Устойчивость АФАР/AESA радиолокатора F-35 к блокированию T/R модулей

Бортовые радиолокаторы военных самолетов, предназначеные для поиска и сопровождения целей проходят эволюцию от пассивных фазовых антенных решеток (ПФАР, или PESA — Passive Electronically Scanned Array) к активным фазовым антенным решеткам — АФАР, или AESA: Active Electronically Scanned Array). Базовым элементом и тех и других является приемо-передающий модуль — Transmit/Receive Module, TRM. И если в пассивной решетке он практически в единственном экземпляре, то в активной на каждый элемент приходится по одному TRM.

В локаторе AN/APG-81 истребителя-бомбардировщика F-35 дотошные юзеры насчитали 1676 элементов; можно представить какой объем оборудования займут TRM и какова будет стоимость. АФАР — удовольствие не из дешевых! Но и возможности по сравнению с ПФАР неизмеримо выше: одновременное сопровождение нескольких целей, сканирование произвольных областей пространства, произвольный выбор сигналов и многое другое. Но нас в данном случае интересует не количественное увеличение сложности АФАР, а принципиальные изменения в тракте обработки сигнала, которые за ним последовали.

На фото слева показан T/R модуль, возможно даже от F-35. Каждая сборка обслуживает несколько элементов антенной решетки и содержит малошумящие усилители LNA (цепь приема) и усилители мощности HPA (цепь передачи). Переключение на прием/передачу производится по внешним сигналам управления. Сигнал, принимаемый элементом антенной системы, усиливается LNA и подвергается аналого-цифровому преобразованию. Дальнейшая обработка идет в бортовом сигнальном процессоре.

АФАР/AESA и ПФАР/PESA: что за чем следует

Мы хотим выявить теоретические и практические отличия в образовании диаграммы направленности активной и пассивной антенных систем. В соответствии с принципом обратимости нет разницы, для какого режима — прием или передача проводить анализ, это во первых, и во вторых интересующий нас вопрос блокирования относится сугубо к приему АФАР. Поэтому рассмотрим, как работает диаграммообразующая система (ДОС) в обоих случаях — для AESA и PESA.

В АФАР сигнал элементов антенны принимается T/R модулями и поступает в сигнальный процессор, который назначает каждому элементу АФАР весовой коэффициент и фазовый сдвиг, после чего после численной обработки все сигналы суммируются. Синфазное суммирование, дающее максимальный сигнал будет формировать основной лепесток диаграммы; сигналы с других направлений будут складываться неоптимальным образом, давая на выходе невысокие уровни, которые мы называем боковыми лепестками.

В ПФАР фазовый сдвиг вносится процессором физически, с помощью фазовращателя через который подключен элемент антенной системы. В этой же антенной системе сигналы суммируются до сигнального процессора, избавляя последний от необходимости производить расчет по каждому элементу ПФАР. В результате точно также формируются основные и побочные лепестки.

То обстоятельство, что АФАР за счет управления амплитудой сигнала антенного элемента может точнее и лучше формировать диаграму по сравнению с ПФАР, является несомненным преимуществом но не играет существенного значения с точки зрения целей нашего рассмотрения.

Итак, математическая процедура ДОС в случае активной и пассивной решетки совершенно идентична: разница лишь в том, что в локаторе с АФАР формирование диаграммы производится в вычислителе, а в локаторе с ПФАР — аппаратно в самой антенной системе. Таким образом, теоретических различий между этими способами реализации — никаких. С практической точки зрения, особых проблем тоже как-бы не видно. Но это только на первый взгляд.

Сейчас мы пришли к той точке, когда программисты, поставив этот знак равенства, успокаиваются и идут пить кофе, а инженеры начинают беспокойно ерзать на своих стульях. И это неспроста! Инженеры знают, что полная аналогия между программной и аппаратной обработкой оправдана только тогда, когда приемный тракт является линейным по отношению к входным сигналам. В реальных же условиях, тем более с учетом радиолокационного противодействия, это может быть совсем не так. И тут уже появляется принципиальная разница в поведении ДОС у активной и пассивной решетки, и эта разница совсем не в пользу АФАР. Приступаем к эксперименту.

