârziere a semnalului, un radar cu matrice de fază, cum ar fi COBRA DANE, poate urmări câteva sute de ținte simultan.

Dispozitivul electronic care controlează fasciculul radar și creează întârzierea necesară a semnalului cu microunde atunci când este aplicat fiecărui element al matricei de antene este numit defazător. Este format din secțiuni de cablu sau ghid de undă foarte dimensiuni exacte. Creșterea lungimii cablului prin care semnalul de la generator sau amplificator este furnizat elementului radiant duce la o întârziere a timpului de propagare a semnalului. În practică, este imposibil să se asigure că lungimea tuturor cablurilor prin care semnalele sunt furnizate elementelor radiante ale unei antene cu matrice fază se schimbă fără probleme, asigurând schimbare continuăîntârzieri de fază. Prin urmare, schimbarea de fază are loc în salturi. Fiecare element al matricei de antene este conectat la mai multe cabluri de lungimi diferite. Pentru a obține schimbări de fază care asigură o deviație a fasciculului dat, în fiecare circuit este inclusă o anumită combinație de cabluri.

Radarul COBRA DANE utilizat în scopuri de recunoaștere, de exemplu, folosește dispozitive de defazare cu trei elemente. Fiecare astfel de dispozitiv are trei linii de benzi de lungimi diferite, un fel de ghid de undă, care asigură transmiterea oscilațiilor cu microunde de-a lungul unei benzi înguste de cupru situate între două plăci de cupru împământate. Una dintre liniile de bandă mărește lungimea căii semnalului cu o cantitate egală cu jumătate din lungimea de undă, aproximativ 15 cm, deoarece frecventa de operare Radarul COBRA DANE este de aproximativ 1 GHz. Aceasta asigură o defazare de 180° a semnalului în raport cu semnalul neîntârziat. O altă linie de bandă întârzie semnalul cu un sfert din lungimea de undă, adică asigură o schimbare de fază de 90°. Lungimea celei de-a treia linii de bandă este de așa natură încât creează o întârziere egală cu o optime a lungimii de undă, care corespunde unei schimbări de fază de 45°. În diferite combinații, aceste trei linii de bandă pot schimba faza semnalului cu orice număr de grade în multipli de 45, de la 0 la 315°.

O schimbare de treaptă a valorii întârzierii de fază ar trebui probabil să ducă la apariția unor zone moarte. Cum, atunci, prin utilizarea a opt decalaje diferite de fază la intervale de 45°, un fascicul radar poate fi menținut în mișcare continuă? Răspunsul la această întrebare constă în proprietățile tiparelor de interferență. Ori de câte ori diferența de fază dintre semnalele emise din părțile opuse ale rețelei de antene atinge 360° sau aceeași lungime de undă, regiunea de interferență în care se formează fasciculul cu amplitudinea totală se va deplasa în spațiu cu o distanță aproximativ egală cu lățimea proprie. Prin urmare, pentru a deplasa un fascicul perpendicular pe planul rețelei de antene (direcția pe care o are atunci când toate semnalele sunt emise în fază) într-o poziție adiacentă fără a crea o zonă moartă între cele două poziții, schimbarea totală de fază de-a lungul planului matricea de antene trebuie să fie de aproximativ 360°.

Nu contează dacă schimbările de fază de-a lungul planului grătarului cresc continuu sau treptat (la fiecare 45°). O schimbare treptată a schimbărilor de fază duce la doar o scădere ușoară a puterii de radiație și o oarecare pierdere a sensibilității sistemului de antenă. Pentru a oferi mai mult mișcare lină fasciculul unei rețele de antene cu dispozitive de defazare cu trei elemente, puteți seta o valoare totală mai mică a defazajului, de exemplu, 180°, adică de patru ori la 45°.

