А А. Толкачов ВАТ “Радіофізика”, Москва

У масі нововведень, пов’язаних з розвитком сучасної радіоелектроніки, що йдуть в цілому під знаком впровадження цифрових методів синтезу та обробки сигналів, можна виділити дві специфічні тенденції, пов’язані з радіолокацією і, в якійсь мірі, зв’язком:

1)             освоєння високочастотних діапазонів хвиль (короткі сантиметри і міліметри), створення твердотільних активних фазованих решіток (АФАРСЬКА).

Перша тенденція простежується протягом усієї другої половини двадцятого сторіччя і пов’язана з прагненням збільшити вибірковість і точність радіолокаційних систем, а також пропускну здатність засобів зв’язку при одночасному зниженні массабарітних характеристик радіоелектронних систем та їх енергоспоживання.

Радіолокаційні станції (РЛС) потенційно здатні вимірювати дальність, дві кутові координати і радіальну швидкість об’єкта; роздільна здатність і точність вимірювання по кожній з координат, за інших рівних умов, обернено пропорційні довжині хвилі несучої частоти. Тому вибірковість станції, яку прийнято визначати як сукупність Роздільна здатність по кожній з координат, швидко (Як λ ‘3 – λ"4) Росте зі зменшенням довжини хвилі, а цей параметр надзвичайно важливий, оскільки він визначає перешкодозахищеність РЛС. Зростає також і точність вимірювання координат, зокрема кутових, що особливо важливо для станцій, що працюють на великих дальностях, для яких лінійні помилки, пов’язані з вимірюванням кутових координат, багато більше, ніж помилки виміру дальності. З іншого боку, у випадках, де можна обмежитися не надто високими вимогами до точності вимірювання координат і помехозащищенности, перехід до більш високих частотах дозволяє зменшити розміри антени, відносну смугу частот випромінюваних сигналів і тривалість посилок.

Розробка активних фазованих решіток також має довгу історію, але поява твердотільних решіток стало можливим тільки в останні два десятиліття у зв’язку з успіхами у створенні твердотільних НВЧ-елементів. Активні твердотільні антенні решітки дозволяють радикально підвищити експлуатаційні характеристики фазованих антен (надійність, коефіцієнт корисної дії, зручність обслуговування) і гнучкість управління, що досягається завдяки зручності їх комплексування з сучасними спеціалізованими і універсальними цифровими обчислювальними пристроями.

Принциповою відмінністю активних решіток є те, що у них підсилювальні елементи на прийом і передачу знаходяться в конструкції антенного пристрою безпосередньо в апертурі і ближче до розкриву, ніж антенні фазовращателі, що забезпечують відхилення променя. У пасивних решітках підсилювальні елементи знаходяться за апертурними фазовращателямі. В активних антенних решітках передавальні і приймальні пристрої розподілені по антені, в той час як в РЛС з пасивними антенами вони локалізовані поза антен.

Розглянуті тенденції перебувають у відомому протиріччі, оскільки вартість АФАРСЬКА швидко зростає зі зменшенням довжини хвилі, тому створення великих антен в короткохвильовій частині сантиметрового діапазону виявляється дуже дорогим задоволенням, а в міліметровому просто руйнівно. Враховуючи економічні труднощі Росії, які носять тривалий характер, і необхідність підтримки високого рівня розробок в області радіоелектронних засобів, важливого значення набуває вироблення економічно доцільною доктрини збереження і розвитку високих технологій в цій галузі.

Розглянемо цю проблему докладніше на прикладі сучасних багатофункціональних РЛС з фазированной антенними гратами (ФАР). Будемо називати багатофункціональної РЛС, здатну виконувати як мінімум дві функції:

1)              автономне виявлення об’єктів в заданому обсязі простору і підготовка необхідної інформації для переходу на супровід виявлених об’єктів;

2)                 супровід заданого числа виявлених об’єктів.