Ставим помеху, или как jamming портит красивую картинку

Эксперимент будет проходить следующим образом. Устанавливаем источник помехи и будем наблюдать, какое воздействие это возымет на АФАР и ПФАР. Требования к помехе не сильно жесткие: достаточно, чтобы ее мощность создавала достаточный уровень в динамическом диапазоне T/R модулей; тип модуляции не принципиален, частота тоже: достаточно чтобы она была в достаточно широкой полосе пропускания антенных систем. Расположение источника помехи тоже некритично: достаточно лишь, чтобы он находился в диапазоне углового сканирования радиолокатора.

На этом этапе, вслед за программистами уходят пить кофе менеджеры и журналисты. Ведь они прекрасно знают, что для этого и формируется диаграмма направленности, чтобы подавлять подобные помехи. Более того, АФАР прекрасно может запеленговать источник и сформировать диаграмму таким образом, чтобы в направлении помежи был нулевой уровень диаграммы. Поэтому помеха будет подавлена провалом в сформированной диаграмме направленности. Тоже на первый взгляд.

Да, это действительно так, но… опять таки справедливо только тогда, когда тракт приема является линейным. Если помеха является блокирующей, то есть нарушающей линейность тракта, то благостная картинка просто перестает существовать. В ГОСТах, которые формируют требования к профессиональной радиоприемной технике, этот параметр так и называется — блокирование, который определяется как «изменение отклика на полезный радиосигнал при наличии на входе радиоприемного устройства хотя бы одной радиопомехи». Заметьте: в линейной системе сигнал и помеха суммируются независимо друг от друга, поэтому отклик на полезный сигнал не меняется в зависимости от помехи. Это может произойти только в том случае, если помеха нарушает линейность приемного тракта, в нашем случае — приемной цепи T/R модуля, состоящей из LNA и АЦП.

В ПФАР диаграммообразующая система (ДОС) находится до T/R модуля, поэтому последний защищен от блокирующей помехи диаграммой направленности. В идеальном варианте, как было подмечено выше, если источник помехи попадает в ноль диаграммы и на входе T/R модуля она будет равна нулю. Это принципиальный момент, на который я обращаю ваше внимание.

В АФАР ДОС находится после T/R модулей, вследствие чего они беззащитны перед сигналами на своих входах. Минимумы диаграммы подавляющие помехи будут вычисляться также после этих модулей, и поэтому если они будут блокированы, то полезный сигнал на выходе этих модулей просто не попадет — никакие фильтры не помогут.

Постойте, но ведь проблема известна давно. И если покопаться в старинных книжках, то можно найти решение. И действительно, в аналоговой технике радиоприема защитой от блокирования служит большой динамический диапазон, который позволяет проходить маленькому сигналу на фоне неизмеримо более мощной помехи без искажений, что дает возможность отфильтровать помеху в дальнейшем. Такого же подхода можно было ожидать и от приемника TRM — но наличие АЦП в тракте рушит все надежды, и сейчас скажу почему.

Часто можно привести цитату, в которой проблема сформулирована лучше, чем ее можешь сформулировать ты. Сейчас как раз такой случай, поэтому процитирую первоисточник. Он как раз указывает на проблему, присущую радиоприемным устройствам (РПУ) которые используют прямую оцифровку антенного входа с помощью высокочастотных АЦП:

Основным недостатком, ограничивающим широкое применение подобного типа РПУ, является невозможность обеспечения высоких уровней динамического диапазона по блокированию. Поскольку на входе АЦП отсутствует фильтрация, то АЦП соответственно не может выполнять оцифровку одновременно сигналов большого и малого уровня. В соответствие нормам ГОСТ радиоприемник должен обеспечивать уровень восприимчивости по блокированию не менее 126 дБ/мкВ для РПУ второго класса и 130 дБ/мкВ для РПУ первого класса. Очевидно, что существующие типы АЦП 14-16 бит не в состоянии обеспечить выполнение этого параметра.

