Содержание
Радар с фазированной антенной решеткой — это архитектура радара, в которой фаза и амплитуда каждого элемента антенной решетки управляются электронным способом, что позволяет быстро перенаправлять луч в пространстве. В отличие от радиолокаторов с механическим сканированием, в которых антенна физически вращается для изменения направления луча, радиолокаторы с фазированной антенной решеткой не имеют движущихся механических частей. Переключение луча происходит за микросекунды, что кардинально меняет метод сканирования радиолокатора и его способность обрабатывать несколько целей одновременно.
Научная карьера академика Мао Эрке тесно связана с развитием в Китае радиолокационных систем с фазированной антенной решеткой. В 1964 году, в возрасте 30 лет, он принял участие в разработке первой в Китае радиолокационной системы с фазированной антенной решеткой, благодаря чему Китай стал одной из немногих стран мира, способных создавать крупные современные радиолокационные системы. Оглядываясь назад, можно сказать, что эволюция технологии фазированных антенных решеток по сути представляет собой революцию парадигмы — переход от “механического вращения” к “электронному формированию луча”.”
1. Основной принцип работы фазированной антенной решетки
1.1 Формирование луча: физическая сущность управления фазой
Основной механизм фазированная антенная решетка является интерференция волн. Когда несколько элементов антенной решетки одновременно излучают электромагнитные волны, волны от каждого элемента накладываются друг на друга в пространстве. Если все элементы имеют одинаковую фазу, луч направлен в нормальном направлении решетки. Если фаза каждого элемента увеличивается или уменьшается в соответствии с определенной закономерностью, наложенный луч отклоняется.
Для однородной линейной решетки, когда разность фаз между соседними элементами составляет Δφ, угол отклонения луча θ удовлетворяет следующему условию:
Δφ = 2π · d · sinθ / λ
где d — расстояние между элементами, а λ — рабочая длина волны. Благодаря точному управлению фазовым сдвигом каждого элемента луч можно гибко направлять в любом направлении в пределах диапазона сканирования.
1.2 От пассивного к активному: эволюция архитектуры
Фазированная антенная решетка прошла путь развития от пассивной к активной и от аналоговой к цифровой.
Пассивная антенная решетка с электронным сканированием (PESA) использует централизованный мощный передатчик, распределяющий сигнал по каждому антенному элементу через сеть питания. Каждый элемент оснащен только фазовым сдвигателем. Такая архитектура относительно недорога, однако потери в сети питания высоки, а надежность ограничивается центральным передатчиком.
Активная антенная решетка с электронным сканированием (AESA) оснащает каждый антенный элемент независимым модулем передачи/приёма (T/R), содержащим усилитель мощности, малошумящий усилитель, фазосдвигатель и аттенюатор. Технология AESA позволяет отказаться от централизованного передатчика, что значительно снижает потери в питающей линии и существенно повышает надёжность системы — даже в случае выхода из строя некоторых модулей T/R радиолокационная станция может продолжать работу в ограниченном режиме.
Цифровая фазированная антенная решетка Кроме того, это позволяет перенести формирование луча из аналоговой области в цифровую. Принятый сигнал от каждого элемента или подмассива оцифровывается АЦП, а затем формируется цифровым сигнальным процессором. Цифровое формирование луча обеспечивает гибкость и возможность перенастройки формы луча, одновременное формирование нескольких лучей, а также более высокую устойчивость к помехам.
2. Модули T/R: основной блок фазированной антенной решетки
2.1 Функциональная структура модуля приёма-передачи
Модуль T/R является основным функциональным блоком радиолокационной системы AESA Входной блок РЧ, объединяющий усиление мощности передаваемого сигнала, малошумящее усиление принимаемого сигнала, сдвиг фазы и ослабление. В режиме передачи типичный модуль T/R усиливает сигнал возбуждения до требуемой мощности и обеспечивает сдвиг фазы. В режиме приема он осуществляет малошумящее усиление слабого эхо-сигнала и обеспечивает фазовое взвешивание принимаемого сигнала.
2.2 Технические проблемы интеграции высокой плотности
Крупный радиолокатор с фазированной антенной решеткой может содержать тысячи или даже десятки тысяч модулей приёма-передачи. Эти модули должны обеспечивать согласованные фазовые и амплитудные характеристики в ограниченном пространстве; в противном случае качество формирования луча значительно ухудшается. Согласованность между каналами является одной из наиболее важных инженерных задач в области радиолокационных систем с фазированной антенной решеткой.
В исследовании, опубликованном в 2025 году, была продемонстрирована конструкция компактного модуля приёма-передачи для полностью цифрового радиолокатора с фазированной антенной решёткой, работающего в S-диапазоне. В передающей части использовалась технология GaN, что позволило достичь выходной мощности 10 Вт, а в приемной цепи — коэффициента усиления 33 дБ и коэффициента шума 3 дБ. Размер модуля составлял всего 46 мм × 38 мм. Такая компактная конструкция позволяет объединять несколько модулей для создания полностью цифровой радиолокационной системы.