Вимоги до енергетичних можливостям станції при виконанні цих функцій різні і по-різному залежать від довжини хвилі. Як відомо, потенційна швидкість огляду області виявлення РЛС по кутах Ω ‘ (Рад / с) визначається як

де R – дальність дії, м; Рср – Середня випромінювана потужність, Вт; S – ефективна поверхня прийомної антени, м2; аефф – ефективна поверхня розсіювання об’єкта, м2; q2 – Відношення потужності сигналу до потужності шуму; N – спектральна потужність шумів (Вт / Гц) пропорційна добутку середньої випромінюваної потужності на площу приймальної антени і не залежить від довжини хвилі несучої частоти. Оскільки із зменшенням довжини хвилі зростає вартість генерованої потужності і вартість створення антени, станції, призначені тільки для виявлення, доцільно розробляти на більш довгих хвилях, зазвичай в метровому або в дециметровому діапазоні довжин хвиль, хоча ці станції мають меншу помехозащищенностью і точністю, ніж кошти більш високочастотних діапазонів.

Енергетика, необхідна для супроводу об’єкта, пов’язана з енергією одиночного зондування Е (Дж):

У цьому випадку дальність дії залежить від довжини хвилі як λ “1/2, Т. Е. Зростає зі зменшенням довжини хвилі за рахунок більшої концентрації енергії в просторі, при цьому не тільки збільшується дальність, але і вибірковість і перешкодозахищеність РЛС, що робить дуже бажаним створення РЛС для супроводу об’єктів в короткохвильовій частині сантиметрового або навіть в довгохвильовій частині міліметрового діапазонів.

Таким чином, співвідношення витрат енергетики між виявленням і супроводом зростає зі зменшенням довжини хвилі. У реальних системах вже в діапазоні S (10 см) витрати на забезпечення супроводу об’єктів, як правило, значно менше, ніж на виявлення, а в більш короткохвильових діапазонах X (3 см) і особливо Ка (0,8 см) вони незрівнянно малі в порівнянні з витратами на виявлення. Саме в силу цих причин одне з обмежень на РЛС договору по ПРО 1972 року передбачає в якості ознаки РЛС стратегічного призначення перевищення добутку середньої випромінюваної потужності на площу апертури:

Спробуємо тепер оцінити обмеження, пов’язані зі створенням багатофункціональних РЛС в високочастотних діапазонах довжин хвиль на прикладі РЛС ПРО, маючи на увазі, що ці оцінки залишаться якісно вірними і для інших потужних багатофункціональних РЛС.

Обмеження, пов’язані зі значним загасанням хвиль міліметрового і субміліметрового діапазонів в тропосфері, принципово звужують сферу їх застосування в радіолокації та зв’язку. Найбільш сприятливою областю їх застосування є околозем-

ний космос, де відсутня молекулярне поглинання, а вплив іонізованих утворень незначно. В умовах роботи на Землі вони можуть бути ефективно використані в системах з радіусом дії у кілька десятків кілометрів (наприклад, ППО малої дальності в радіолокації, стільникові системи зв’язку) або системах, що працюють зі значними (> 20 °) кутами місця (наприклад, Стрільбові комплекси протиракетної оборони).

Якщо відволіктися від умов поширення радіохвиль в атмосфері, основним обмеженням переходу в більш високочастотні діапазони є вартість створення РЛС. В даний час 70-90% вартості станції складає ФАР і пов’язане з нею або входить до її складу пристрій посилення зондирующих сигналів. Обмежимося для якісної оцінки розрахунком вартості СВЧ-елементів для випромінювання двох кіловат середньої потужності з одного квадратного метра апертури ФАР пасивного та активного типу різних діапазонів хвиль, спираючись на деякі усереднені експертні оцінки.

Для пасивних антен ця вартість складається з вартості апертурних елементів управління фазою (апертурних фазовращателей) та вартості передавального пристрою. В даний час для управління фазою в пасивних антенах широко використовуються напівпровідникові й ферритові елементи. Вартості елементів пасивних ФАР, за оцінками одного з провідних розробників в цій області – кандидата технічних наук Ю. Б. Коемкіна, наведено в табл. 1 і 2.