Вот и все. АЦП принципиально напрочь убивает динамический диапазон, что создает уязвимость АФАР для постановки блокирующей помехи. Осталось только оценить степень ее реализуемости. Для этого нам надо оценить чувствительность T/R модуля в локаторе F-35, чтобы на основе этого значения рассчитать потребную мощность помехи и на каком расстоянии может располагаться ее источник.

Если вы найдете ошибку в нижеследующих расчетах, не стесняйтесь! Смело пишите замечания и предложения в комменты )

Энергетический бюджет радиолинии локатор -> цель -> локатор

Нас интересуют две величины:

• мощность отраженного от цели сигнала, для оценки потребной мощности джаммера;
• уровень сигнала на входе антенной системы локатора, для оценки наступления момента блокирования АЦП TRM.

В качестве исходных данных возьмем значения:

P_t = 20kW: мощность передатчика радиолокатора F-35;

λ = 3cm: длина волны для частоты 10ГГц;

G_t = 35dB: коэффициент усиления антенны радиолокатора на передачу, линейное значение: 3162;

R = 400km: дальность до цели;

σ = 3m² : ЭПР цели.

Фактически, при построении бюджета мы поэтапно воспроизводим основное уравнение радиолокации. Причина, по которой мы его не используем — это необходимость в промежуточных данных и соответственно прозрачность в том, как они получены.

Начнем с самого начала — передатчика. Изотропный излучатель мощностью Pt создаст плотность мощности D на расстоянии R: [1] Такой излучатель будет светить во все стороны одинаково, на то он и изотропный. Конечно, для локатора это может быть неплохим качеством, вот только плотность мощности в заданном направлении будет весьма скромной. Чтобы ее повысить, используем направленные свойства антенны с коэффициентом усиления Gt, тогда плотность излучаемой мощности [Вт/м2] составит: [2] Очевидно, что с ростом расстояния в знаменателе выражения плотность мощности будет падать, поскольку телесный угол ограниченный диаграммой направленности передающей антенны будет расширяться с ростом дальности. При облучении цели нашим передатчиком мы будем принимать мощность, зависящую от геометрических размеров цели. Если цель для простоты изложения будем представлять как антенну, тогда принимаемая целью мощность Pr будет зависеть от эффективной площади этой антенны Ae: [3] В свою очередь, эффективная площадь напрямую связана с коэффициентом усиления приемной антенны (читай — цели): [4] Выполняя очередную подстановку из [4] в [3], получим значение для уровня принимаемого сигнала в простой радиолинии передающая антенна локатора -> цель: [5] Пока все понятно с точки зрения физики за исключением того, как интерпретировать коэффициент усиления цели Gr.

Но мы не будем ломать над этим голову, поскольку этот параметр напрямую связан с показателем ЭПР цели σ соотношением [6] Если мы подставим это в предыдущее выражение [5], то получим значение мощности сигнала переотраженного от цели: [7] Индекс t2 теперь означает, что теперь это другое значение мощности передачи, на этот раз с какой интенсивностью цель светит обратно на локатор. Теперь распространение пошло в обратном направлении — от цели к приемной антенне локатора, и для радиолинии цель -> приемная антенна локатора мы будем использовать точно такое же выражение [5]: [8] Новые обозначения несут следующий смысл: Pr2: мощность сигнала, принимаемого антенной радиолокатора; Gr2: коэффициент усиления антенны радиолокатора на прием: очевидно, что он будет таким же, как и Gt. Позже мы вернемся к этому; Pt3*Gr: мощность отраженного целью сигнала, которая на самом деле есть не что иное, как Pt2. Подставляя значение Pt2 из [7] вместо произведения Pt3*Gr в [8], получаем: [9] [10] и в результате мощность, принимаемая на выходе антенны радиолокатора, будет равна [11]

Я не случайно сделал оговорку: на выходе антенны, поскольку выход — это уже суммирование сигналов T/R элементов, а нас интересует как раз мощность на их входе. Но обо всем по порядку: каркас из формул мы создали, теперь начинаем считать.

