Jejku rety, kule z Lugerów już zaczęły rykoszetować o ściany w tym temacie
Ja tymczasem ograniczę się do odpowiedzi na pytania
sermena.
Czym różni się antena ze skanowaniem pasywnym od anteny ze skanowaniem aktywnym?
To bardzo dobre pytanie, ale żeby udzielić na nie satysfakcjonującej odpowiedzi trzeba się chwilowo odrobinę cofnąć w przeszłość, mniej więcej do końcówki lat 50-tych. Nie przesadzajmy już z tą II WŚ, chociaż szczerze powiedziawszy teoretyczne podstawy różnych rozwinięć technik radiolokacyjnych rzeczywiście zaczęto opracowywać praktycznie od czasów kiedy zaczęto bawić się prymitywną elektroniką w ogóle (praktycznie lata 30te).
Tytułem małego wprowadzenia, przełom lat 50tych i 60tych to okres, kiedy myśliwce odrzutowe zaczęto po raz pierwszy wyposażać w pokładowy radiolokator z prawdziwego zdarzenia, tzn. taki który zapewniał w miarę efektywne wykrywanie szeregu celi powietrznych zdecydowanie poza zasięgiem wzroku pilota i umożliwiał ich ostrzelanie z broni o zasięgu wielokrotnie większym niż działko pokładowe. Kompleksy radiolokacyjne z klasycznymi antenami o mechanicznym, ruchomym mocowaniu (do nich wliczamy klasyczne anteny o typowym kształcie talerza z klasycznym reflektorem i magnetronem, późniejsze anteny płaskie, a także, głównie rozwijane w ZSRR, anteny z reflektorem Cassegrain’a) mniej więcej przez następne 20 lat uzyskały dość zaawansowany stopień rozwoju, ale jednak ich zastosowanie operacyjne podniosło znacznie poprzeczkę i owe rozwiązania przestały być wystarczające. Skomplikowane (hmmm... jakiego by tu słowa użyć
) środowisko radioelektroniczne, ciągle zmniejszające się SPO potencjalnych celów, łatwość wykrycia pracy pokładowej stacji powodują, iż szybkość przeszukiwania przestrzeni i istniejące dotychczas sposoby kształtowania wiązki fal elektromagnetycznych są zbyt małe, a możliwe ulepszenia przyrządów o antenach i kontrreflektorze sterowanym mechanicznie i o analogowej obróbce sygnału nie rokowały zbyt wielkiej poprawy. I stąd właśnie pomysł (dość stary zresztą, tylko poziom ówczesnej elektroniki nie pozwalał na jego realizację), aby skonstruować przyrząd oparty w całości na technologiach półprzewodnikowych, gdzie emitowane fale czy też wiązki fal kształtowane były elektronicznie poprzez komputerowe sterowanie dużej liczby elementów promieniujących umieszczonych na nieruchomej płaszczyźnie.
ESA (Electronically Steered Antenna):Bardziej poważne i mniej lub bardziej miarodajne efekty prac nad tego rodzaju przyrządami pojawiły się właśnie mniej więcej w połowie lat 70tych, kiedy przedsiębiorstwa zajmujące się radiolokatorami bojowymi skorzystali z doświadczeń przy opracowywaniu naziemnych radarów. (głównie wchodzącymi w skład systemów przeciwrakietowych), których osnową była właśnie antena sterowana elektronicznie (ESA, ale można się też spotkać z określeniem PESA), wykorzystująca w pracy algorytm skanowania fazowego. Takie radary zbudowane były wtedy rzeczywiście z grupy do kilkunastu cienkich anten, o własnych elektronicznych układach sterujących, ustawionych w poziomie i w pionie, no i zależnie od mocy sygnału na danej antenie można było operować kilkoma wiązkami. Możliwe też było dowolne kształtowanie wiązki, wzmocnionej w pożądanym kierunku poszukiwania, i wytłumionej w pozostałych kierunkach, w dalszym ciągu pozwalając jednak na efektywne skanowanie całości przestrzeni będącej w zasięgu urządzenia. Rozwiązanie to pozwalało na niezależne wytwarzanie i obróbkę sygnału przez wspomniane elementy promieniujące z dowolnie przesuniętą fazą i polaryzacją. Wykorzystano przy tym dość zręcznie proste fizyczne zjawisko falowe polegające na wzajemnym nakładaniu się emitowanych fal, zależnie od potrzeb uzyskując wzmocnienie lub osłabienie wiązki, w czym pomaga efektywny algorytm pracy, synchronizujący poszczególne przebiegi. Stąd też pochodzi właśnie termin skanowanie fazowe, a radiolokatory tego typu zaczęto nazywać Phased Array Radars od momentu, kiedy zaczęto stosować zespół anten wykorzystujących kruczek, iż indywidualny elektroniczny układ sterujący przy każdej z anten pozwalał na sprytne wykorzystanie i manipulowanie przesunięciami w pojedynczej fazie sygnałowej. Innymi słowy, przy wykorzystaniu do kontroli kompleksu maszyny cyfrowej o odpowiedniej mocy obliczeniowej, kierunek każdej takiej wiązki radiolokacyjnej, jej kształt, charakterystyka częstotliwościowa czy długość fali może być efektywnie sterowany. Czas przeszukiwania przestrzeni wiązką kształtowaną elektronicznie zmniejsza się w efekcie do zaledwie kilku mikrosekund.