Dacă fasciculul trebuie să fie deviat de la direcția perpendiculară cu o sumă mai mare decât lățimea sa, schimbarea totală de fază de-a lungul planului rețelei de antene trebuie să depășească 360°. Datorită naturii periodice a oscilațiilor electromagnetice, o defazare a unui multiplu de lungimi de undă este echivalentă cu 360°. Pentru o schimbare totală de fază de peste 360°, o creștere liniară a întârzierii de fază de la zero la 360° trebuie repetată de mai multe ori pe întregul plan al rețelei de antene. Prima serie de întârzieri oferă o defazare totală de o lungime de undă, a doua serie o mărește la două lungimi de undă etc. Grafic, modificarea întârzierii de fază de-a lungul planului rețelei de antene este reprezentată sub formă de dinți de ferăstrău: cu cât teșiturile lor sunt mai abrupte și cu cât numărul lor este mai mare, cu atât fasciculul se deviază mai ascuțit.

Din regulile geometrice simple rezultă că, pe măsură ce abaterea fasciculului de la direcția perpendiculară crește, aria efectivă a antenei scade. Ca rezultat, sensibilitatea unei antene cu matrice fază la semnalele reflectate de la o țintă scade rapid la unghiuri de abatere a fasciculului față de axa perpendiculară de peste 60°. Prin urmare, o antenă cu matrice cu o singură fază nu poate oferi aceeași capacitate de vizualizare omnidirecțională ca antenele rotite mecanic. O soluție la această problemă este utilizarea mai multor rețele de antene cu planurile îndreptate în direcții diferite. O altă modalitate de a extinde zona de vizualizare a unei antene cu matrice fază este să o poziționați într-un plan orizontal sub o lentilă în formă de cupolă, care reflectă radiația și, din acest motiv, unghiul de deviere al fasciculului radar crește. Când matricea de antene formează un fascicul la un unghi de 60° față de zenit, utilizarea unei lentile poate oferi o deviere și mai mare, de până la 90° față de zenit, de exemplu. spre orizont. Astfel, obiectivul vă permite să inspectați întreaga emisferă a spațiului aerian folosind matricea de antene. Lentila poate fi realizată din ceramică specială sau plastic care reflectă radiația cu microunde. De asemenea, poate acționa ca o a doua etapă de defazare pentru a întârzia și mai mult faza semnalului emis de matricea de antene.

Când controlul de fază este utilizat pentru a trimite un impuls scurt la un unghi mare pe axa perpendiculară a matricei de antene, pulsul emis va fi inevitabil distorsionat - întins în timp și spațiu. Să presupunem că antena emite un impuls cu o durată de 5 ns. Dacă radiația de la o stație radar este îndreptată strict perpendicular pe planul rețelei de antene, atunci pulsul are o secțiune longitudinală dreptunghiulară în spațiu; lățimea sa este egală cu lățimea rețelei de antene, iar lungimea sa este distanța pe care o parcurge unda electromagnetică în 5 ns, adică. 1,5 m Dacă, pe de altă parte, din cauza unei defazări, fasciculul se abate semnificativ de la axa perpendiculară, atunci secțiunea transversală longitudinală a pulsului va avea forma unui paralelogram. În raport cu ținta, lungimea pulsului va fi mai mare de 1,5 m, deoarece semnalele emise de elementele individuale ale rețelei de antene ajung la țintă nu simultan, ci secvențial. Impulsul reflectat care revine la matricea de antene va fi, de asemenea, întins.

Pentru detectarea și urmărirea țintei, sunt utilizate în mod obișnuit durate mult mai lungi de impuls, cum ar fi 1000 ns, iar distorsiunea în câteva nanosecunde este de mică importanță. Întinderea pulsului, la rândul său, are un efect redus asupra capacității stației radar de a determina locația și viteza țintei în funcție de natura semnalului reflectat. Pentru a observa separat țintele care se deplasează în formație apropiată, totuși, este necesar să se emită impulsuri scurte. Ele sunt, de asemenea, necesare pentru a determina dimensiunea unei ținte din semnalele reflectate de pe suprafețele sale din față și din spate. Dacă pulsul scurt transmis este întins, atunci semnalele reflectate nu mai ajung separat, ci se îmbină, ceea ce face dificilă obținerea informațiilor necesare.