2.3 Роль силовых устройств на основе GaN в модулях приёма-передачи
Микросхемы усилителей мощности на основе GaN обладают рядом преимуществ, включая компактные размеры, широкую запрещенную зону, высокую напряжениюстойчивость, термостойкость и высокую удельную мощность, что делает их пригодными для применения в мощных радиолокационных системах с фазированной антенной решеткой. При тех же габаритах модуля приёма-передачи устройства на основе GaN могут обеспечивать выходную мощность на порядок выше, чем традиционные устройства на основе GaAs, что позволяет фазированным антенным решеткам осуществлять обнаружение на больших расстояниях при сохранении компактной конструкции.
3. Технические преимущества фазированной антенной решетки
Чрезвычайно быстрое переключение луча. Отсутствие движущихся механических частей означает, что переключение направления луча зависит исключительно от скорости срабатывания фазовых сдвигателей, что может происходить за микросекунды. Это позволяет радиолокатору с фазированной антенной решеткой работать в режиме «отслеживание во время сканирования» (TWS), одновременно выполняя задачи поиска и слежения.
Возможность одновременного поражения нескольких целей. Благодаря технологии цифрового формирования луча фазированная антенная решетка может одновременно формировать несколько лучей, направленных в разные стороны, что позволяет вести одновременное слежение за несколькими целями. В исследовании 2025 года была продемонстрирована система радиолокатора с фазированной антенной решеткой, основанная на равномерной прямоугольной решетке размером 30×30, в которой использовался гибридный устойчивый формирователь лучей и которая обеспечивала общую точность 99,291 TP3T при обнаружении нескольких целей и подавлении помех.
Высокая устойчивость к помехам. Радар с фазированной антенной решеткой может формировать нули в направлении источников помех с помощью адаптивного формирования луча, что позволяет эффективно подавлять как преднамеренные, так и непреднамеренные помехи. Цифровое формирование луча обеспечивает радару многомерные возможности противодействия помехам в пространственной, временной и частотной областях.
Высокая надежность. Благодаря распределенной архитектуре модулей приёма-передачи (T/R) радиолокационной станции с активной фазированной антенной решёткой (AESA) выход из строя одного модуля не приводит к остановке работы всей системы. Радиолокационная станция способна компенсировать снижение характеристик за счёт перераспределения задач, что обеспечивает чрезвычайно высокую тактическую ценность при использовании в военных целях.
4. Основные технические проблемы, связанные с радиолокаторами с фазированной антенной решеткой
4.1 Подавление лопастей решетки
Когда расстояние между элементами превышает половину длины волны, помимо главного лепестка появляются дополнительные лепестки — это лепестки решетки. Лепестки решетки приводят к рассеиванию энергии на передаче и неоднозначности угла приёма. В инженерной практике расстояние между элементами, как правило, строго удерживается в пределах λ/2, однако это означает, что количество элементов резко возрастает с ростом частоты, что приводит к увеличению стоимости, энергопотребления и габаритов.
4.2 Противоречие между широкополосным и широкоугольным сканированием
Ширина луча радиолокатора с фазированной антенной решеткой изменяется в зависимости от угла сканирования — она наиболее узкая при наведении под прямым углом и расширяется при больших углах, что приводит к снижению коэффициента усиления и ухудшению разрешения. Это физический закон, характерный для антенных решеток, и его невозможно устранить; при проектировании системы можно лишь ограничить диапазон сканирования до приемлемых пределов (как правило, в пределах ±60°).
4.3 Управление тепловым режимом
Интегральные модули приёма-передачи высокой плотности выделяют значительное количество тепла в ограниченном пространстве. Несмотря на высокую эффективность усилителей мощности на основе GaN, плотность теплового потока в них также более высокая. Эффективные решения по управлению тепловым режимом — включая подложки с высокой теплопроводностью, системы жидкостного охлаждения и рациональную компоновку модулей — являются ключевым фактором при проектировании радиолокационных систем с фазированной антенной решёткой.
5. Направления развития фазированных антенных решеток
Согласно техническому обзору, опубликованному в 2026 году, технология фазированных антенных решеток развивается в шести направлениях: легкий, интегрированный, с низким уровнем рассеяния, многофункциональный, распределенный и интеллектуальный.
Легкий представляет собой насущную потребность для авиационных и спутниковых платформ. Фазированные антенные решетки на уровне микросхем и трехмерная микро- и наноинтеграция являются ключевыми техническими направлениями, позволяющими добиться облегчения конструкций. Интеграция требует преодоления ограничений традиционных одиночных апертур для обеспечения комплексного развертывания апертур универсальной платформы. Разведка направлен на удовлетворение будущих требований к адаптивным радиолокационным системам, в соответствии с которыми фазированные антенные решетки должны обладать возможностями входного уровня для интегрированной обработки сигналов и интеллектуального планирования.
Эти направления развития предъявляют более высокие требования к входному блоку РЧ-системы: более широкая полоса пропускания, более высокая степень интеграции, меньшее энергопотребление и более высокая адаптивность к условиям окружающей среды.
