Фазотрон:АФАР на самолете-истребителе-новый этап в развитии авиационной радиолокации

[voice from .ua]

После разбивки АФАР на структурные элементы началась работа над каждым структурным элементом. Для каждого структурного элемента были сформулированы общие и частные требования. Общие требования были сведены к простоте обслуживания и эксплуатации, к простоте ремонта АФАР, создаваемой по нетрадиционной технологии, необходимости создать БРЛС с АФАР с массой, не превышающей массу БРЛС традиционной технологии, тогда как все остальные параметры должны были быть значительно лучше.



1.3.3. Анализ структурной схемы АФАР показал, что «Фазотрон» имеет производственно-технологический потенциал, способный разработать и изготовить все структурные элементы АФАР за исключением приемопередающего модуля.

Теоретически создать ППМ возможно, но накладываемые на него жесткие конструктивно-технологические требования показали, что создать ППМ с требуемыми характеристиками может только предприятие электронной промышленности, оснащенное современным оборудованием и обладающее промышленной субмикронной технологией изготовления монолитных интегральных схем (МИС), предназначенных для работы в 3-сантиметровом диапазоне длин волн. Именно исходя их этих требований, при создании АФАР для изготовления ППМ и МИС «Фазотроном» были выбраны два предприятия в г. Томске: Научно-производственная фирма «Микран» (НПФ «Микран») и Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов (НИИПП). Проведя это эскизное проектирование по созданию АФАР и ее отработке, можно было бы перейти к промышленному проектированию АФАР для конкретного носителя.



2. Разработка элементов АФАР

В этом разделе сведена информация по разработке структурных элементов АФАР и поисковым работам, предшествующим разработке.



2.1. Выбор излучающего полотна антенны

Хорошо известно, что излучающее полотно является одним из самых важных элементов любой антенны. Для антенны с электронным управлением луча проектирование излучающего полотна антенны и расчет расположения излучающих элементов на раскрыве накладывают требования на все другие элементы, расположенные за излучающими элементами. Поэтому для детального изучения данного вопроса была разработана многофункциональная математическая модель АФАР, позволяющая оценивать и анализировать параметры проектируемой антенной системы на всех этапах единого технологического цикла.



Основными требованиями к излучающему полотну антенны при ее заданном диаметре являются:

• максимальный угол отклонения луча антенны без появления дифракционных (паразитных) боковых лепестков;

• максимальный коэффициент использования;

• максимальный коэффициент усиления;

• широкая полоса излучаемых частот.



В процессе выбора распределения излучателей на апертуре антенны было рассмотрено:

• эквидистантное: прямоугольное и гексагональное (регулярное распределение);

• неэквидистантное (нерегулярное распределение).



Большой материал по моделированию различных вариантов распределения излучателей показал:

• неэквидистантное распределение (по которому на «Фазотроне» накоплен большой опыт проектирования) на данном этапе не может быть использовано из-за неоптимальной в настоящее время системы отвода тепла и более жестких (малых) конструктивных требований к ППМ;

• из эквидистантных способов расположения излучателей на апертуре антенны после рассмотрения результатов

моделирования выбрано эквидистантное гексагональное распределение излучателей.



Выбор расстояний между элементными излучателями занял достаточно много времени. Однако этот выбор обеспечил отсутствие дифракционных (паразитных) боковых лепестков в заданном (±70°) угле отклонения луча антенны.

Рассмотрены алгоритмы управления амплитудно-фазовым распределением по элементам АФАР для реализации основных режимов работы БРЛС. Приведены результаты оценки работы алгоритмов на математической модели и результаты отработки алгоритмов на реальных образцах пассивной ФАР, подтверждающие их полную пригодность для управления АФАР.



2.2. Выбор рациональных излучающих элементов апертуры антенны (АФАР)

Рассмотрение типа и конструкции излучающего элемента апертуры антенны заняло много времени.

Были рассмотрены различные варианты излучателей:

* открытый стандартный волновод (не может быть использован из-за своих больших размеров для заданного диапазона частот);

* антенна Вивальди: этот вариант наиболее интересен и обеспечивает большой диапазон частот, но для создания АФАР к концу 2006 г. оказался недостаточно исследован, и работы по этому виду излучателей продолжаются (стенд для отработки излучателя Вивальди представлен на фото 2);

* открытый нестандартный волновод (квадратный или круглый), обеспечивающий заданное распределение излучателей на апертуре, используется с диэлектрической вставкой, обеспечивающей коэффициент диапазонности 2-2,5 (отношение максимальной крайней частоты к минимальной крайней частоте).



