ГЛАВА 1. Особенности построения активной фазированной антенной решетки для радиоэлектронных комплексов

1.1. Предпосылки создания

Прогресс в создании новых типов самолетов и ракет, ставший особенно интенсивным к середине XX века, привел к существенному росту скоростей целей и уменьшению их эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) [1-4]. Это потребовало значительного усовершенствования радиолокационных станций как одного из наиболее оптимальных средств обнаружения и наблюдения за воздушными целями. Именно в этот период фазированные антенные решетки (ФАР) начали широко внедряться в различного назначения. Однако их разработка показала, что замена зеркальной антенны на пассивную ФАР увеличивает потери энергии в высокочастотной части в несколько раз. Для сохранения тактических характеристик эти потери приходилось компенсировать увеличением выходной мощности передатчика, что влекло за собой увеличение веса и объема. Одновременно возрастала потребляемая мощность

Для установленной на воздушном носителе или космической платформе, такое увеличение объема, веса и энергопотребления обычно практически невозможно. Да и для наземных радаров, особенно имеющих большую дальность обнаружения целей, оно является проблематичным. Создание новых типов самолетов и ракет привело к росту скоростей цели и уменьшению их ЭПР. Это потребовало от радаров применения электрического сканирования луча и увеличения излучаемой мощности. Использование же в них пассивных ФАР приводило к увеличению объема и веса аппаратуры, не позволяющему решить задачу - «повышение мощности - сохранение мобильности». Одним из ее реальных решений явился переход к использованию в активных фазированных антенных решеток (АФАР) [4-6].

Современная радиотехническая обстановка характеризуется быстроменяющейся радиосценой при наличии пассивного и активного противодействия, требующая разработки многофункциональных радиоэлектронных комплексов (РЭК), легко адаптируемых к конкретным условиям

в окружающей помеховой ситуации, и значительного усовершенствования характеристик всех видов РЭК (бортовых, наземных) и радиосистем (локационных, связных, навигацнонных), находящихся в составе комплекса. Одной из наиболее жизненно важных систем РЭК является антенный модуль, в значительной степени определяющий характеристики комплекса в целом (точность обнаружения и наведения, дальность действия, возможность многофункциональной работы в помеховых условиях). Для построения таких модулей были внедрены в РЭК АФАР различного назначения, позволяющие эффективно решать многие задачи в реальном масштабе времени. Опыт первых разработок наземных АФАР позволил разработать теорию и технику их проектирования (см. гл. 2.3), но в то же время показал, что АФАР не удается разрабатывать традиционными методами, когда сначала создаются отдельные элементы: антенна, передатчик, высокочастотный тракт и т.п., а потом из них формируется система.

В составе АФАР все эти элементы взаимосвязаны, интенсивно влияют на параметры друг друга и, в результате, определяют электродинамические характеристики решетки, и поэтому АФАР рассматривается как единый комплекс, а ее проектирование — это системная задача. Разработка РЭК с АФАР приводит к существенному изменению процесса проектирования других систем комплекса, начиная с обработки сигнала и кончая источником питания. К настоящему времени теоретические исследования, результаты моделирования, опыт разработки и испытаний радиокомплексов с АФАР позволили сформулировать достоинства и недостатки АФАР.

Достоинства АФАР:

возможность создания на их основе принципиально новых интегрированных РЭК, обеспечивающих многофункциональную работу с гибким управлением пространственными характеристиками и высоким энергетическим потенциалом, адаптацию к быстроменяющимся условиям и сложной помеховой обстановке, тем самым удовлетворяя все возрастающим требованиям к мощностным и массо-габаритным характеристикам антенных систем различного назначения; высокий уровень излучаемой мощности, обеспечиваемой суммированием в пространстве многих маломощных сигналов, что позволяет значительно превзойти мощностные характеристики одиночного фидерного тракта без опасности электрического пробоя;