Morski radar SPY-1D sys. AEGIS na okręcie USN klasy Arleigh Burke (dwa płaty w nadbudówce) jako przykład naziemnego/nawodnego urządzenia tego typu.Pierwsza generacja takich anten zainstalowana na radiolokatorach lotniczych, znana właśnie jako Phased Array Antennas stosuje bardzo zbliżoną zasadę do opisanej powyżej, jednak realizacja techniczna urządzenia jest trochę inna. Fazę sygnałową stosuje się w tym wypadku jako parametr sterujący, zwykle wykorzystując w tym celu elektroniczne elementy półprzewodnikowe (zwykle elementy o rdzeniu ferrytowym). Typowa konstrukcja takiej anteny bardzo przypomina z wyglądu klasyczne anteny płaskie, konstruowane głównie na zachodzie, jak choćby AN/APG-65 czy Żuk-ME, opartych na ogół na dużej liczbie małych, bardzo prostych anten szczelinowych, zabudowanych na jednym, wspólnym, płaskim panelu. Tymczasem panel antenowy w antenie ze skanowaniem fazowym, jak widać na zdjęciu SBI-16, posiada wbudowanych do kilkuset, czy też niekiedy do kilku tysięcy mikrofalowych modułów fazowych o rdzeniu ferrytowym. Moduły te grupowane są w zespoły, zorientowane w pionie bądź też w poziomie i pośredniczą w emisji wiązki. Z tyłu panelu znajduje się zwykle urządzenie robiące za emiter mikrofalowy, a także sprzężony z nim moduł synchronizujący oraz zasilający, bowiem zapotrzebowanie mocy urządzenia ze względu na obecność elementów mikrofalowych jest dość duże. Z powodu zastosowania w antenie elementów wyłącznie o pasywnym trybie pracy, urządzenia te znane są też pod nazwą PESA (Passive Electronically Steered Array), czy też po prostu określa się je jako radiolokatory o skanowaniu pasywnym.
Antena kompleksu SBI-16 Zasłon, widoczna duża ilość elementów ferrytowych na panelu.Można powiedzieć iż ESA była pierwszą technologią która zrewolucjonizowała sposoby kształtowania i emisji wiązki w technice radiolokacyjnej. Daje znaczącą przewagę nad radiolokatorami z anteną płaską. W ESA antena wytwarza jednocześnie wiele wiązek, spełniających różne funkcje np. przeszukiwanie przestrzeni przy równoczesnym wytwarzaniu radiolokacyjnej mapy powierzchni ziemi i naprowadzaniu na cel kilku rakiet a czas przeszukiwania przestrzeni wiązką kształtowaną elektronicznie zmniejsza się do kilku mikrosekund. Nawet przy największych możliwych praktycznie prędkościach obserwowanych obiektów nie powoduje to wielkich ograniczeń. Znacznie precyzyjniejszy sygnał sondujący zmniejsza także prawdopodobieństwo wykrycia samolotu-nosiciela stacji, gdy w algorytmie pracy przyrządu zastosuje się emisję o nieregularnej i przypadkowej sekwencji.
