Американские специалисты считают, что последовательное или одновременное выполнение РЛС нескольких функций в значительной мере зависит от скорости и полноты обзора пространства, то есть от того, насколько быстро луч РЛС будет перемещаться в заданном секторе и изменять свою форму (диаграмму направленности). Отмечается, что для поиска и сопровождения воздушных целей необходима острая диаграмма направленности, сканирующая в пределах всей передней полусферы, а для обзора земной поверхности — плоская диаграмма (косеканс квадратной формы по углу места), сканирующая по азимуту в нижней части передней полусферы. В целях эффективного обеспечения полёта на малых высотах необходимо быстрое сканирование луча РЛС как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.
Существующие антенные системы, в которых для формирования диаграммы направленности луча используются параболические отражатели высокочастотных сигналов, не позволяют одной РЛС выполнять несколько функций. Такие антенны, по оценке американских специалистов, не имеют необходимой для многофункциональной РЛС ширины сектора обзора пространства, обладают недостаточной скоростью сканирования луча, имеют большой вес и объём, а также низкую надёжность, то есть они не подходят для РЛС, предназначенных для одновременного действия по нескольким целям и выполнения различных функций. Поэтому, например, на самолёте FB-111 для обеспечения выполнения всех его боевых задач устанавливаются две РЛС и три антенны.
В связи с этим в США уже в начале 60-х годов начались работы по созданию принципиально новых антенн для самолётных многофункциональных РЛС. Эти антенны представляют собой фазированные антенные решётки (ФАР). Иностранная печать отмечает, что основное преимущество ФАР перед обычной отражательной (зеркальной) антенной заключается в электронном управлении лучом, которое обеспечивается изменением по определённому закону фазы излучаемого сигнала каждого из элементарных излучателей. В решётке может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч таких излучателей. Время перемещения луча между двумя крайними положениями не превышает нескольких микросекунд, при этом возможно быстрое изменение формы диаграммы направленности. Существенной особенностью работы ФАР является необходимость включения в комплект РЛС электронной вычислительной машины, которая может достаточно быстро управлять одновременно всеми излучателями решётки. ФАР обеспечивает более широкий сектор обзора, чем обычная антенна, а благодаря неподвижной конструкции её удобно размещать под обтекателем на борту самолёта. Исключаются также тяжелые и громоздкие электромеханические или гидравлические устройства управления и повышается живучесть РЛС, так как она выполняет свои функции даже при выходе из строя значительного количества элементарных излучателей.
Американские специалисты одним из перспективных направлений в развитии ФАР считают создание так называемых «конформированных решёток», элементы которых будут располагаться по сложной выпуклой поверхности различных участков обшивки самолёта. При этом может увеличиться зона обзора и освободиться значительный полезный объём в носовой части самолёта для размещения других радиоэлектронных средств или вооружения.
Наиболее перспективными, несмотря на сложность электрических схем, иностранные специалисты считают так называемые «активные» ФАР, в которых элементарные излучатели являются самостоятельными приемопередатчиками. Такие ФАР позволяют с высоким КПД реализовать энергетические возможности высокочастотных генераторов и значительно повысить надежность работы РЛС. Существенным препятствием при создании таких РЛС является отсутствие в настоящее время достаточно экономичных, легких и мощных твердотельных высокочастотных генераторов или усилителей мощности. Поэтому в США в качестве промежуточных вариантов ФАР разрабатываются пассивные линзовые антенны (отражательные или проходные), а которых для формирования требуемых диаграмм направленности применяется решётка высокочастотных фазовращателей, облучаемая широким лучом от единого источника мощного высокочастотного сигнала.
В зависимости от способа подачи высокочастотных сигналов имеются пассивные проходные ФАР двух видов: с открытой волноводной системой, когда решётка облучается одним широким лучом от слабонаправленного источника, и с закрытой, когда передаваемый высокочастотный сигнал подается к элементарным фазовращателям решётки при помощи разветвленной системы волноводов.
Один из вариантов пассивной проходной ФАР с закрытой волноводной системой — волноводная щелевая решётка, в которой излучающими элементами являются щели в стенках волноводов. Управление фазой высокочастотного сигнала в такой решётке производится не в отдельном элементе, а в группе элементов путем применения группового фазовращателя в соответствующем отрезке волновода. В данном случае возможности электрического управления диаграммой направленности ФАР в плоскости, проходящей вдоль отрезка волновода, резко уменьшаются, и в связи с этим возникает необходимость использования механического сканирования луча.
Одной из основных частей элементарной ячейки ФАР является высокочастотный фазовращатель. Обычно фазовращатели выполняются на ферритах или реактивных диодах, причем, несмотря на значительные вносимые потери и малую допустимую рассеиваемую мощность, предпочтение отдается последним из-за их небольшого веса, простоты управления и высокой скорости переключения.