высокая надежность, обеспечиваемая наличием избыточных элементов и их функциональными возможностями (наработка на отказ твердотельных усилителей составляет передатчик на ЛБВ - 300 500 ч [7, 9], отказ в твердотельном передатчике мгновенно не наступает и неисправности накапливаются постепенно);

при избыточности активных модулей АФАР и периодичности обслуживания наработка на отказ АФАР перестает влиять на надежность РЭК;

простота эксплуатации твердотельных АФАР из-за отсутствия высокого напряжения (питающие напряжения активных модулей достаточно низкие - 24...30 В) и, благодаря высокой фазовой стабильности ретулировка усилителей в процессе эксплуатации не требуется, их замена легко осуществляется в период регламентных работ), РЭК с АФАР проектируются как необслуживаемые системы;

малые массогабаритные характеристики твердотельных приемопередающих модулей (ППМ) АФАР, позволяющие проектировать многоэлементные решетки с высоким энергетическим потенциалом Опыт проектирования твердотельных АФАР показал, что при достижении средней мощности применяемых транзисторов (40 вт) массогабаритные характеристики решетки значительно лучше аналогичных характеристик антенных систем с передатчиком на электронно-вакуумных приборах, дополнительный выигрыш в массе и габаритных размерах дает отсутствие мощного высоковольтного модулятора, позволяющего разместить всю аппаратуру АФАР вместе с источниками питания, на одном бортовом или наземном транспортном средстве);

значительно ослаблены вопросы наличия потерь в распределительных трактах на общие характеристики системы, так как усилительные устройства в ППМ позволяют их компенсировать, а отсутствие потерь на высоком уровне мощности в делителях и фазовращателях позволяет упростить и удешевить эти устройства, и одновременно повысить быстродействие системы управления лучом;

работа в более широкой полосе рабочих частот и секторе сканирования с управляемой поляризацией, что позволяет построить на базе АФАР широкополосные и сверхширокополосные антенные системы с электрическим сканированием на СКИ (см. гл. 10), обнаруживающие не только малозаметные цели (или источники), но и осуществляющие идентификацию определяемых объектов;

выигрыш в обработке сигнала (см. гл. 8) - для бортовых он составляет 6 дБ, что увеличивает дальность действия на 40 %, кроме того РЛС с АФАР позволяют формировать: провалы в ДН в направлении средств радиоэлектронной борьбы; несколько лучей, обеспечивающих одновременные режимы: воздух-воздух, воздух-поверхность, обход-облет препятствий; независимые ДН на передачу и прием. Недостатки АФАР:

высокая стоимость (на порядок и более) как при проектировании, так и при изготовлении;

сложность построения антенной системы — из-за наличия дополнительных элементов (фазовращателей, усилителей, управляемых

аттенюаторов) в каждом канале АФАР, требующих разработки и создания новой элементной базы - ППМ со встроенными усилителями, фазовращателями и аттенюаторами;

низкий КПД (примерно в 2 раза меньше) маломощных транзисторных усилительных устройств по сравнению с мощными передатчиками ФАР, что приводит к конструктивно-технологическим трудностям теплоотвода в антенном полотне решетки, радиационной стойкости и надежности элементов;

отсутствие методологической базы при комплексном подходе к проектированию АФАР;

отсутствие метрологического обеспечения при производстве, контроле и эксплуатации.

В процессе реализации РЭК с АФАР потребуется создать эксплуатационно-ремонтную базу и проверочное оборудование, затраты на которые могут быть соизмеримы со стоимостью разработки самой АФАР. Однако несомненный прогресс в разработке интегрированных высокочастотных ППМ будет способствовать созданию твердотельных АФАР [9, 10]. В то же время использование АФАР в РЭК экономически оправдано тогда, когда сам комплекс должен обеспечивать многофункциональную работу при высоком энергетическом потенциале, мобильности и адаптации к быстроменяющейся обстановке в условиях активного радиопротиводействия.