O metodă similară cu cea folosită pentru direcția fasciculului prin semnale de defazare ajută și în acest caz; vă permite să mențineți forma pulsului. Pentru a asigura schimbarea de fază necesară, este necesar să se întârzie semnalele doar pentru un timp corespunzător unor părți ale lungimii de undă. Întârzierile care sunt necesare pentru a evita întinderea pulsului sunt echivalente cu un număr întreg de lungimi de undă. În acest caz, semnalele sunt emise de elementele individuale ale rețelei de antene în mod secvențial, iar avansul în emisie al fiecărui semnal în raport cu următorul este proporțional cu distanța pe care trebuie să o parcurgă semnalul până la țintă. Rezultatul este același efect ca și cum matricea de antene ar fi rotită, menținând ținta în direcția unei axe perpendiculare. Această metodă este cunoscută sub denumirea de direcție cu întârziere a fasciculului. Similar cu metoda care utilizează întârzieri de fază crescătoare, face posibilă trimiterea unui semnal de radiație coerent și, prin urmare, puternic într-o direcție dată.

Întârzierile atât de mari, echivalente cu o distanță de câțiva metri pe care o parcurge semnalul, necesită includerea unor secțiuni de cablu de lungime corespunzătoare în calea semnalului de la generator sau amplificator la elementul radiant. O antenă mare în faze poate include multe mii de elemente radiante și, dacă fiecare ar avea propriul circuit de întârziere, instalarea radarului ar fi extrem de complexă și costisitoare. Prin urmare, proiectanții stațiilor radar se străduiesc să găsească o soluție de compromis care să atingă simultan forma dorită a impulsului, chiar și la unghiuri mari de abatere a direcției radiației de la axa perpendiculară a matricei de antene și simplitatea designului. Ca rezultat, radarele moderne cu matrice fază controlează fasciculul utilizând atât schimbări de fază, cât și întârzieri de timp.

În radarul COBRA DANE, de exemplu, fiecare dintre cele 15.360 de elemente radiante este asociat cu un defazator separat cu trei elemente, astfel încât fiecare semnal este defazat separat. În modul de detectare a țintei, radarul emite impulsuri cu o durată de 1000 ns, iar fasciculul este controlat doar prin introducerea întârzierilor de fază. Deoarece scopul radarului este de a urmări rachetele balistice, acesta trebuie să ofere informații despre dimensiunea acestora după detectare. În acest scop, matricea de antene este împărțită în 96 de secțiuni, fiecare dintre acestea incluzând 160 de elemente radiante. După ce ținta este detectată, stația începe să emită impulsuri de foarte scurtă durată, iar semnalele furnizate fiecărei secțiuni a rețelei de antene trec mai întâi printr-un circuit de întârziere. Aceste circuite sunt similare cu dispozitivele de defazare, dar au dimensiuni mult mai mari. Ele constau dintr-un set cabluri coaxiale lungimi diferite, iar orice combinație a acestora poate fi inclusă în circuit pentru a crea întârzieri de timp corespunzătoare propagării semnalului pe o distanță de la 1 la 64 de lungimi de undă, sau aproximativ 19,2 m, deoarece frecvența de funcționare a radarului COBRA DANE este de aproximativ 1 GHz.

Deoarece dimensiunea transversală a secțiunilor individuale ale rețelei de antene este de aproximativ 2,7 m, ceea ce este mic în comparație cu diametrul său de 29 m, distorsiunile care apar în fiecare secțiune a rețelei la unghiuri mari de abatere a fasciculului față de axa perpendiculară sunt acceptabile. limite. Fiecare secțiune a rețelei de antene emite un semnal care ocupă un volum în spațiu, a cărui secțiune longitudinală are forma unui paralelogram. Din cauza întârzierilor de timp, aceste semnale sunt însumate astfel încât distorsiunile semnalelor individuale să nu se adună. Ca urmare, forma pulsului este păstrată destul de bine și doar 96 de dispozitive, în loc de 15.360, sunt utilizate pentru a furniza întârzieri de timp pentru semnale. utilizare suplimentară cabluri cu o lungime totală de ceva mai mare de 1500 m Dacă matricea de antene nu ar fi fost împărțită în zone separate, atunci ar fi nevoie de încă 165 km de cablu.