Управление фазовращателями обычно осуществляется с помощью сигналов, поступающих от цифровой ЭВМ. В иностранной печати отмечается, что если сигналы имеют малое количество разрядов, то уменьшается количество фиксированных значений фазы высокочастотного сигнала и при установке луча РЛС возникают ошибки квантования, а увеличение разрядности управляющих сигналов приводит к усложнению конструкции фазовращателей и возрастанию их веса.
Американские специалисты провезти опыты по оценке этих ошибок путем учёта падения мощности излучения в требуемом направлении при максимальной ошибке квантования и получили следующие результаты: при одноразрядном управляющем сигнале (установка фазы через 180°) это падение составляет 4 дб (60%), а при двухразрядном (установка фазы через 90°) — всего 0,9 дб (20%). Из этого был сделан вывод, что для большинства самолётных РЛС оптимальным является управление двухразрядным сигналом. При этом считается, что ошибка квантования вполне компенсируется за счёт большой скорости перемещения луча и дальнейшей обработки принятого сигнала.
В результате проводимых работ в США во второй половине 60-х годов фирмы «Тексас инструментс», «Макссон электроникс», «Хьюз эркрафт», «Рейтеон» и некоторые другие разработали ряд опытных образцов РЛС, имеющих активные и пассивные ФАР и электронное управление луча. Краткое описание некоторых из них приводится ниже.
РЛС MERA (Molecular Electronics for Radar Application), созданная специалистами фирмы «Тексас инструментс», является одной из первых станций с активной ФАР. Впервые эта РЛС была продемонстрирована в 1968 году. Её антенная решётка состоит из 604 твердотельных модулей, которые работают в 3-см диапазоне волн. Блок-схема одного такого модуля показана на рис. 1. При передаче для возбуждения модулей используются сигналы частотой 2250 МГц, а при приеме отраженных сигналов — гетеродины, работающие на частоте 2125 МГц. Компоновка, внешний вид и размеры модуля показаны на рис. 2 (цифровые обозначения соответствуют обозначениям на рис. 1). Элементы модулей на площади ФАР были размещены по эмпирическому положению: два-три модуля на площадь, равною квадрату длины волны РЛС. Для достижения мощности в импульсе бортовой РЛС (предназначенной для обзора земной поверхности), равной 60 кВт, предполагалось использовать модули мощностью излучения по 100 Вт. Однако технические возможности выполнения твердотельных усилителей такой мощности в заданных габаритах оказались нереальными, и возникший при этом энергетический дефицит был компенсирован за счет применения схем сжатия импульсов. Сообщалось, что среднее расчётное время наработки РЛС на один отказ составило несколько сотен часов.
Рис. 1. Блок-схема модуля РЛС MERA: 1 — антенна; 2 — антенный переключатель; 3 — умножитель частоты; 4 — сигнал переключения с приема на передачу; 5 — смеситель; 6 — импульсный усилитель; 7 — импульсный сигнал модуляции; 8 — усилитель промежуточной частоты; 9 — фазовращатель приемного тракта, 10 — логическая схема управления; 11 — фазовращатель передающего тракта; 12 — фазосдвигающее устройство; 13 — усилитель мощности; 14 — управляющие сигналы от ЭBM
Опыт разработки, схемы и некоторые конструктивные решения экспериментальной РЛС MERA были использованы при создании в начале 70-х годов опытного образца РЛС RASSR (Reliable Advanced Solid State Radar). Специалисты фирмы считали, что эта РЛС вполне может быть установлена на перспективных тактических самолётах 70-х годов. Её ФАР состояла из 1648 приемопередающих модулей, сходных по принципу построения с модулями РЛС MLRA.
Рис. 2 Модуль РЛС MERA: а — расположение основных элементов в верхней и нижней частях модуля; б — внешний вид модуля в собранном виде
Фирма «Макссон электронике» по заказу командования авиации ВМС США разработала опытный образец РЛС 1-см диапазона с отражательной ФАР. Эта РЛС в 1969 году была установлена на самолёте А-6 для проведения летных испытаний. ФАР диаметром 72 см состояла из 1500 элементов с высокочастотными фазовращателями на реактивных диодах. Размеры каждого из элементов — 98x10x10 мм. Сигнал на решётку подавался от четырёхрупорного облучателя. Управление фазовращателями решётки осуществлялось с помощью сигналов, поступающих от легкой малогабаритной бортовой ЭВМ весом 2,3 кг, которая обеспечивала установку луча в течение 250 мкс. Электроснабжение РЛС производилось от специального блока питания весом 2,7 кг. Потребляемая мощность станции 700 Вт.
По сообщениям иностранной печати, специалисты этой фирмы на базе вышеупомянутого опытного образца разработали проект усовершенствованной РЛС с ФАР диаметром 144 см, состоящей из 6000 элементов. Расчетный вес такой решётки 77 кг, а стоимость 150 тыс. долларов. Фазовращатели решётки выдерживают мощность излучения более 2 Вт, поэтому американские специалисты считают, что такая РЛС могла бы обладать мощностью в импульсе 1,5 МВт, а этого вполне достаточно для самолётных станций любого класса. Для такой РЛС предполагалось использовать модифицированную ЭВМ, которая обеспечивает установку луча за 1,5 мкс.