Таблиця 1

Вартість каналу ФАР з феритовими фазовращателямі, дол. США

Елемент каналу

λ, см

10

6

3

1

Фазосдвігающая секція (ферит, хвилевід, обмотка)

100

40

20

15

Випромінювач (два діелектричних стрижня)

60

30

15

5

Арматура (рама, корпус, кришка)

40

20

10

5

Схема управління, джерело живлення, спец, обчислювач

40

20

15

10

Конструктивні елементи

100

60

30

15

РАЗОМ: оптимістична (песимістична) оцінки

340

(600)

170

(300)

85

(150)

50

(90)

Вартість каналу ФАР з напівпровідниковими фазовращателямі, дол. США

Таблиця 2

Елемент каналу

λ, СМ

10

6

3

1

Фазосдвігающая секція (pin-діоди, плата, настройка)

200

180

170

160

Випромінювач (дві плати з Полоскова випромінювачами)

60

30

15

5

Арматура (рама, корпус, кришка)

40

20

10

5

Схема управління, джерело живлення, спец, обчислювач

30

20

20

20

Конструктивні елементи

80

70

60

50

РАЗОМ: оптимістична (песимістична) оцінки

340

(600)

Про Про CN Про сп т

^

275

(400)

240

(350)

Будемо вважати, що лінійний розмір випромінюючих елементів 0,7 λ, що приблизно відповідає сектору електронного сканування 90 °. Вартість одного квадратного метра апертури для цього випадку наведена на рис. 1.

Розглянемо тепер можливу вартість апертури активної ФАР. Незважаючи на те що типи напівпровідникових підсилювачів потужності, які є основним елементом, що визначає вартість напівпровідникового модуля, принципово різні в різних частинах СВЧ-діапазону хвиль, експертні оцінки показують, що вартість елемента активної ФАР, за умови сталості щільності потужності з одиниці поверхні апертури, слабо залежить від частоти в розглянутому діапазоні довжин хвиль і становить величину 1-2 тис. доларів США.

Рис. 1. Вартість 1 м2 площі апертури в залежності від довжини хвилі.

З урахуванням вартості конструктивних елементів (~ 25% від вартості модулів) можна оцінити вартість виготовлення АФАРСЬКА (рис. 2). На цьому ж

Рис. 2. Вартість виготовлення 1 м2 апертури антени при середній потужності 2 кВт в залежності від довжини хвилі.

Рис. 3. Вартість посилення потужності вихідними вакуумними СВЧ-прибори різних типів.

малюнку наведена для порівняння вартість виготовлення пасивної ФАР з різними типами підсилюючих приладів з урахуванням експертної оцінки вартості посилення потужності вихідними вакуумними СВЧ-приладами різних типів (рис. 3) .Ці матеріали дозволяють припускати, що у великих РЛС міліметрового діапазону застосування традиційних вакуумних СВЧ-приладів, і особливо гіропріборов, пакетованих з постійними магнітами, буде доцільним [1].

Прикладом багатофункціональної РЛС з твердотільної АФАРСЬКА діапазону L може служити недавно розроблена в Ізраїлі РЛС EL / M-2080. Хоча у пресі практично відсутні відомості про технічні характеристики цієї РЛС, за непрямими міркувань можна припустити, що площа антени цієї РЛС становить близько 25 м2, А кількість твердотільних гібридних модулів з потужними біполярними транзисторами близько 600. Можна очікувати, що середня потужність кожного модуля лежить в межах 30-60 Вт, тоді PcpS = 4,5-105 – 4,5-106, Т. Е. Вкладається у вимоги договору по ПРО 1972 року. Вартість виготовлення твердотільних модулів цієї станції ймовірно становить близько 1 млн. Доларів США. Відомо, що в даний час виготовлено кілька зразків таких РЛС (рис. 4) [2].

Іншим цікавим прикладом є унікальна за кількістю модулів багатофункціональна РЛС системи Thaad діапазону ^ (рис. 5).

Рис. 4. РЛС EL / M-2080

1-                  Площа антени цієї РЛС дорівнює м2, Число твердотільних модулів – 25344, крок решітки – 0,6 λ. Середня потужність модулів невідома, однак можна припустити, що вона лежить в межах 10 Вт Тоді PCfyS = 2,5-105 – 2,5-106, А вартість виготовлення кожного твердотільного модуля близько 1000 дол. США, т. Е. Загальна вартість модулів однієї системи складає 25 мільйонів доларів США [3,4].

Рис. 5. РЛС “Thaad”

Таким чином, ці станції, маючи приблизно однакові пошукові можливості, відрізняються за ціною виготовлення приблизно на 1,5 порядку. Ця різниця в ціні є платою за більш високу точність і перешкодозахищеність РЛС системи Thaad.