Mityczny kompleks RP-35, znany też jako Żuk-10PD, instalowany w modyfikacjach chińskich myśliwców J-8 i J-10. Być może znajdzie zastosowanie w chińskich Su-27SK.Czy technologia związania z manipulowaniem fazy ma jakieś słabe punkty? Oczywiście że tak. Przede wszystkim, radary oparte na tej technologii uchodzą niejednokrotnie za mniej czułe od ich odpowiedników ze sterowaniem mechanicznym, gdyż moduły ferrytowe dla zapewnienia właściwego natężenia sygnału emitowanego przez wiązkę potrzebują sporego emitera mikrofalowego o bardzo dużym poborze mocy elektrycznej, co wymaga bardzo wydajnego układu elektrycznego i zasilaczy DC/AC w samolocie. Stąd też sygnał sondujący jest zwykle nieco słabszy niż w radarach klasycznych, choć rzeczywiście daje niejednokrotnie dużo większą precyzję. Co więcej, stopień skomplikowania całego urządzenia uchodzi za znaczny ze względu na dużą ilość połączeń z modułami ferrytowymi ze źródłem zasilania i emiterem mikrofalowym, co powoduje, iż efektywna synchronizacja takiego układu jest swego rodzaju wyzwaniem. Stąd też jego awaryjność czy też niezawodność jest sprawą dyskusyjną, bowiem o ile uszkodzeniu ulegnie jedynie jakiś procent el. ferrytowych, to stacja może kontynuować pracę, jednak ze znacznie obniżonymi parametrami, natomiast już choćby uszkodzenie jakiegoś połączenia pomiędzy elementami może spowodować utratę urządzenia. I w tym miejscu wchodzi właśnie jeszcze jedna technologia – AESA.
AESA (Active Electronically Steered Antenna):Ogólna zasada działania radiolokatorów zrealizowanych w tej technologii jest identyczna jak w przypadku ESA(PESA). Technologia AESA posuwa jednak ideę samej konstrukcji panelu antenowego z setkami elementów półprzewodnikowych o krok dalej. Pomysł jest bardzo prosty. Zamiast manipulując fazą sygnału sondującego wygenerowanego przez pojedynczy, duży i ciężki emiter, technologia AESA korzysta z nowej generacji setek czy tysięcy elementów półprzewodnikowych umieszczonych na panelu, z których każdy z nich służy jednocześnie za emiter i odbiornik wiązki (T/R - Transmitter /Receiver). Elementy te są jednocześnie same w sobie programowalnymi układami cyfrowymi, połączonymi siecią szybkich magistrali. W istocie, wspomniana technologia jest odpowiedzią na wiele ograniczeń jej poprzedniczek.
Każdy z modułów T/R jest w dużej mierze samodzielną jednostką: ma swój własny emiter sygnału sondującego, odbiornik, wzmacniacz i przetwornik sygnału oraz układ cyfrowy do kontroli fazy, opóźnienia i polaryzacji sygnału. Na wierzchołku każdego elementu można zauważyć rodzaj małego, nieco ostro zakończonego radiatora. Każdy moduł T/R może zostać indywidualnie zaprogramowany przez pokładową maszynę cyfrową jako element tylko odbiorczy czy tylko nadawczy, czy nadawczo/odbiorczy. Co więcej, mogą nie tylko pracować wszystkie jednocześnie emitując i kształtując kilka czy nawet więcej wiązek radiolokacyjnych spełniających cały wachlarz funkcji, ale część z nich może także robić na przykład za RWR, a niekiedy nawet jako element zakłócający. Każdy z nich może mieć indywidualne ustawienie czułości, amplitudy i innych charakterystyk sygnału. Osnową każdego bloku i jednocześnie kluczem do nowych możliwości technologii AESA jest wspomniany kilka postów wyżej zintegrowany układ cyfrowy (MMIC Microwave Monolithic Integrated Circuit) o bardzo dużej skali integracji (VLSI – Very Large Scale Iintegration), zbudowany na tranzystorach polowych z izolowaną bramką MOSFET bądź coraz częściej MESFET z arsenku galu, o kanale i bramce spolaryzowanych w zakresie pracy aktywnej. Z powodu zastosowania elementów aktywnych radary w tej technologii noszą potoczną nazwę radiolokatorów ze skanowaniem aktywnym.
Technologia AESA sama w sobie nie była łatwa do osiągnięcia, wymagała wielu lat badań i inwestycji, a dopiero postępująca miniaturyzacja układów cyfrowych i usprawnienie obróbki wielu materiałów, w tym wspomnianego arsenku galu, spowodowało iż produkcja przemysłowa choćby opartych na tym stopie układów MMIC stała się już w latach 90tych opłacalna i spowodowała kolejny mały boom w branży elektronicznej. Oczywiście technologia AESA wcale nie uchodzi za tanią – ponieważ każdy element T/R jest dość złożoną samodzielną jednostką, jej jednostkowa cena szacowana jest na dziś dzień na około 2000-2500 zielonych. Ponieważ radary myśliwskie korzystają z od kilkuset do około 2000 tysięcy takich elementów, więc nietrudno policzyć iż sama antena może kosztować lekko 5 melonów.
