AESA雷达的优势有哪些 AESA雷达系统如何工作

有源电子扫描阵列通常称为AESA,是一种相控阵雷达系统。它由一组天线组成,这些天线形成一束无线电波,可以瞄准不同的方向,而无需物理移动天线本身。AESA技术的主要用途是雷达系统。

AESA系统目前用于许多不同的军事平台,包括军用飞机和无人机,以提供卓越的态势感知。

ASEA技术的发展可以追溯到1960年代初,随着无源电子扫描阵列(PESA)雷达的发展,这是一种固态系统,它从单个源获取信号并使用移相器模块选择性地延迟信号的某些部分,同时允许其他部分无延迟地传输。以这种方式传输信号可以产生不同形状的信号,有效地将信号束指向不同的方向。这称为波束转向。

第一个AESA系统是在1980年代开发的,与旧的PESA系统相比具有许多优势。与使用一个发射器/接收器模块的PESA不同,AESA使用许多发射器/接收器模块,这些模块与天线元件接口,可以产生多个不同频率的同步雷达波束。

AESA 雷达系统如何工作

雷达系统通常通过将天线连接到强大的无线电发射器来发射短脉冲信号来工作。然后断开发射器的连接,天线连接到敏感的接收器,该接收器放大来自目标物体的任何回波。通过测量信号返回所需的时间,雷达接收器可以确定到物体的距离。然后接收器将结果输出发送到某种显示器。发射器元件通常是速调管或磁控管,适用于放大或产生窄范围的频率到高功率水平。要扫描天空的一部分,必须物理移动雷达天线以指向不同的方向。

从1960年代开始,引入了能够以受控方式延迟发射器信号的新型固态设备。这导致了第一个实用的大型无源电子扫描阵列(PESA),或简称相控阵雷达。PESA从单个来源获取信号,将其分成数百条路径,选择性地延迟其中一些路径,并将它们发送到单独的天线。来自单独天线的无线电信号在空间中重叠,并且控制各个信号之间的干扰模式以在某些方向上增强信号,并在所有其他方向上使其静音。延迟可以很容易地通过电子方式控制,允许在不移动天线的情况下非常快速地控制波束。PESA可以比传统的机械系统更快地扫描大量空间。此外,由于电子技术的进步,PESA增加了产生多个主动波束的能力,使它们能够继续扫描天空,同时将较小的波束聚焦在某些目标上,以跟踪或引导半主动雷达寻的导弹。PESA在1960年代迅速在船舶和大型固定炮台上普及,随后随着电子设备的缩小,机载传感器也随之而来。

AESA是固态电子进一步发展的结果。在早期的系统中,传输的信号最初是在速调管或行波管或类似设备中产生的,这些设备相对较大。接收器电子设备也很大,因为它们使用的频率很高。在1980年代引入砷化镓微电子学极大地减小了接收器元件的尺寸,直到有效的接收器可以以类似于手持无线电的尺寸建造,体积只有几立方厘米。JFET和MESFET的引入也对系统的发射器侧产生了同样的影响。它产生了带有低功率固态波形发生器的放大器发射器,为放大器供电,允许任何配备如此装备的雷达在更宽的频率范围内传输,直到随着每个脉冲发出的改变工作频率。将整个组件(发射器、接收器和天线)缩小成一个大约一盒牛奶大小的“发射器-接收器模块”(TRM),并将这些元件排列起来,从而产生AESA。

与PESA相比,AESA的主要优势是不同模块能够在不同的频率上运行。与PESA不同,PESA中的信号由少量发射器以单个频率生成,而在AESA中,每个模块都会产生并辐射自己的独立信号。这使得AESA能够同时产生许多“子波束”,由于不同的频率,它可以识别这些子波束,并主动跟踪更多的目标。AESA还可以同时产生由许多不同频率组成的波束,使用来自多个TRM的组合信号的后处理来重新创建显示,就好像发送了单个强大的波束一样。但是,这意味着每个频率中存在的噪声也会被接收和添加。

