Многолучевые антенные решётки в корабельных системах  РЭБ

Капитан 3 ранга А. Стефанович

В последние годы за рубежом большое внимание уделяется применению фазированных антенных решеток (ФАР) в качестве антенн корабельных систем радиоэлектронной борьбы (РЭБ). В практике РЭБ иностранных государств такие антенны получили наименование «многолучевые антенные решетки» (МЛАР). Как отмечается в иностранной военной печати, основная цель разработки и создания этих антенн - возможность одновременного подавления нескольких целей на разных направлениях. Переход от обычных антенн к МЛАР обусловил существенное улучшение основных тактико-технических характеристик современных станций (комплексов) РЭБ.

Наиболее простыми по конструкции и управлению лучом являются линейная и плоская (планарная) МЛАР с регулярным размещением излучателей. Поскольку максимальный угол сканирования таких решеток обычно не превышает 45° относительно нормали к ее поверхности, то для перекрытия кругового или заданного сектора пространства в бортовой МЛАР имеются, как правило, несколько передающих и приемных решеток, плоскости которых соответствующим образом отклонены относительно диаметральной плоскости носителя.

В зависимости от назначения и решаемых задач в системах РЭБ могут использоваться приемные ФАР различных типов, отличающихся главным образом реализованными в них методами пеленгования.

В состав приемной решетки, работающей на основе метода амплитудного сравнения сигналов, входят диаграммообразующая схема (ДОС) многолучевого приема, детекторы, логарифмические видеоусилители и логический блок определения направления на источник радиоизлучения. В качестве ДОС, позволяющей получить несколько остронаправленных лучей в заданном секторе обзора, в современных системах РЭБ могут использоваться матрица Батлера или линзы Ротмана. Обе схемы представляют собой многополюсник, входы которого соединены с элементами решетки, а выходы соответствуют определенным приемным лучам. Матрица Батлера состоит из квадратурных направленных ответвителей и фиксированных фазовращателей, при этом пространственная ориентация лучей диаграммы направленности зависит от частоты принимаемых сигналов, что необходимо учитывать при определении истинного направления на излучающую цель. Указанного недостатка лишены ДОС на основе линз Ротмана, представляющие собой набор параллельно расположенных диэлектрических пластин с частотно-независимыми характеристиками.

Ориентировочное направление на работающее радиоэлектронное средство (РЭС) противника определяется лучом, по которому принят сигнал с максимальной амплитудой. Применение в МЛАР дополнительной схемы амплитудного сравнения сигналов, принятых по соседним лучам, позволяет иметь точность пеленгования в пределах 12-25 проц. ширины отдельного лепестка диаграммы направленности. Чувствительность приемной решетки определяется в основном коэффициентом усиления и тангенциальной чувствительностью детекторов, составляя обычно от -35 до -45 дБ/мВт.

МЛАР, в которой реализован поисковый (моноимпульсный) метод пеленгования, помимо элементов решетки, включает управляемые фазовращатели, делитель мощности и схемы обработки сигналов. Регулируя с помощью фазовращателей фазовый сдвиг сигналов, принимаемых элементами решетки, можно обеспечить перемещение приемного луча в пространстве по заданной программе. При этом скорость электронного сканирования луча будет значительно превышать скорость вращения обычных антенн и ограничивается лишь инерционностью электрических схем решетки.

Наличие в составе МЛАР блока суммарно-разностной амплитудно-фазовой обработки принимаемых сигналов позволяет определять пеленг на источник радиоизлучения с точностью до 0,05 ширины диаграммы направленности приемного луча. Уверенное обнаружение и пеленгование РЭС противника достигается за счет приема от него заданного числа импульсов, что, в свою очередь, обеспечивается выбором соответствующей программы и скорости сканирования приемного луча. Чувствительность такой ФАР определяется в основном характеристиками входящих в ее состав предварительного усилителя и смесителя и находятся в пределах от -65 до -75 дБ/мВт.

Как отмечается в зарубежной печати, поисковый способ пеленгования обычно используется, когда требуется обеспечить высокие точность пеленгования и чувствительность приемного канала системы РЭБ. Одновременно подчеркивается, что указанный тип приемной решетки целесообразно применять в комплексах РЭБ только в сочетании с аппаратурой предупреждения об облучении, позволяющей осуществлять мгновенное обнаружение и грубое пеленгование РЭС противника в круговом секторе.