Înlocuirea antenei în mișcare cu un set de elemente radiante fixe este, de asemenea, posibilă control electronic fasciculul poate oferi alte beneficii. Unul dintre aceste avantaje este asigurarea unei fiabilitati operaționale ridicate. Funcționarea unei rețele fixe de antene este independentă de starea componentelor mecanice care pot fi purtate, cum ar fi rulmenții și motoarele. În plus, în majoritatea stațiilor radar cu control mecanic O antenă folosește unul sau mai multe tuburi cu vid foarte mari pentru a amplifica semnalele cu microunde.

Un exemplu este stația radar Marconi Martello, fabricată în Marea Britanie și destinată utilizării într-un sistem de apărare aeriană. Elementul principal al circuitului din această stație este un tub vidat cu o putere de ieșire de aproximativ 3 MW. Dacă eșuează, întregul sistem eșuează. Adevărat, astfel de stații radar destinate funcționării în sistemele de recunoaștere și apărare aeriană oferă întotdeauna posibilitatea de a trece rapid la surse auxiliare de energie cu microunde.

În schimb, în ​​stația radar COBRA DANE, energia radiată este generată de 96 de lămpi, fiecare cu o putere de 160 kW. Semnalul de ieșire de la fiecare lampă ajunge la un divizor și apoi la 160 de elemente radiante care formează o secțiune a matricei de antene. Defectarea unei lămpi în acest caz duce la defecțiunea doar a uneia dintre cele 96 de părți ale rețelei de antene, iar stația radar în ansamblu rămâne operațională, deși calitatea funcționării sale se deteriorează oarecum. Mai mult, lămpi dimensiune mai micăÎn caz de defecțiune, este mai ușor de înlocuit decât singura lampă mare utilizată în radarul Martello.

Radarele cu matrice de fază cu circuite semiconductoare au și mai multe nivel inalt fiabilitate și ușurință în exploatare. Circuitele tranzistoare ale generatoarelor și amplificatoarelor sunt utilizate, de exemplu, în stațiile radar cu numele de cod PAVE PAWS, concepute pentru a detecta rachete balistice lansate de pe nave și submarine (astfel de stații au fost deja instalate în Peninsula Cape Cod și în statul California, și desfășurarea lor planificată în Georgia și Texas). Modulele separate conțin patru tranzistoare conectate în paralel cu o putere de 100 W fiecare. Fiecare modul asigură excitarea unui element radiant. Astfel, semnalele aplicate pe fiecare dintre cele două suprafețe ale antenei duale sunt amplificate simultan de 1792 de module din lanțul de elemente de antenă, mai degrabă decât de 96 de lămpi, astfel încât defecțiunea unui element are și mai puțin impact asupra performanței stației radar. ca un intreg, per total. În plus, timpul mediu dintre două eșecuri pentru unul modul semiconductor semnificativ mai mult decât pentru lampa utilizată în stația radar COBRA DANE. În primul caz, această cifră este de 100.000 de ore, în al doilea - 20.000 de ore Dacă modulele cu o lungime de 30 cm și funcționează de la o sursă de tensiune de 28 V, înlocuirea lor este mult mai ușoară decât lămpile din radarul COBRA DANE. stație, care au o lungime de 1,5 m și funcționează la o tensiune de 40.000 V.

În radarul PAVE PAWS, ca și în multe altele construite pe elemente semiconductoare, semnalele sunt amplificate după ce sunt distribuite peste elementele antenei și deplasate în fază. Prin urmare, pierderile de putere care apar atunci când semnalul amplificat trece prin divizor și circuitele dispozitivului de defazare sunt eliminate. Cu toate acestea, alături de acest câștig de eficiență și de toate celelalte avantaje, tehnologia semiconductoarelor are și un dezavantaj. În general, furnizează puteri de vârf mai mici decât pot fi obținute cu tuburile cu vid.

Limitările asociate cu capacitatea de a obține semnale de mare putere în radarele cu semiconductor au sporit importanța așa-numitei metode de codare și compresie a impulsurilor, care poate fi utilizată pentru a simula impulsuri scurte, de mare putere, în timp ce emite o putere mai mică, mai lungă. semnale de durată. Această tehnică nu-și pierde din importanță în cazul utilizării stațiilor radar puternice pe bază de tuburi vid, atât cu antene controlate mecanic, cât și cu rețele de antene în fază, atunci când este necesară obținerea anumitor informații despre obiecte îndepărtate.