Для перспективных истребителей-перехватчиков авиации ВМС США в 1969 году фирмой «Хьюз эркрафт» была разработана РЛС ESIRA (Electronically Scanned Interceptor Radar Antenna). Её пассивная отражательная ФАР диаметром около 150 см состоит из 2400 элементов и четырёхрупорного облучателя.
По заказу командования ВВС США американская фирма «Рейтеон» разработала РЛС AN/APQ-140, которая предназначалась для установки на сверхзвуковой стратегический бомбардировщик В-1 «Лансер», создаваемый фирмой «Боинг». Опытный образец этой РЛС с отражательной ФАР диаметром около 70 см, состоящей из 3300 элементов (рис. 3), прошёл летные испытания на специальном самолёте. Однако по ряду причин принятие этой РЛС на вооружение было отложено, и на первых этапах серийного производства самолёта В-1 на него планируется устанавливать не одну многофункциональную РЛС, а комплект станций, представляющий собой усовершенствованный вариант комплекта РЛС самолёта.
Pис. 3 Внешний вид РЛС AN/APQ-140
Зарубежная печать сообщает, что интенсивные работы по созданию самолётных РЛС с ФАР, проводимые в США со второй половины 60-х годов, не дали ожидаемых результатов. В связи с техническими трудностями, возникшими при реализации проектов, и недостаточно высокой надёжностью твердотельных элементов ФАР современные американские боевые самолёты до сих пор не имеют бортовых РЛС с полным электронным управлением луча. Кроме того, существенное влияние на выполнение программ оказала высокая стоимость работ.
По данным иностранной печати, в США при создании многофункциональных РЛС применяется промежуточный конструктивный вариант ФАР, представляющий собой волноводную щелевую решётку с закрытой фидерной системой и питанием от общего высокочастотного генератора мощности. Как указывалось ранее, ограниченное электронное управление диаграммой направленности в такой антенне должно сочетаться с механическим сканированием её решётки. Однако, несмотря на это, они имеют преимущества перед обычными антеннами. В частности, отмечается, что тщательная фазировка излучателей значительно уменьшает уровень боковых лепестков, а отсутствие вынесенного вперёд облучателя или контррефлектора позволяет при данных размерах обтекателя увеличить диаметр антенны и её предельные угловые отклонения, а следовательно, сузить диаграмму направленности и увеличить зону обзора. Кроме того, приближение центра тяжести антенной системы к узлам её подвески позволяет значительно упростить их конструкцию и повысить скорость перемещения антенны.
В США уже разработаны РЛС нескольких типов с щелевыми антенными решётками.
Например, на многоцелевых палубных истребителях F-14 «Томкэт» устанавливаются созданные фирмой «Хьюз эркрафт» РЛС системы управления оружием AN/AWG-9 (рис. 4). Сообщается, что сочетание в данной РЛС электронного и быстрого механического сканирования луча обеспечивает одновременное сопровождение нескольких воздушных целей. На базе этой станции фирма разработала серию РЛС «Атлас», которые планируется устанавливать на перспективных тактических самолётах. Антенну аналогичного типа (в виде щелевой волноводной решётки) применила фирма «Юнайтед эркрафт» в РЛС «Меркурий», которую предполагается использовать на перспективном истребителе ВВС США. Антенна РЛС «Меркурий», макет которой демонстрировался фирмой в конце 1974 года, представляет собой 30 горизонтальных отрезков волноводов со щелевыми излучателями, расположенными в узких стенках волноводов. Её конструкция обеспечивает механическое сканирование по азимуту в пределах ±70° и электронное до 50° по углу места.
Рис. 4 Бортовая РЛС с щелевой волноводной ФАР, установленная в носовой части самолёта F-14
Американская печать отмечает, что благодаря своим преимуществам и относительно несложной конструкции щелевые волноводные антенные решётки найдут применение не только в многофункциональных, но и в более простых самолётных бортовых РЛС. В частности, фирма «Бендикс» разработала обзорную навигационную РЛС RDR-1400 (рис. 5), у которой антенная решётка обеспечивает только формирование луча, а обзор по обеим угловым координатам (азимуту и углу места) осуществляется за счёт механического её вращения. RDR-1400 имеет узкую диаграмму направленности и предназначена для обнаружения малоразмерных надводных целей. Её намечается устанавливать на патрульные и поисково-спасательные самолёты и вертолеты.
Рис. 5. Основные блоки и ФАР обзорной навигационной РЛС RDR-1400
Многие иностранные специалисты считают, что в течение ближайших лет наиболее вероятным типом антенны самолётных многофункциональных РЛС будет щелевая волноводная решётка с частичным механическим сканированием, а принятие на вооружение РЛС, имеющих полностью электронное управление луча, следует ожидать не ранее начала 80-х годов.