Немного о смыслах: физических

Итоговые значения можно схематически представить в следующем виде:

Мы можем сразу посчитать порядок значений мощности сигнала отраженного от цели P_t2 [7] для определения сопоставимой мощности, требуемой от источника помехи — джаммера. Что касается мощности P_r2, то это суммарная мощность, образуемая вкладом всех TRM антенны. Собственно в этом физический смысл коэффициента усиления антенны G: собирая сигналы со всех T/R модулей, повышается энергетическая эффективность в направлении синфазного сложения сигналов, то есть в направлении основного лепестка диаграммы. При этом несущественно, является ли антенна дискретной решеткой, как в нашем случае, или представляет собой непрерывную конструкцию, как например рефлекторы спутниковых антенн: все равно, или с физической, или математической точки зрения происходит суммирование (а точнее интегрирование) мощностей, принимаемых парциальными элементами площади рефлектора.

В результате, чтобы оценить мощность сигнала принимаемого каждым T/R модулем, нужно грубо говоря разделить выходную мощность антенны P_r2 на количество модулей, а точнее — убрать значение коэффициента усиления G из формулы [11]. Для сомневающихся предлагаю провести самостоятельный эксперимент: построить диаграмму направленности такой антенны из 1676 модулей и сопоставить площадь основного лепестка с уровнем побочных излучений. Получится тоже самое значение 35 дБ. Собственно говоря, это значение было так и получено.

Тогда уровень сигнала, отраженного от цели на входе TRM будет

[12]

Вы заметили, как резко снизился порог воздействия на вход TRM — на целых G=35 дБ? Это то, о чем я говорил в начале статьи об особенностях АФАР.

Считаем

Наконец, после долгой возни с формулами, переходим к числам ). Подставляя исходные значения в [7] и [12], получаем:

мощность сигнала отраженного от цели P_t2=-10.2 dBm;

мощность сигнала на входе TRM P_trm= -144.7 dBm.

Как чувствует себя локатор F-35 с такой не очень маленькой целью (ЭПР 3м² это небольших размеров самолет) на расстоянии 400км? Абсолютное значение сигнала -144.7 dBm на входе TRM нужно соотнести с уровнем шума, чтобы делать выводы по отношению сигнал/шум. Для этого воспользуемся материалами по потерям в антенно-фидерном тракте бортового радиолокатора AN/APG-81 установленного на F-35.

По приведенным данным, с учетом потерь на распространение шумовая температура всего приемного тракта составит 996К. Это значение получено путем суммирования значений шумовой температуры антенны с учетом атмосферного шума (96К) и потерь в приемном фидере (98К). Шумовая температура приемника 608К получена из комнатной температуры (290К) с учетом коэффициента шума 4,91 дБ — столько вносит собственно приемник, или LNA входящий в состав TRM. С учетом потерь в приемном тракте 1,31 получается искомое значение 996К.

Умножая шумовую температуру на постоянную Больцмана, получаем шумовую плотность мощности, приведенную ко входу приемника 1.374*10^-20 Вт/Гц. Это относительная величина, которая показывает мощность шума на единицу ширины спектра. Чтобы получить абсолютное значение шума — шумовую мощность, необходимо учесть ширину полосы принимаемого сигнала. С длительностью зондирующего имульса 1 мкс требуемая полоса пропускания составит около 1 МГц; таким образом будем ориентироваться на шумовую мощность 1.374*10^-20 Вт/Гц * 10⁶ Гц =  1.374*10^-14 Вт, или -108.62 дБм (мощность в дБ относительно значения 1 мВт). Много это или мало? Предположим, что эта мощность приложена к стандартной нагрузке 50 Ом, тогда шумовое напряжение на входе приемника составит около 0.83 мкВ. Вполне реальное значение.