Приемная антенная решетка, в которой реализован фазовый (интерферометричес к и й) метод пеленгования, состоит из приемных элементов, размещенных как по кругу, так и по прямой линии на различных расстояниях друг от друга. Такое расположение элементов приводит к образованию нескольких взаимно пересекающихся приемных лучей с различной шириной диаграммы направленности и обеспечивает устранение неоднозначности в отсчете пеленга. Работа приемной решетки зависит от разности фаз (направления прихода) сигналов, принимаемых различными элементами.

Основными достоинствами интерферометрической ФАР являются ее сравнительная простота, невысокая стоимость и возможность определения пеленга по одиночному импульсу. Чувствительность такой решетки лежит в пределах от -50 до -60 дБ/мВт, а точность пеленгования зависит от места ее установки, количества приемных элементов и фазовой идентичности ее каналов.

Выбор типа приемной МЛАР для конкретного комплекса РЭБ производится в результате тщательного анализа всех требований, предъявляемых к нему. При лом к основным факторам, определяющим окончательный выбор того или иного типа решетки, западные специалисты относят требуемую чувствительность приемной подсистемы и точность пеленгования, необходимую для наведения передающего луча на подавляемое РЭС с ошибкой не выше заданной.

Все типы передающих МЛАР комплексов РЭБ иностранные эксперты разделяют преимущественно по принципам подключения излучающих элементов. В классической (получившей название пассивная) схеме построения антенных решеток излучаемая энергия генерируется одним источником, усиливается и распределяется между элементами ФАР с помощью делителей мощности, в цепях которых для обеспечения управления положением диаграммы направленности используются фазовращатели. Типовая линейная решетка системы РЭБ, построенная по такой схеме, обеспечивает усиление излучаемого сигнала на 10-20 дБ.

Как сообщается в западной прессе, в передающих МЛАР современных комплексов РЭБ используются ферритовые и диодные фазовращатели. Они обеспечивают хорошее управление фазой излучаемых сигналов, имеют невысокий уровень вносимых потерь в широкой полосе частот. Время коммутации ферритового и диодного фазовращателей составляет около 200 и 100 нс соответственно.

Облучение антенн РЛС кросс - поляризационными помехами (при их ортогональной поляризации по отношению к излучаемым сигналам) приводит к искажению их диаграммы направленности и соответственно к нарушению нормального режима функционирования самой станции. Поэтому при разработке МЛАР значительное внимание уделяется возможности определения поляризационных параметров сигналов РЭС противника и создания кросс-поляризационных помех их работе. Для этих целей в передающих ФАР планируется применять излучатели с горизонтальной и вертикальной поляризацией, а также специальный блок управления, Аналогичное техническое решение предусматривается использовать и в приемных МЛАР для определения поляризационных параметров принимаемых сигналов.

Принципиально МЛАР представляет собой антенную решетку и диаграммообразующую схему, выходы которой соединены с излучателями, а входы, подключаемые к генератору помех через коммутатор, соответствуют определенным лучам диаграммы направленности.

Передающие антенные решетки, в которых для формирования многолучевой диаграммы направленности используются ДОС на основе матрицы Батлера, весьма сложны. В частности, для формирования 10 лучей активной МЛАР, состоящей из 100 излучателей, ее ДОС должна содержать 1000 фазовращателей, 10 делителей и 100 сумматоров мощности. Наличие в матрице Батлера частотно-зависимых элементов приводит к зависимости направления передающего луча от частоты излучаемой помехи. Основным достоинством ДОС линзового типа является независимость ориентации передающих лучей от частоты излучаемых сигналов. Форма линзы Ротмана и соответствующие радиочастотные линии передачи обеспечивают формирование соответствующего распределения фаз в раскрыве решетки и излучение помех в фиксированных направлениях относительно носителя системе! РЭБ. В настоящее время зарубежные фирмы освоили выпуск линз разнообразных типов и размеров с различным количеством выходов. Одна из типовых линз Ротмана, изготавливаемых в США, способна работать в широком диапазоне частот (до полутора октав) и обеспечивает формирование 32 лучей при использовании ее с антенной решеткой из 35 излучателей.

Подключение задающего генератора помех к соответствующим входам ДОС (то есть излучение помех в заданных направлениях) осуществляется по командам подсистемы управления комплекса РЭБ через диодный коммутатор, время коммутации которого в современных МЛАР около 50 нс.

