Фазированная антенная решётка

Фазированная антенная решётка (ФАР) — это тип антенной системы, состоящей из множества излучающих элементов (вибраторов, рупоров, щелей, микрополосковых излучателей), в которой управление направлением и формой диаграммы направленности осуществляется путём изменения фазовых сдвигов сигналов, подводимых к каждому элементу. ФАР относится к классу антенных решёток с электрическим сканированием луча и является основой современных радиолокационных станций (РЛС), систем связи и радиоэлектронной борьбы.

Принцип действия

Основой работы ФАР является интерференция электромагнитных волн, излучаемых отдельными элементами. Если к каждому элементу подвести сигнал с определённым фазовым сдвигом, то в заданном направлении волны от всех элементов складываются синфазно, формируя главный лепесток диаграммы направленности (ДН). В других направлениях волны складываются в противофазе, ослабляя друг друга, что приводит к образованию боковых лепестков.

Фазовый сдвиг между соседними элементами (Δφ) определяет угол отклонения луча (θ) от нормали к плоскости решётки. Связь описывается формулой:

Δφ = (2π/λ) d sin θ,

где λ — длина волны, d — расстояние между элементами (шаг решётки). Изменяя Δφ с помощью управляемых фазовращателей, можно мгновенно перенаправлять луч в пределах углового сектора, не перемещая механически всю антенну.

Классификация

ФАР классифицируются по нескольким признакам.

По типу фазовращателей

• Пассивные ФАР — используют один общий передатчик (или приёмник), а фазовращатели устанавливаются на каждом элементе. Сигнал распределяется по элементам через волноводную или микрополосковую систему.
• Активные ФАР (АФАР) — каждый элемент решётки имеет собственный приёмо-передающий модуль (содержащий усилитель, фазовращатель, иногда и смеситель). Это позволяет независимо управлять амплитудой и фазой сигнала, повышает надёжность (отказ одного модуля не выводит из строя всю систему) и улучшает энергетический потенциал.

По геометрии размещения элементов

• Линейные — элементы расположены вдоль одной линии (сканирование в одной плоскости).
• Плоские (двумерные) — элементы расположены на плоскости (сканирование в двух плоскостях).
• Конформные — элементы размещены на криволинейной поверхности (например, на фюзеляже самолёта), что позволяет интегрировать антенну в обводы носителя.

По способу управления фазой

• Дискретные — фазовращатели имеют фиксированный набор состояний (например, 4, 8, 16 дискретных значений фазы).
• Аналоговые — фаза изменяется непрерывно (например, с помощью варикапов или ферритовых элементов).

История

Первые теоретические работы по управляемым антенным решёткам относятся к 1930-м годам. В 1937 году в США была предложена концепция «электрического сканирования» луча. В 1950-х годах в СССР и США начались практические разработки: в 1955 году в США создана экспериментальная ФАР для РЛС AN/FPS-85, а в 1960-х годах — система «Айджис» (Aegis) с пассивной ФАР AN/SPY-1.

В СССР значительный вклад в теорию и практику ФАР внесли учёные: М. А. Миллер, Л. Д. Бахрах, А. Ф. Чаплин. Первая советская серийная РЛС с ФАР — «П-18» (1970-е годы). В 1980-х годах началось внедрение АФАР: в США — на истребителе F-22 Raptor (AN/APG-77), в СССР — на истребителе МиГ-35 (с 2000-х годов).

Устройство и основные компоненты

Типичная ФАР включает:

• Излучатели — элементы решётки (вибраторы, щели, рупоры, микрополосковые патчи). Их количество может достигать нескольких тысяч (например, в РЛС ПВО — до 10 000 элементов).
• Фазовращатели — устройства, изменяющие фазу сигнала. Бывают ферритовые (на основе ферромагнитных материалов), p-i-n-диодные (на полупроводниковых диодах) и МЭМС (микроэлектромеханические).
• Систему распределения сигнала — делители мощности, сумматоры, волноводы или микрополосковые линии.
• Управляющий вычислитель — процессор, который рассчитывает фазовые сдвиги для каждого элемента в реальном времени, исходя из требуемого направления луча.
• Систему охлаждения — для АФАР, где модули выделяют значительное тепло.