2.3. Приемопередающий модуль АФАР

Одним из основных элементов АФАР является приемопередающий модуль, характеристики его, как и конструктивные размеры, определяются его интеграцией в АФАР и не могут быть созданы отдельно, то есть в отрыве от создаваемой АФАР. Именно с этой позиции сформулированы приводимые ниже требования к ППМ.



Основные требования к ППМ АФАР:

• формирование заданного уровня мощности в передающем канале;

• управление требуемыми амплитудно-фазовыми характеристиками усиливаемого в передающем канале сигнала;

• прием СВЧ-сигналов требуемой чувствительности с пассивной и управляемой защитой малошумящего усилителя приемного канала;

• управление требуемыми амплитудно-фазовыми характеристиками (АФХ) приемного сигнала;

• синхронное переключение на входе и выходе приемного и передающего каналов;

• управление требуемыми амплитудно-фазовыми заданными характеристиками при сканировании луча, установка начальных АФХ каналов, выравнивание АФХ ППМ;

• внутренняя система распределения модулей вторичного питания; контроль за состоянием ППМ.



Корпорация «Фазотрон-НИИР» и НПФ «Микран» определили порядок разработки ППМ и его элементов, который включает следующие основные этапы:

• разработка и производство МИС;

• разработка и конструирование ППМ;

• разработка измеряемых комплексов и методик измерения характеристик ППМ.



В соответствии с требованиями к ППМ в НПФ «Микран» проведена работа по созданию ППМ, производству МИС и технологии их изготовления. На первом этапе работы отрабатывались вопросы построения одноканального ППМ (рис. 3-7). Для измерения параметров ППМ был создан специальный измерительный стенд, структурная схема которого и общий вид приведены на рис. 7а, 76. Графическое представление результатов измерений показано на рис. 7в.



2.3.1. Элементная база ППМ АФАР

После макетирования ППМ были сформулированы требования ко всем использованным при разработке элементам. Все элементы ППМ были изготовлены в г. Томске в НПФ «Микран» и НИИПП.



2.3.2. Конструкция ППМ

Конструкция ППМ может быть разнообразной и определяется расположением фазовых центров элементных излучателей на апертуре антенны, количеством элементов, расположенных внутри ППМ, схемой управления ППМ и системой охлаждения.

После изготовления первых одиночных ППМ и уточнения конструкции было принято решение об изготовлении 4-канальных (групповых) ППМ, что позволило разместить все элементы ППМ и создать внутреннюю групповую вычислительную систему управления ППМ.

Конструкция ППМ предусматривает легкость удаления неисправного ППМ и установку другого, исправного ППМ.

Внешний вид массогабаритного макета группового (4-канального) ППМ показан на рис. 8.



При разработке ППМ учтены задачи отвода тепла, минимизации токопотребления, минимизации массогабаритных параметров ППМ, сопряжения обмена данными управления и диагностики с центральным процессором. С целью минимизации массогабаритных параметров в конструкции ППМ применены современные технологические процессы формирования многоканальных плотноупакованных многослойных СВЧ-модулей при сочетании керамических, кремниевых и органических материалов (MCM-D-технология).

В конструкция ППМ возможно применение как зарубежных МИС (комплект СВЧ МИС для радиолокации фирмы МаСот), так и отечественных МИС по мере освоения их массового производства. Разработан наземный комплекс для проверки параметров (НКПП) ППМ АФАР, построенный на базе импульсного векторного анализатора цепей СВЧ. Структурная схема такого комплекса представлена на рис. 9. НКПП предназначен для измерения следующих параметров групповых ППМ для различных видов радиолокационных сигналов в заданных диапазонах частот и температур:

• комплексных коэффициентов передачи в режимах приема и передачи;

• коэффициента шума в режиме приемника;

• максимальной выходной линейной мощности в режиме передачи (выходная мощность по сжатию коэффициента усиления на 1 дБ);



3. Высокочастотная система запитки ППМ производится через радиальный волновод, успешно применяемый разработчиками «Фазотрона» на пассивных фазированных решетках (антенн с электронным управлением луча и неэквидистантным расположением излучателей).

[voice from .ua]

4. Рассмотрены проблемы настройки основных узлов АФАР, методы измерений амплитудно-фазового распределения по раскрыву решетки. Обоснованы методики записи диаграмм направленности АФАР, позволяющие полностью исключить применение сложного и дорогостоящего оборудования (прецизионное опорно-поворотное устройство, коллиматор) и проводить записи диаграмм направленности простейшим способом в компактной безэховой камере минимальных размеров.