Примером применения многолучевой ФАР с диаграммообразующей схемой линзового типа служит американская корабельная система РЭБ AN/SLQ-32(V)3. Ее передающая подсистема включает 140 миниатюрных ламп бегущей волны (ЛБВ), запитывающих элементы решетки, в результате энергопотенциал аппаратуры активных помех составляет около 1 МВт в импульсе при коэффициенте заполнения сигналов, близком к 100 проц. В качестве достоинства такой МЛАР иностранные военные специалисты отмечают возможность одновременной работы приемной и передающей подсистем AN/SLQ-32(V)3, что было достигнуто за счет очень низкого уровня боковых лепестков диаграммы направленности приемных решеток. Для формирования многолучевых диаграмм направленности в приемных и передающих решетках использованы линзовые диаграммообразующие схемы Ротмана. Четыре передающие линейные решетки, размещенные попарно на стабилизированных платформах по бортам корабля, обеспечивают возможность подавления РЭС в круговом секторе. Диаграмма направленности каждой линейной решетки представляет собой 18 веерообразно расположенных лучей (его ширина в горизонтальной плоскости составляет 6°, а в вертикальной- 24е). Важно отметить, что благодаря наличию многолучевой ФАР и значительному количеству задающих генераторов эта система РЭБ позволяет создавать помехи одновременно большому числу РЭС противника.

Другим примером применения МЛАР (наряду с другими антеннами) является французская корабельная станция РЭБ ARBB-33, смонтированная на эскадренном миноносце УРО типа «Кассар». В ее состав входят аппаратура обнаружения радиотехнических средств и постановки активных помех, пусковые установки НУР - носителей пассивных помех, а также подсистема автоматизированного управления и отображения обстановки.
Многолучевая антенная решетка этой станции (как и другие ее антенны) размещается в двух побортно расположенных полусферических радиопрозрачных обтекателях. В каждом обтекателе находятся две группы решеток с электронным управлением - приемная и передающая, обеспечивающие обнаружение, пеленгование и подавление РЭС противника в секторе 180°. В зарубежной печати отмечается, что наличие в составе станции ARBB-33 аппаратуры автоматизированного управления и МЛАР обеспечивает ее высокую пропускную способность, малое время реакции и значительный энергопотенциал.

Дальнейшее развитие корабельных систем РЭБ западные военные специалисты связывают с созданием МЛАР на твердотельных элементах. По их мнению, применение современных технологий и элементной базы позволит повысить их функциональную гибкость и надежность, а также значительно снизить массо-габаритные характеристики.

Рис. 1. Диаграмма направленности твердотельной МЛАР (вариант)

Рис. 2. Зависимость энергопотенциала системы РЭБ от количества излучающих элементов МЛАР: \ - для усилителей с выходной мощностью 1 Вт; 2 - для усилителей с выходной мощностью 0,5 Вт

Рис. 3. Экспериментальный образец 24-элементной тсердстельной МЛАР (рядом линейка длиной 15 см)

Рис. 4. Приемопередающий модуль твердотельной МЛАР

Рис. 5. Внешний вид перспективного корабля-катамарана УРО с единой конформной МЛАР: 1 - антенная подрешетка РЛС управления оружием; 2 - антенная подрешетка РЛС обнаружения надводных целей; 3 - антенная подрешетка радиосвязи; 4 - антенная подрешетка системы РЭБ; 5 - антенная подрешетка РЛС обнаружения воздушных целей; 6 - гидроакустические буи и НУР - носители пассивных помех; 7 - УР класса «поверхность -воздух»; 8 - баллистическая ранета; 9 - УР класса «поверхность-поверхность»; 10 - ПЛУР; 11 -торпеда

Разработка таких антенных решеток ориентирована на их применение в составе бортовых станций РЭБ индивидуальной защиты, обеспечивающих обнаружение и подавление РЭС противника в диапазоне 2- 20 ГГц. Выбор конструкции и размеров фазированных решеток может осуществляться с учетом минимальной дальности действия комплекса РЭБ, возможности создания на входе подавляемого РЭС требуемого соотношения «помеха/ сигнал» и других условий.

В перспективных системах РЭБ с твердотельными МЛАР может формироваться сложная диаграмма направленности (рис. 1), включающая несколько управляемых лучей с высоким коэффициентом направленного действия (КНД), а также два независимо управляемых луча со средним КНД или один широкий с низким КНД для одновременного подавления большого количества РЭС, излучающих простые сигналы малой мощности. Возможность создания такими антенными решетками помех с требуемой поляризацией позволит повысить вероятность подавления и исключить энергетические потери, обусловленные несовпадением поляризации подавляющих и подавляемых сигналов.