Raza la care o stație radar cu o anumită sensibilitate a căii de recepție poate detecta obiecte de o anumită dimensiune și cu o anumită reflectivitate depinde de energia totală a impulsului. Cu cât pulsul este mai scurt, cu atât puterea maximă de radiație trebuie să fie mai mare pentru un interval dat. Radarul COBRA DANE poate detecta obiecte metalice de dimensiunea grepfrutului la o distanta de aproximativ 2000 km. Pentru a face acest lucru, cu o durată a impulsului de 5 ns, puterea de radiație de vârf trebuie să fie nu mai mică de 3 1012 W, ceea ce este mai mult decât suficient pentru a distruge toate circuitele stației radar.

Și totuși determinați dimensiunea obiectului sau observați separat un număr de obiecte care zboară distanta scurta unul de altul, este posibil numai cu ajutorul impulsurilor de scurtă durată. Faptul că raza de acțiune a unei stații radar este determinată nu de puterea de vârf, ci de energia totală a pulsului, ajută la găsirea unei soluții. Este după cum urmează. Când radarul funcționează în modul de transmisie, pulsul emis este întins și puterea de vârf este redusă în consecință. Această tehnică se numește codificare puls. În modul de recepție, semnalul reflectat este comprimat pentru a extrage din acesta toate informațiile care ar putea fi obținute prin transmiterea unui impuls cu adevărat scurt. În radarul COBRA DANE, de exemplu, un impuls de 5 ns înainte de a fi amplificat și emis este întins de 200 de mii de ori și durata lui devine 1 ms. Puterea de vârf necesară este redusă cu același factor - de la 3 1012 W la 15 MW, puterea reală de radiație a COBRA DANE.

Cu tehnicile convenționale de codare, un impuls de 5 ns, care include un spectru de frecvență, trece printr-o linie de întârziere dispersivă, ceea ce provoacă diferite întârzieri ale componentelor individuale ale acestui spectru: cu cât frecvența componentei este mai mare, cu atât întârziere mai mare; componenta de frecvență cea mai joasă a semnalului este emisă fără întârziere, în timp ce componenta de frecvență cea mai înaltă primește o întârziere maximă de 1 ms. După aceasta, pulsul, având deja o durată de 1 ms, este amplificat și emis; semnalul reflectat recepţionat are aceeaşi durată.

Semnalul primit este trecut printr-un circuit de compresie, care introduce o serie de întârzieri suplimentare. De data aceasta durata întârzierilor este legată de frecvență în sens invers. Componenta de frecvență cea mai joasă a spectrului de puls primește o întârziere de 1 ms, iar componenta de frecvență cea mai înaltă nu primește nicio întârziere. Astfel, în timpul procesului de codificare și comprimare a unui impuls, fiecare dintre componentele spectrului de semnal primește aceeași întârziere totală. Ca urmare, semnalul reflectat este nedistorsionat și are o durată de 5 ns.

Dacă un impuls emis cu o durată de 1 ms, care în spațiu are o lungime egală cu 300 km, în timpul propagării întâlnește un obiect care este semnificativ mai scurt decât acesta, atunci pulsul revine înapoi sub forma a două semnale reflectate suprapuse. În modul obișnuit Astfel de semnale reflectate nu pot fi separate și este imposibil să se determine dimensiunea unui obiect din poziția lor relativă. Cu toate acestea, atunci când semnalele reflectate codate, suprapuse sunt comprimate, ieșirea este de două semnal diferit durata 5 ns.