AN/APG-81 jest przykładem technologii AESA.Korzyści z zastosowania takiej technologii w radiolokacji wymienić nietrudno. Precyzyjny sygnał sondujący zapewnia bezkonkurencyjne możliwości. Nawet przy największych możliwych praktycznie prędkościach obserwowanych obiektów nie powoduje to żadnych ograniczeń. Emisja wieloczęstotliwościowa, o zróżnicowanej amplitudzie, o nieregularnej i przypadkowej sekwencji, znacznie redukuje niebezpieczeństwo wykrycia stacji samolotu-nosiciela. Kolejne korzyści są już typowo natury technicznej: ponieważ, w przeciwieństwie do rozwiązania gdzie elementy miały wspólny, duży i ciężki emiter mikrofalowy, każdy z setek elementów posiada swój zminiaturyzowany, własny emiter sygnału, zatem w efekcie otrzymujemy mniejsze zapotrzebowanie mocy elektrycznej układu, mniejszą masę układu z tego tytułu, a także dużo mniejsze kłopoty z synchronizacją pracy wszystkich elementów anteny. Co więcej, awaria nawet 10-20% elementów T/R (zależnie od konstrukcji) nie spowoduje wyłączenia urządzenia z akcji, aczkolwiek da się odnotować spadek parametrów. Kolejny czynnik ma związek z emiterem wiązki: słabością pasywnych ESA jest wspomniany pojedynczy, duży, i ciężki emiter mikrofalowy, którego działanie powoduje, iż przeniesienie energii wiązki na każdy z setek elementów ferrytowych powoduje znaczne sumaryczne straty tej energii, z racji dość skomplikowanego systemu połączeń. Emiter ten potrzebuje też dość prądu zmiennego o bardzo dużej mocy i napięciu. To niekorzystne zjawisko nie występuje w urządzeniach AESA, gdzie każdy element emitujący potrzebuje jedynie kilkuwatowego, stałoprądowego zasilania. Dla porównania, taki radiolokator ma szacunkowy czas międzyawaryjny oceniany na 800-1000h i w porównaniu z konstrukcjami klasycznymi (200-300h może 400h) wypada znakomicie, co jest nową jakością w zakresie eksploatacji takiego urządzenia.
Po takim peanie powstaje pytanie, czy te radary mają jakieś ograniczenia? Jak dotąd okazuje się że tak. Pierwszym minusem jest trwonienie mocy przez wzmacniacz emitera wiązki w każdym elemencie T/R. Jego wydajność wynosi poniżej 50%, co powoduje iż w rezultacie wytwarzana jest w tych układach wspomniana w którymś poście ogromna ilość nadmiarowego ciepła, przez co mimo iż można zaoszczędzić na masie gdyż nie trzeba zasadniczo mechanicznych układów sterujących anteną, to jednak z powodu złożonych układów chłodzenia ze skomplikowanym systemem elektrycznych pomp, tłoczących jakiś rodzaj płynnego chłodziwa, systemy z antenami AESA uchodzą niekiedy za tak samo ciężkie jak ESA. No i rzeczywiście kolejnym problemem jest podkreślana przez Suna, relatywnie tania produkcja przemysłowa układów MMIC, bo samo zaprojektowanie i stworzenie takiego układu jest wykonalne i nie jest to jakaś szczególna nowość, złożone układy cyfrowe rozmaitego przeznaczenia bazujące na arsenku galu niegdyś robiono także w Polsce, oczywiście nie w skali masowej. Nie da się jednak ukryć iż technologia AESA uchodzi dziś za jedną z najbardziej perspektywicznych technologii stosowanych w radiolokacji, tym bardziej jeśli dostępne staną się na skalę przemysłową programowalne układy cyfrowe bazujące na jeszcze nowocześniejszych technologiach półprzewodnikowych.
O rany, hilfe, przeczytałem to jeszcze raz i powiem szczerze że nic z tego nie rozumiem
Ale mam nadzieję że nie zamieszałem i że trochę jasniejsza jest zasada działania tych urządzeń, zarówno wykorzystujących skanowanie aktywne jak i pasywne.