Обычно в твердотельной ФАР решетка излучателей представляет собой совокупность большого количества элементов. При выборе того или иного типа излучателя будут учитываться диапазон рабочих частот решетки, диаграмма направленности излучателей различных типов, излучаемая мощность и поляризационные .характеристики проектируемой антенны. Одной из наиболее перспективных конструкций для МЛАР является печатный конический излучатель. Он отличается простотой изготовления и высокой полосой пропускания, коэффициент концентрации излучателя составляет 2-2,5 дБ в диапазоне 10-18 ГГц и снижается до значений - 5 дБ (на частоте 4 ГГц) и 1,8 дБ (20 ГГц). Для обеспечения возможности управления поляризацией помехи (подавляющего сигнала) элементы решетки предполагается размещать в определенной конфигурации, выбор которой будет осуществляться в зависимости от сектора сканирования ФАР и требований к ее фазовому центру.

Энергопотенциал перспективной системы РЭБ с твердотельной ФАР будет зависеть от количестве излучателей, коэффициента их концентрации и мощности подводимых к ним сигналов, а также от потерь, обусловленных несовпадением поляризации помехи и сигналов подавляемых РЭС. Существует жесткая зависимость (рис. 2) энергопотенциала от количества излучающих элементов МЛАР при различной мощности ее выходных усилителей. Разброс в максимальных и минимальных значениях энергопотенциала обусловлен изменением коэффициента концентрации излучателей при их работе в двухоктавном диапазоне частот. Как отмечается в иностранной печати, даже при небольшом количестве излучателей в системе РЭБ с твердотельной ФАР может быть достигнут сравнительно высокий энергопотенциал, обеспечивающий создание необходимого соотношения «помеха/сигнал» на входе подавляемого РЭС противника.

Радиочастотные модули, обычно входящие в состав твердотельной МЛАР, могут размещаться в непосредственной близости от излучателей и обеспечивать подачу на их вход сфазированных соответствующим образом усиленных сигналов. Простейший радиочастотный модуль
представляет собой обычный приемопередающий усилитель, а наиболее сложный - двухканальный, с независимыми схемами амплитудно-фазового управления приемным и передающим лучами. Коэффициент усиления входящих в радиочастотный модуль передающих и приемных усилителей, как правило, не менее 20-30 дБ.

Проведенные за рубежом исследования показали, что для более полного удовлетворения требований, предъявляемых к системам РЭБ, в твердотельных МЛАР целесообразно применять распределенные усилители, которые позволяют получать необходимый коэффициент усиления, полосу пропускания, уровень выходной мощности и согласование с нагрузкой. Такой усилитель состоит из нескольких параллельно включенных полевых транзисторов, соединенных с входной и выходной линиями. Опытный его образец (коэффициент усиления 5,5 дБ) обеспечивает выходную мощность сигнала 0,25 Вт и работает в диапазоне частот, равном октаве. В настоящее время ведутся работы по совершенствованию этого усилителя с целью увеличения выходной мощности до 0,5 Вт.

Как считают иностранные специалисты, передающие усилители будут основными потребителями электроэнергии в твердотельных МЛАР, в связи с чем особое внимание в процессе их разработки обращается на достижение высокого коэффициента полезного действия. Одновременно подчеркивается необходимость увеличения надежности и плотности упаковки сверхвысокочастотных элементов, входящих в радиочастотные модули. Сообщалось, что з типовом модуле полезная площадь для размещения различных элементов и схем составляет не более 1 см2. На такой площади должны быть размещены все СВЧ элементы схемы управления и подачи напряжения смещения, а также различные разъемы, предназначенные для сопряжения радиочастотного модуля с другими блоками МЛАР. 8 целях повышения надежности функционирования твердотельных МЛАР предусматривается реализация в них различных методов охлаждения и теплоотвода, включая применение тепло-отводных трубок и схем непосредственного жидкостного охлаждения.

Работы по созданию твердотельных МЛАР для систем РЭБ, проводимые за рубежом, в настоящее время находятся на стадии экспериментальных исследований. Для проверки предполагаемых проектных решений и отработки основных технических принципов построения и функционирования американская фирма «Вестингауз» изготовила опытный образец 24-элементной твердотельной МЛАР активного типа (рис. 3). В процессе ее изготовления и стендовых испытаний главное внимание обращалось на степень совершенствования используемой элементной базы, оценку характеристик функционирования, а также на приобретение соответствующего опыта в изготовлении радиочастотных модулей и сборке отдельных подсистем твердотельной МЛАР. В ней применены приемопередающие модули (диапазон рабочих частот 8-12 ГГц), выполненные на основе монолитных интегральных СВЧ схем.