Таким образом, шумовое значение на входе T/R модуля радиолокатора AN-APG-81 составит минус 109 дБм. Отношение сигнал/шум составит -144.7 dBm — 109 dBm = -35.7 dB. Не очень здорово, скажем так, но не будем забывать что позади еще схема диаграммообразования антенны, в которой сигнал основного лепестка сложится синфазно, шум сложится кое-как, и в результате отношение сигнал/шум на выходе антенны будет -35.7 dB + 35 dB = -0.7 dB, что уже не так плохо.

Подчеркнем еще раз: при воздействии на вход T/R модуля радиолокатор с АФАР теряет преимущество в использовании коэффициента усиления антенны, что ни много ни мало 35 дБ.

Динамический диапазон 12-битного АЦП в составе TRM составляет 72.2 дБ. Предположим что коэффициент передачи усилителя LNA перед АЦП равен единице, поскольку его значение не влияет на физику блокирования АЦП — меняется только масштаб величин. Естественно, что АЦП будет работать при существенно более значимых входных сигналах, но для нас имеет значение только относительный расчет. Тогда диапазон входных сигналов, которые полностью займут разрядную сетку АЦП, составит от -144.7 dBm до -144.7 dBm + 72.2 dB =  -72.5 dBm.

Чтобы стать самым сильным сигналом для АЦП (а это уже почти блокирование), постановщику помехи — джаммеру достаточно иметь мощность -10.2 dBm + 72.2 dB = 62 dBm, или 1.58 кВт. Таким образом, при мощности джаммера 1.58 кВт дальности 400км у радиолокатора F-35 оказывается под вопросом.

На самом деле, картинка несколько сложнее, поскольку мы имеем дело с импульсными сигналами, а значит они не обязательно должны перекрываться во времени. Если джаммер будет работать с duty circle 100%, то подавление будет полным, но этот режим требует больших энергоресурсов джаммера и не может использоваться в течение длительного времени.

Сделаем оценку того, какое воздействие окажет мощность помехи например 5 кВт, или 67 dBm. В этом случае эквивалентная минимальная величина отраженного от цели сигнала составит 67 dBm — 72.2 dB = -5.2 dBm. Такое значение соответствует дальности локатора около 225 км, при этом помеха точно также как и в предыдущем случае займет весь динамический диапазон АЦП, а полезный отраженный сигнал будет находиться на уровне одного бита.

В результате блокирования полезный сигнал будет потерян во всех TRM и формировать диаграмму уже не будет никакого смысла.

Заключение

В статье было исследовано влияние метода прямой оцифровки сигнала с антенного модуля АФАР радиолокатора AN/APG-81 истребителя-бомбардировщика F-35 и связанная с этим возможность блокирования АЦП модуля T/R. Получены оценки потребной мощности постановщика помех (джаммера), который находится на таком же расстоянии, как и цель локатора.

Значение пораженной дальности локатора AN/APG-81 составит 400км при мощности джаммера около 1.58 кВт и 225км при мощности джаммера около 5 кВт. При таком блокировании радиолокатор F-35 теряет возможности формирования диаграммы и подавления джаммера.

Данные приведены при непрерывном излучении джаммера, в импульсном режиме, когда отраженные от цели сигналы и помеха могут не перекрываться, степень подавления уменьшится.

Расчет произведен для 12-разрядных АЦП приемных модулей. С повышением разрядности эффективность подавления также уменьшится. Ее величину можно оценить пользуясь приведенным математическим аппаратом.