Codificarea și compresia impulsurilor îndeplinesc același rol în stațiile radar construite pe elemente semiconductoare. Chiar și atunci când nu este nevoie să se determine dimensiunea obiectului de la care este reflectat semnalul, definiție precisă distanța până la obiect necesită utilizarea unor impulsuri destul de scurte. Dacă nu utilizați compresia, atunci folosind impulsuri cu o durată de 1 ms puteți determina distanța până la un obiect cu o precizie de numai 150 km. În plus, atunci când se emit impulsuri lungi, este afectat efectul interferenței locale cauzate de reflexia precipitațiilor și a solului. În același timp, tehnologia semiconductoarelor nu poate furniza astfel de puteri care sunt necesare atunci când funcționează cu impulsuri scurte, astfel încât raza de acțiune a radarului să fie aceeași ca și atunci când emit impulsuri de lungă durată. Prin urmare, pentru a obține o rază lungă de acțiune și o rezoluție mare la putere de radiație scăzută, este necesar să se utilizeze codificarea și compresia impulsurilor în radarele bazate pe elemente semiconductoare.

Primele radare cu matrice fază, care au început să fie utilizate în anii 60 și 70, au fost destinate scopurilor militare și de recunoaștere. Există circumstanțe în care sectoarele civile ale economiei dictează nevoi care stimulează dezvoltarea echipamentelor militare. În special, aviația civilă trebuie să obțină date despre obiectele care se mișcă rapid în zona aerodromului unde aeronavele care sosesc își nivelează cursul pentru aterizare. Stațiile radar care controlează apropierea aeronavelor de pistă le direcționează spre aterizare, în timp ce monitorizează raza de acțiune a aeronavei și poziția lor față de pistă. Intensitatea tot mai mare a traficului aerian creează o nevoie din ce în ce mai mare de a echipa aviația civilă cu radare cu matrice în faze.

Odată cu scăderea numărului de elemente radiante, costul unei antene cu matrice fază scade. În majoritatea aplicațiilor tehnologiei radar, sistemele de antene trebuie să aibă un număr mare de elemente radiante. O matrice mică de antene are un fascicul mai puțin focalizat și, prin urmare, mai larg. Acest lucru îi reduce rezoluția în coordonate unghiulare, iar zona mică nu poate oferi o sensibilitate ridicată la semnalele reflectate. Când nu este nevoie să supraveghezi o suprafață mare a spațiului aerian, ambele dezavantaje ale unei rețele mici de antene pot fi depășite prin combinarea acesteia cu un reflector mare.

Câmpul vizual al stației radar de control al apropierii aeronavei nu trebuie să fie mare. De obicei, o astfel de stație radar ar trebui să scaneze zona într-un interval de aproximativ 10° în azimut și de la 7 la 14° în altitudine. Prin urmare, în aceste scopuri, se poate utiliza un sistem hibrid format dintr-o antenă cu matrice fază și un reflector tradițional. Un design de radar folosește o rețea de antene cu 443 de elemente radiante, care funcționează împreună cu un reflector cu dimensiuni de 3,96 x 4,57 m Rețeaua este situată în apropierea focarului reflectorului, care reflectă fasciculul la orice unghi de radiație al antenei. matrice. În acest caz, reflectorul acționează ca o lentilă, concentrând fasciculul și reducându-i împrăștierea laterală. Razele reflectate devin mai înguste și se potrivesc într-un unghi mai îngust în spațiu. Rezultatul este capacitatea îmbunătățită a matricei de a rezolva două ținte într-un unghi mic și de a determina azimutul precis al unei singure ținte. De asemenea, reflectorul crește sensibilitatea la semnalul reflectat. În viitor, noi progrese în tehnologia circuitelor vor fi utilizate în radare. Utilizarea în tehnologia radar a unei baze elementare similare cu circuitele integrate digitale utilizate în tehnologia calculatoarelor, va reduce semnificativ numărul și dimensiunea componentelor necesare pentru a genera, primi și procesa semnale. Noi celule cristaline de arseniură de galiu cunoscute sub numele de celule monolitice cu microunde circuite integrate, combina dispozitive de defazare, întrerupătoare și amplificatoare cu tranzistori. Modulul transceiver, care conține toate circuitele necesare pentru a crea un element radiant al unei rețele de antene în faze, poate fi acum complet asamblat folosind doar 11 astfel de microcircuite. Între timp, construirea modulelor transceiver pe elemente semiconductoare necesită sute de piese.

Dezvoltarea electronicii va permite în cele din urmă