Дещо інакше, ніж в радіолокації, йде справа зі створенням зв’язкових систем. Необхідно відзначити, що у зв’язку також сильно виражена тенденція до переходу в короткохвильові діапазони хвиль, тому що це дає серйозні переваги в пропускної здатності систем, а також дозволяє знизити енерговитрати на передачу інформації, зменшити габарити і підвищити перешкодозахищеність.

Найбільш характерними представляються бортові супутникові пристрої зв’язку, які зазвичай обслуговують абонентів в зоні значно меншою, ніж в радіолокаційних засобах. З урахуванням того, що вимоги до енергетики зв’язку взагалі значно менше, ніж в радіолокації, це дозволяє використовувати дуже маленькі антени з кількістю елементів в кілька сотень або навіть десятків одиниць. Створення активних фазованих антен надзвичайно зручно в зв’язкових системах насамперед з точки зору забезпечення їх експлуатації, оскільки дозволяє відмовитися від малонадійних високовольтних вакуумних СВЧ-приладів, а також підвищити гнучкість і оперативність зв’язкових систем. В даний час АФАРСЬКА, мабуть, активно витісняють традиційні антени зв’язку в міліметровому діапазоні, насамперед у системах супутникового зв’язку.

За деякими даними [5], з 17 перспективних американських систем супутникового зв’язку діапазону Ка в дев’яти (Pentriad \ Globstar-40, StarLynx, Q / V-Band System, LM-MEO, CylerPath, H-star, Teledesic, Global EHF Satellite Network) передбачається використання АФАРСЬКА на базі твердотільних монолітних структур.

Таким чином, завдяки невеликій кількості елементів і невеликим потужностям, необхідним для деяких зв’язкових систем, АФАРСЬКА довгохвильової частини міліметрового діапазону має прийнятну вартість, активно розробляється і, ймовірно, буде використовуватися в найближчій перспективі в системах супутникового зв’язку.

Наведемо порівняльні характеристики різних типів антен діапазону Ка, які розглядалися при виборі типу антенного пристрою для вітчизняного ШСЗ “Ямал11.

Порівняння різних варіантів антеною системи

Таблиця 3

Параметри

Дзеркальні антени сКДН

Пасивні антени з багатоелементними опромінити! ялинами

Активні фазовані антенні решітки

Обслуговування заданих зон

Забезпечується

Забезпечується

Забезпечується

Сканування променем

Механічне за допомогою приводів

Електронне

Електронне

Можливість управління формою ДН

Відсутня

Обмежені можливості

Широкі можливості

Ефективність (КВП)

Висока

Низька

Висока

Конструкція

Об’ємна

Середня за обсягом

Компактна

Маса

Не більше 20 кг

Не більше 20 кг

Не більше 15 кг

Надійність

Висока

Середня

Дуже висока

Вартість створення першої антеною системи, дол. США

400000

1200000

2500000 (з МШУ і підсилювачами потужності)

Термін створення першої антеною системи

1,5 роки

2 роки

3 роки

Можливість використання

Практично

Є обмежений

Є широкі

в інших системах зв’язку

відсутня

ниє можливості

можливості

На закінчення необхідно відзначити, що в наведеному вище якісному аналізі можливості використання систем з АФАРСЬКА в радіолокації і зв’язки не розглянуті малі радіолокаційні станції, наприклад для контролю автомобільного руху, індивідуальні радіолокаційні засоби, де використання АФАРСЬКА міліметрового діапазону так само, як і в зв’язкових системах, може виявитися доцільним.

Література

1.        Tolkachev A. et al. A Megawatt Power Millimetr-Wave Phased-Array Radar // IEEE Aerospase and Electronic Systems. July 2000. ISSN 0885-8985. V. 15, № 7. P. 25-31.

2.        Dryer S. et al. EL/M 2080 ATBM Early Warning and Fire Control Radar System // IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 1996. P. 11-16.

3.        Sarcione M. et al. The Design, Development and Testing of the THAAD Solid Stabe Phased Array // IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 1996. P. 260-265.

4.        Brookner E. Phased Array for the New Millennium. 2000 // IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology. 2000. P. 3-13.

5.        Левітан Б. А., Денисенко В. В. Антенна система Ка діапазону хвиль для супутників “Ямал-СТ” і “Ямал-ВТ”: Технічна пропозиція, ВАТ “Радіофізика”, 2000.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.