AESA的优势

1. 抗电子干扰 -AESA系统的主要优点之一对电子干扰技术的高度抵抗力。 雷达干扰通常是通过确定敌方雷达广播的频率,然后以相同频率发射信号以混淆它来完成的。随着时间的推移,工程师们开发了一种通过设计雷达系统来抵消这种形式的干扰的方法,该系统可以随着每个脉冲改变其频率。但随着雷达的进步,干扰技术也在进步。除了改变频率外,AESA系统还可以在宽带上分配频率,甚至在单个脉冲内,这种雷达技术称为“啁啾”。这种特性的组合使得干扰AESA系统比其他形式的雷达要困难得多。

2. 低拦截 -AESA 系统被敌方雷达警告接收器 (RWR) 拦截的可能性也很低。RWR允许飞机或车辆确定来自外部来源的雷达波束何时击中它。在这样做的过程中,它还可以确定光束的原点,从而确定敌人的位置。AESA 系统在克服 RWR 方面非常有效。由于上面提到的“啁啾”频率变化如此之快,并且完全是随机的序列,因此RWR很难判断AESA雷达波束实际上是否是雷达信号,或者只是世界各地发现的环境“白噪声”无线电信号的一部分。

3. 提高可靠性 -使用 AESA 系统的另一个好处是每个模块独立运行,因此单个模块中的故障不会对整体系统性能产生任何重大影响。AESA 技术也可用于创建飞机和其他装备系统之间的高带宽数据链路。

4. 多模式功能 - 该雷达技术还支持多种模式,使系统能够承担各种任务,包括:

实波束映射

合成孔径雷达 (SAR) 测绘

海面搜索

地面移动目标指示和跟踪

空对空搜索和跟踪

AESA 雷达面临的挑战

与大多数技术一样,制造商在AESA雷达技术的开发过程中面临着一些挑战。最常见的挑战包括电源、冷却、重量和价格。

幸运的是,随着技术的不断改进,已经取得了进步(并且还在继续进步)。例如,这些雷达的重量在过去几年中减少了一半以上,同时尺寸也减小了。这使得AESA可以安装在飞机机头以外的区域。雷达将能够朝多个方向定向,并提供更广阔的视野。

AESA雷达及其未来

正如Breifly所提到的,随着AESA技术的进步,它已经变得更小,更实惠。这使得许多国家能够将AESA纳入地面、海上和空中的遗留系统中。

认知雷达:AESA技术的发展与信号处理的改进齐头并进。这反映了非军事领域的电子创新;由于软件的改进,您的手机今天可以执行比十年前更多的任务。软件创新以惊人的速度移动将对雷达领域产生影响,特别是在人工智能(AI)领域。关键是机器能够从其近期和遥远的过去的操作中吸取教训,并将其应用于当前环境。所谓的“认知雷达”可以适应人工智能的元素。

氮化镓后:随着氮化镓(GaN)的出现,在AESA领域已经取得了很大进展,氮化镓是一种非常坚硬的半导体,越来越多地用于TR模块结构。它高度耐热,因此能够处理高功率传输,与使用砷化镓 (AsGa) 的传统 AESA T/R 模块相比,它提高了雷达性能。下一个神奇的材料要么满足使当前基于技术的系统“不足”的要求,要么大大降低制造成本,从而为行业投资创造了“节省开支”的理由。

小型化:摩尔定律假设单个芯片上的晶体管数量每两年翻一番。这使得电子产品可以在占用更少空间的同时做更多的事情,这也是今天的手机不再类似于 1980 年代的盒子状结构的原因。摩尔定律帮助雷达工程师将执行雷达功能的电子设备塞进各个 TR 模块上。小型化的驱动力将继续在雷达设计中,认为电子产品正在进入纳米技术领域。这可能提供了将电子设备安装到不断缩小的空间中的能力,并有助于进一步减少雷达的物理足迹。例如,AN/SPY-1雷达的总重量为65,733kg:在雷达设计中智能使用纳米技术可以帮助显着减小尺寸和重量,不仅适用于军舰,也适用于整个平台。