6. Портфель технологий компании STARDL для радиочастотных входных блоков фазированных антенных решеток
Узким местом в работе радиолокационных систем с фазированной антенной решеткой является РЧ-блок входа — мощность и КПД передатчика определяют дальность обнаружения, коэффициент шума приемника определяет предельное значение чувствительности, а фазовая согласованность сигнальной цепи определяет качество формирования луча. Портфель технологий STARDL в области РЧ-блоков входа обеспечивает полную аппаратную поддержку радиолокационных систем с фазированной антенной решеткой:
Цепочка передачи сигнала — силовые устройства на основе GaN. Силовые устройства STARDL на основе GaN охватывают диапазон частот 0,5–8,0 ГГц с выходной мощностью до 100 Вт и более и оснащены предварительно согласованными сетями внутреннего импеданса, обеспечивающими стабильную линейность в импульсном режиме работы. Высокая удельная мощность и превосходная термическая стабильность GaN делают его идеальным передающим устройством для мощных модулей приёма-передачи фазированных антенных решёток.
Приемная цепь — малошумящие усилители. Коэффициент шума приемной цепи радиолокатора с фазированной антенной решеткой напрямую определяет предельный уровень чувствительности системы. Усилители с низким уровнем шума (LNA) компании STARDL изготовлены по технологии GaAs и обеспечивают коэффициент шума на уровне всего 0,35 дБ при сохранении хорошей линейности, что позволяет удовлетворить строгим требованиям к согласованности и стабильности при приеме сигналов многоканальным радиолокатором с фазированной антенной решеткой.
Сигнальная цепь — интегральные схемы для радиочастотного и микроволнового диапазонов. Точность формирования луча в радиолокаторах с фазированной антенной решеткой зависит от фазовой согласованности каждого канала. Микроволновые РЧ-интегральные схемы STARDL охватывают диапазон частот от постоянного тока до 50 ГГц — от смесителей до умножителей и фазосдвигателей — образуя комплексное решение для цепочки обработки сигнала. Конструкция с низким фазовым шумом напрямую влияет на качество формирования луча и точность доплеровской обработки.
Системная интеграция — модули приёма-передачи и готовые интегральные схемы. Опыт компании STARDL в области модулей приёма-передачи позволяет решить ключевую задачу — “обеспечение стабильной многоканальной работы в условиях ограниченного пространства”. Интегральные схемы в корпусах охватывают диапазон частот от постоянного тока до 40 ГГц и совместимы со стандартными технологиями поверхностного монтажа (SMT), обеспечивая высокоплотные и высокостабильные интеграционные решения для проектирования и серийного производства радиолокационных систем с фазированной антенной решёткой.
7. Сравнение типов: фазированная антенная решетка и радар с механическим сканированием
| Размер | Радар с фазированной антенной решеткой | Радар с механическим сканированием |
|---|---|---|
| Скорость переключения луча | Микросекунды (электронное управление) | Секунды (механическое вращение) |
| Возможность одновременного поражения нескольких целей | Strong (одновременное многолучевое слежение) | Слабое (последовательное однолучевое слежение) |
| Способность противодействовать подавлению сигнала | Сильный (адаптивное подавление) | Слабый (отсутствует возможность пространственной фильтрации) |
| Надежность | Высокий (распределенные модули приёма/передачи) | Средний (износ механических деталей) |
| Стоимость | Высокий (большое количество модулей T/R) | Низкий (простая структура) |
| Типичные области применения | Высокотехнологичные военные радиолокационные станции, терминалы спутниковой связи | Метеорологический радар, морской навигационный радар |
Реальность инженерного дела
Суть радиолокатора с фазированной антенной решеткой заключается в замене механические средства с электронные средства для управления лучем, что позволяет избавить радиолокационную систему от физического ограничения, связанного с “вращением антенны”, и обеспечить свободу формирования луча, а также гибкость при обработке данных о нескольких целях.
Академик Мао Эрке в возрасте 30 лет принял участие в разработке первого в Китае радиолокатора с фазированной антенной решеткой и в последующие десятилетия продолжал содействовать исследованиям в области радиолокаторов новой архитектуры. Предложенные им направления — синтезированный широкополосный радиолокатор с высоким разрешением, радиолокатор, охватывающий всё пространство-время, распределённый когерентный радиолокатор — объединены одной основной идеей: получить больше информации о цели за счет повышения разрешения—а технология фазированных решеток является одним из наиболее эффективных средств достижения этой цели.
Портфель технологий STARDL в области РЧ-фронт-эндов — от силовых устройств на основе GaN до малошумящих усилителей, от микроволновых интегральных схем до модулей приёма-передачи — охватывает всю аппаратную цепочку от передачи до приёма для радиолокационных систем с фазированной антенной решёткой, обеспечивая прочную РЧ-основу для инженерной реализации радиолокационных систем с фазированной антенной решёткой следующего поколения.