5. Система управления АФАР решает две группы функциональных задач: координированное взаимодействие отдельных элементов АФАР в составе всей БРЛС и обеспечение (совместно с центральным процессором) интеграции АФАР с бортовым оборудованием. Технические решения, использованные при проектировании системы управления АФАР, были апробированы в соответствующих разработках вычислительных средств «Фазотрона».



6. Управление ППМ и подача напряжений питания производятся через разъем, расположенный в торцевой части ППМ от низкочастотной распределительной системы АФАР.



7. Схема питания ППМ представляет собой распределенную систему питания, использующую конверторы и высокочастотные источники вторичного питания.



8. Система охлаждения предусматривает прокачку охлаждающей жидкости через холодные полотна, с которыми ППМ имеют контакт. Для изучения сложных процессов теплообмена была разработана цифронатурная модель. При этом тепловые режимы рассчитывались с помощью компьютеров, а опорными точками для расчетов служили данные, полученные в ходе натурных исследований на тепловом макете АФАР



9. Первоначально изготовленный конструктивный макет показал, что конструкцию надо облегчать: масса АФАР диаметром 700 мм оказалась около 400 кг. После анализа такой конструкции было выполнено вторичное конструирование, которое позволило сформировать следующий облик БРЛС с АФАР (рис. 10).



Основными результатами этого этапа конструирования следует считать:

• уменьшение массы БРЛС до 220-240 кг;

• уменьшение количества ППМ;

• уменьшение потребления от источников первичного питания до 5-6 кВт за счет изменения режима БРЛС;

• подтверждение способности системы жидкостного охлаждения отводить тепло от АФАР на основе проведенного анализа СЖО, существующей на самолете МиГ-29.



Схема размещения РЛС с АФАР на МиГ-29 представлена на рис.11.



Проведенные нами исследования показали также, что переход в радарах самолетов-истребителей от традиционной технологии к АФАР позволяет наиболее полно раскрыть главное качество таких БРЛС - многофункциональность-многорежимность. При этом значительно повышается эффективность функционирования РЛС в традиционных режимах:

• примерно в 2 раза повышается дальность обнаружения целей;

• число обслуживаемых воздушных целей при сохранении обзора пространства увеличивается до 60;

• разрешение радиолокационной карты повышается до 1x1м;

• появляется возможность реализовать и новые режимы (инверсное синтезирование наземных объектов, интеграция с другими бортовыми системами радиотехнической разведки, радиоэлектронного противодействия, информационное обеспечение групповых действий самолетов, многолучевой режим, обеспечивающий одновременное функционирование РЛС по воздушным и наземным/надводным целям).



Изготовление БРЛС с АФАР по второму варианту конструирования будет завершено до 3-го квартала 2006 г., а в 4-м квартале планируется установить ее на самолет МиГ-29.



В настоящее время разработан комплект конструкторской документации первого экспериментального образца БРЛС с АФАР, в которой использованы ранее названные принципы:

• открытая архитектура БРЛС с возможностью как адаптации под конкретный носитель, так и модернизации путем замены отдельных блоков на более современные или введение в структуру новых функциональных блоков, расширяющих тактико-технические возможности;

• встроенная система контроля, обеспечивающая локализацию неисправности с точностью до сменного блока (узла);

• доступность всех блоков для оперативной замены в процессе эксплуатации;

• возможность индивидуальной замены любого ППМ из раскрыва АФАР непосредственно на борту (без демонтажа станции для ремонта);

• принцип функционального разделения станции на модули, обеспечивающий возможность настройки и проверки отдельных функциональных модулей и блоков до монтажа и последовательную проверку фрагментов станции на всех этапах монтажа;

• принцип совместного конструктивного исполнения функциональных узлов АФАР с системами обеспечения работоспособности (системы охлаждения).

• массогабаритные параметры основного блока АФАР:

- конструктивный диаметр - 600 мм;

- глубина - 300 мм;

- масса-105 кг.



В заключение хотелось бы выразить уверенность в том, что эти планы удастся осуществить. Пока единственным препятствием на пути их выполнения являются проблемы с финансированием проекта в размере 15-20 млн. долларов США.

Далее в отдельных статьях представлены результаты работы ведущих специалистов «Фазотрона» по разработке отдельных направлений проблемы создания БРЛС с АФАР.



Журнал «Фазотрон» 1-2 (4)/2006