成本:资金是国防采购中一个长期存在的问题:设备似乎很少变得更便宜,国防预算总是面临压力。需要关注制造成本和AESA雷达系统的技术性能。客户总是在询问他们听说过的最新技术,实际上他们真正想要的是现成的成熟产品,不需要开发。目标是将这两个属性结合起来。这需要一个路线图,提供定期的技术更新和支持这项投资的收入来源。

延长持续时间:2016年,雷神公司在美国陆军协会的冬季贸易展上首次将其基于硝酸镓(GaN)的AESA升级到爱国者空中和导弹防御系统,成为国防科技界的头条新闻。自首次亮相以来,该系统已成功完成1000个运行小时。通过将两个面向相反方向的升级系统配对,它们可以覆盖完整的 360 度范围。

AESA 代表有源电子扫描阵列,而 PESA 代表无源电子扫描阵列。

PESA雷达

PESA雷达使用通用的共享射频源,其中信号使用以下命令进行修改 数控移相器模块。

以下是PESA雷达的特点。

• 如图-1所示,它使用单个发射器/接收器模块。

• PESA雷达产生无线电波束,可以电子控制 在不同的方向。

• 这里的天线元件与单个发射器/接收器接口。这里的PESA与AESA不同,AESA使用单独的发送/接收模块 每个天线元件。所有这些都由计算机控制,如下所述。

• 由于使用频率单一,极有可能 被敌方射频干扰器干扰。

•扫描速度慢,只能跟踪单个目标或 一次处理单个任务。

AESA 雷达

如前所述,AESA使用电子控制阵列天线 其中无线电波束可以电子控制以指向 在不同方向上相同,无需移动天线。它被认为是PESA雷达的高级版本。

AESA 使用许多单独的小型发送/接收 (TRx) 模块。

以下是AESA雷达的特点。

• 如图-2所示,它使用多个发射器/接收器模块。

• 多个发射/接收模块与多个天线接口 称为阵列天线的元件。

• AESA雷达同时产生不同无线电频率的多个波束。

• 由于具有在宽范围内产生多个频率的能力 范围,它被敌方射频干扰器干扰的可能性最小。

•它具有快速的扫描速率,可以跟踪多个目标或多个任务。

有关更多信息,请参阅 AESA 雷达框图。

以下是现代PESA和AESA雷达类型之间的相似之处。

• 现代PESA和AESA通常都是脉冲雷达。

• 现代PESA和AESA都是频率捷变和频率跳跃的 在不同时间的不同频率。

•两者都可以有窄带和宽带模式。

• 两者都可用于ECM,被动扫描,波束成形等。

AESA代表有源电子扫描阵列。使用这种天线的雷达被称为AESA雷达。它也被称为有源相控阵雷达(APAR)。它由单独的辐射元件(即天线)组成。这些天线中的每一个都配备了具有低噪声接收器的固态发射/接收模块, 功率放大器和数字控制增益/相位元件。

AESA 雷达工作操作

该图描绘了AESA雷达框图。这种类型的雷达也包含模拟波束成形 作为数字波束成形元件。天线元件阵列用于AESA雷达。

这里控制输入信号的相位和幅度 在应用于单个天线元件之前。因此,波束可以在方位角和仰角方向上转向。因此,辐射图的主瓣被射入 具有关注方向性的理想方向。

AESA雷达中使用的相控阵天线将旋转其辐射 与机械转向雷达类型不同,无延迟模式。发射/接收增益和定时波形的数字控制有助于 在波束转向中。

波束的宽度取决于天线阵列中的元件数量。当光束变为 清晰。

现在的AESA雷达是使用数千个单独的元件制造的 它们是电互连的。这为我们提供了复杂的天线结构,具有更好的性能,更小的尺寸和更少的 重量。

AESA 雷达的好处或优势

以下是AESA雷达的优点或优势。

➨ 无延迟地旋转图案。

➨ 实现低旁瓣。

➨ 与其他雷达类型相比,天线雷达特征显著降低。

➨ 与其他雷达系统相比,AESA雷达系统更可靠。

➨ 不需要大型高压电源,因为所有单独的电源 模块以大约 40 或 60 瓦的低功率运行。

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作者:网友投稿
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来源:轩哥技术分享
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