Характеристики

• Сектор сканирования — максимальный угол отклонения луча (обычно ±60° от нормали). При больших углах ухудшается коэффициент усиления.
• Ширина луча — определяется размером решётки: чем больше апертура (в длинах волн), тем уже луч.
• Уровень боковых лепестков — отношение мощности главного лепестка к мощности боковых. Для снижения боковых лепестков применяют амплитудное распределение (например, спадающее к краям).
• Быстродействие — время переключения луча (от микросекунд до миллисекунд), определяется типом фазовращателей.
• Коэффициент усиления — пропорционален площади решётки и числу элементов.

Применение

Радиолокация

ФАР являются основой большинства современных РЛС:

• Системы ПВО — РЛС дальнего обнаружения (например, российская «Небо-М», американская AN/FPS-132).
• Бортовые РЛС истребителей — Су-57 (Н036 «Белка»), F-35 (AN/APG-81), F-22 (AN/APG-77).
• Корабельные РЛС — российская «Полимент-Редут» (на фрегатах проекта 22350), американская AN/SPY-6.
• РЛС управления огнём — для наведения ракет (например, «Ирбис-Э» на Су-35).

Связь

• Спутниковая связь — ФАР используются в терминалах для быстрого наведения на спутник (системы Starlink, OneWeb).
• Сотовая связь 5G — активные ФАР применяются в базовых станциях для формирования лучей (beamforming) и обслуживания множества абонентов.
• Радиорелейные линии — для связи между вышками.

Радиоэлектронная борьба (РЭБ)

ФАР позволяют создавать помехи в широком секторе, подавлять сигналы РЛС противника и защищать свои объекты. Примеры: российские комплексы «Красуха-4», «Хибины».

Астрономия и космические исследования

Радиотелескопы на основе ФАР (например, LOFAR в Нидерландах, SKA в ЮАР и Австралии) позволяют наблюдать небо в широком поле зрения без механического поворота.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Быстрое сканирование — луч может переключаться за микросекунды, что позволяет одновременно сопровождать множество целей.
• Гибкость — возможность формировать несколько лучей одновременно (многолучевые ФАР).
• Надёжность — в АФАР отказ нескольких модулей лишь незначительно ухудшает характеристики.
• Низкая заметность — ФАР могут быть интегрированы в обшивку самолёта (конформные решётки), снижая ЭПР.
• Электронное управление — отсутствие механических частей уменьшает износ и шум.

Недостатки

• Высокая стоимость — особенно для АФАР с большим числом модулей.
• Сложность охлаждения — в АФАР выделяется много тепла, требующего эффективных систем отвода.
• Ограниченный сектор сканирования — при отклонении луча более чем на 60° усиление резко падает.
• Энергопотребление — активные ФАР потребляют значительную мощность.

Интересные факты

• Первая в мире серийная РЛС с АФАР — американская AN/APG-77 (F-22), введённая в строй в 2005 году.
• В российской РЛС «Небо-М» используется ФАР с 10 000 элементами, работающая в метровом диапазоне волн.
• В системах 5G используются ФАР с числом элементов до 64 (в базовых станциях) и до 4 (в мобильных устройствах).
• В 2020-х годах ведутся разработки «цифровых» ФАР, где фазовращатели заменены цифровыми вычислителями, формирующими сигнал для каждого элемента непосредственно в цифровом виде.

Источники

• Бахрах Л. Д., Миллер М. А. «Фазированные антенные решётки» — М.: Радио и связь, 1985.
• Справочник по радиолокации / под ред. М. Сколника — М.: Техносфера, 2014 (том 2, глава «Антенные решётки»).
• Материалы НИИ «Фазотрон» (Россия) — описания РЛС «Ирбис-Э», «Белка».
• Документация по системам Aegis (AN/SPY-1) и F-35 (AN/APG-81) — открытые публикации ВМС США и Lockheed Martin.
• Статьи журнала «IEEE Transactions on Antennas and Propagation» (2010–2023) — по теории и практике ФАР.