Модуль (рис. 4) состоит из двух идентичных подмодулей, каждый из которых соединен с широкополосным коническим излучателем соответствующей поляризации. Подмодули имеют приемный и передающий каналы, сопряженные с независимыми радиочастотными схемами. Во втором размещены диодный аналоговый фазовращатель и два двухкаскадных твердотельных усилителя (общий коэффициент усиления 20 дБ). Приемный канал включает твердотельный усилитель (коэффициент шума 4 дБ, коэффициент усиления 15 дБ) и диодный фазовращатель, полностью идентичный фазовращателю передающего канала. Трехканальный циркулятор (коэффициент изоляции 20 дБ) обеспечивает подключение передающего или приемного канала через линию передачи к соответствующему элементу приемопередающей МЛАР.

Фазовращателями и усилителями подмодулей управляет специализированный процессор, вырабатывающий и передающий в модули требуемые значения фазовых сдвигов, команды на перевод антенны в режим излучения или приема, а также тактовые сигналы синхронизации. В модуле предусмотрено принудительное охлаждение, которое осуществляется специальной платой, размещаемой между корпусами подмодулей. Такое техническое решение обеспечивает эффективный тепло-отвод от твердотельных усилителей через их плату и корпус модуля на специальную плату с жидким охлаждением.

В результате испытаний опытного образца твердотельной МЛАР фирмой «Вестингауз» был выявлен ряд конструктивных недоработок и определены основные пути их устранения. В настоящее время ведется разработка нового широкополосного радиочастотного модуля, способного функционировать в широком (несколько октав) диапазоне частот. Он предназначен для перспективных систем РЭБ.

В зарубежной печати отмечается, что при создании твердотельных МЛАР учитывается возможность их применения как в перспективных, так и в существующих комплексах РЭБ, подлежащих модернизации с целью повышения их энергопотенциала и надежности. Считается, что количество твердотельных элементов в МЛАР может варьироваться от малых значений (около 32) до больших (несколько сот). В настоящее время исследуются пути расширения функциональных возможностей твердотельных ФАР за счет разработки и использования единого широкодиапазонного раскрыва для решения задач радиоэлектронного подавления, радиолокации и радиосвязи. Это направление исследований будет сопровождаться проектированием кораблей с нетрадиционной архитектурой, отличающейся от существующей более низким уровнем собственных физических полей и отраженных радиосигналов, а также размещением антенных устройств и оружия. Возможный внешний вид перспективного корабля УРО с единой конформной антенной решеткой, которая выполнена по обводам корпуса и состоит из нескольких функциональных 'подрешеток, приведен на рис. 5. К достоинствам предлагаемой архитектуры корабля зарубежные военные специалисты относят: возможность вертикального пуска ракет; геометрическую форму надстройки, позволяющую более эффективно решать задачи электромагнитной совместимости РЭС; снижение эффективной площади рассеяния и первичных физических полей корабля; скрытное размещение антенных устройств и оружия; высокую живучесть.

Считается, что при переходе к серийному изготовлению твердотельных МЛАР значительное внимание будет уделяться вопросу их стоимости. Согласно прогнозу западных экспертов, затраты на изготовление радиочастотного модуля со. ставят от 100 до 10 000 долларов, а общая стоимость модулей, являющихся наиболее дорогостоящими компонентами твердотельной решетки, - 50- 80 проц. стоимости ФАР. Внедрение таких антенных решеток в существующие и перспективные системы РЭБ предполагается осуществить в три этапа.

На первом этапе (начало 90-х годов) ожидается появление первых серийных твердотельных МЛАР. На втором (середина 90-х годов) по мере совершенствования технологии изготовления и снижения стоимости монолитных интегральных СВЧ схем на арсениде галлия и автоматизации сборки модулей планируется интенсивное развитие систем РЭБ с твердотельными МЛАР, в том числе и со значительной апертурой. На третьем этапе (конец последнего десятилетия XX века) намечается приступить, к изготовлению твердотельных МЛАР, единый раскрыв которых будет использоваться для радиоэлектронного подавления, радиолокации и радиосвязи.

В целом, как подчеркивается в зарубежной печати, интенсивное развитие твердотельных МЛАР окажет существенное влияние на формирование облика перспективных бортовых станций активных помех и характер радиоэлектронной борьбы в XXI веке.

Зарубежное военное обозрение №5 1990 С.51-56