PESA (radar)

PESA (ang. Passive Electronically Scanned Array) – pasywna antena fazowana z elektronicznie sterowaną wiązką, określana także jako pasywna antena z elektronicznym skanowaniem – rodzaj fazowanego szyku antenowego, w którym kierunek wiązki fal radiowych jest zmieniany elektronicznie, przede wszystkim przez sterowanie różnicami faz sygnałów doprowadzanych do poszczególnych promienników. PESA określa zatem przede wszystkim architekturę anteny i jej toru nadawczo-odbiorczego, a nie odrębny rodzaj radaru jako całego urządzenia. W literaturze technicznej i branżowej powszechnie używane jest jednak skrótowe określenie radar PESA (ang. PESA radar). Oznacza ono radar, którego antena wykorzystuje architekturę PESA. W polskiej literaturze z zakresu anten i radiolokacji jest stosowana terminologia „antena z elektronicznie sterowaną wiązką”, „szyk antenowy”, „promiennik” i „przesuwnik fazy”.

W klasycznej architekturze PESA moc sygnału jest wytwarzana we wspólnym torze nadawczym, a następnie rozdzielana pomiędzy promienniki szyku; jako źródła lub wzmacniacze dużej mocy mogą być stosowane m.in. magnetron, klistron albo lampa o fali bieżącej.

Określenie „pasywna” odnosi się do architektury części mikrofalowej anteny, a nie do braku aktywnego nadawania sygnału. Poszczególne promienniki klasycznej PESA nie mają własnych wzmacniaczy nadawczych i odbiorczych odpowiadających modułom aktywnego szyku. Wzmacnianie jest realizowane we wspólnym torze albo w torach wspólnych dla większych grup promienników, natomiast sterowanie kierunkiem wiązki odbywa się za pomocą elementów fazujących.

PESA jest jedną z architektur anten z elektronicznie sterowaną wiązką. W odróżnieniu od niej AESA (ang. Active Electronically Scanned Array), czyli aktywna antena z elektronicznie sterowaną wiązką, wykorzystuje rozproszone tory nadawczo-odbiorcze. Poszczególne promienniki lub ich niewielkie grupy są związane z własnymi modułami nadawczo-odbiorczymi (N/O; ang. transmit/receive modules, T/RM), zawierającymi m.in. wzmacniacze nadawcze i odbiorcze. Określenie „moduł nadawczo-odbiorczy (N/O)” jest stosowane w polskiej literaturze dotyczącej radarów AESA i szyków fazowych z zasilaniem rozproszonym. W praktycznych systemach występują również architektury pośrednie i hybrydowe, dlatego podział na PESA i AESA nie jest tożsamy z podziałem według sposobu skanowania w azymucie i elewacji.

Zasada działania

W typowym radarze impulsowym antena jest na przemian wykorzystywana do nadawania krótkiego impulsu elektromagnetycznego i odbierania jego echa od obserwowanych obiektów. Czas pomiędzy wysłaniem impulsu a odebraniem echa pozwala określić odległość celu.

W radarze z anteną skanowaną wyłącznie mechanicznie zmiana obserwowanego kierunku wymaga fizycznego obrócenia anteny. W PESA położenie wiązki może być zmieniane bez mechanicznego przemieszczania całej apertury przez regulację fazy sygnału doprowadzanego do poszczególnych promienników szyku. Pozwala to szybko zmieniać kierunek maksymalnego promieniowania anteny, co w polskiej literaturze wskazywane jest jako jedna z podstawowych właściwości anten z elektronicznie sterowaną wiązką.

Nie wyklucza to konstrukcji, w których elektroniczne skanowanie jest realizowane tylko w jednej płaszczyźnie, a w drugiej antena jest obracana mechanicznie. Połączenie elektronicznego skanowania wiązki z obracaną anteną planarną jest stosowane m.in. w radarach trójwspółrzędnych.

W typowej PESA sygnał wytwarzany przez wspólny nadajnik lub zespół wspólnych wzmacniaczy jest rozdzielany pomiędzy wiele promienników. W torze prowadzącym do każdego z nich znajduje się sterowany przesuwnik fazy, który wprowadza odpowiednią zmianę fazy przed wypromieniowaniem sygnału.

Odpowiedni rozkład amplitudowo-fazowy w aperturze anteny powoduje, że fale emitowane przez poszczególne promienniki wzmacniają się wskutek interferencji w wybranym kierunku, tworząc kierunkową wiązkę. Zmiana ustawień przesuwników fazy umożliwia szybkie przemieszczanie wiązki głównej, czyli zmianę kierunku maksymalnego promieniowania, bez mechanicznego obracania anteny w skanowanej w ten sposób płaszczyźnie.

Podczas odbioru sygnały odebrane przez poszczególne promienniki przechodzą przez odpowiadające im tory fazujące, a następnie są sumowane i kierowane do wspólnego toru odbiorczego. W PESA znaczna część toru nadawczo-odbiorczego jest zatem wspólna dla wielu promienników, podczas gdy w AESA funkcje wzmacniania sygnału są rozproszone pomiędzy liczne moduły N/O umieszczone bezpośrednio przy promiennikach lub ich niewielkich grupach.

PESA a AESA

Podstawowa różnica pomiędzy PESA i AESA dotyczy rozmieszczenia aktywnych elementów toru nadawczo-odbiorczego. W PESA nadajnik lub zespół wspólnych wzmacniaczy zasila wiele promienników przez układ rozdziału mocy i elementy fazujące. W AESA poszczególne promienniki lub niewielkie grupy promienników są związane z własnymi modułami N/O zawierającymi m.in. wzmacniacz mocy, wzmacniacz niskoszumowy oraz układy regulacji fazy i amplitudy.

W polskiej literaturze radarowej aktywne anteny AESA są opisywane jako konstrukcje z rozproszonymi modułami N/O bezpośrednio związanymi z promiennikami tworzącymi szyk antenowy. W materiałach Wojskowej Akademii Technicznej stosowane jest także określenie „antena aktywna z elektronicznie sterowaną wiązką AESA”.

Sieć rozdziału mocy w PESA powoduje straty pomiędzy wzmacniaczem a promiennikami, m.in. w dzielnikach mocy, liniach transmisyjnych i przesuwnikach fazy. W AESA końcowe wzmacniacze mocy w torach nadawczych oraz wzmacniacze niskoszumowe w torach odbiorczych znajdują się znacznie bliżej promienników, co ogranicza część strat przed wypromieniowaniem sygnału i przed pierwszym stopniem wzmacniania sygnału odbieranego.

Rozproszenie torów nadawczo-odbiorczych zwiększa również odporność AESA na uszkodzenia pojedynczych modułów. Awaria części modułów N/O powoduje stopniowe pogarszanie parametrów anteny, podczas gdy pozostałe moduły mogą nadal pracować. W PESA uszkodzenie wspólnego nadajnika, odbiornika lub innych centralnych elementów toru może wpływać na funkcjonowanie znacznie większej części anteny.

AESA pozwala ponadto na niezależną regulację amplitudy i fazy w poszczególnych kanałach, co daje większą swobodę kształtowania charakterystyki promieniowania, w tym wiązki głównej i listków bocznych. Możliwe jest również funkcjonalne dzielenie apertury na grupy modułów realizujące różne zadania. Niektóre z tych możliwości mogą występować także w bardziej złożonych PESA i architekturach hybrydowych, dlatego właściwości konkretnego radaru zależą nie tylko od samej klasy PESA/AESA, ale również od sposobu zasilania, liczby torów nadawczo-odbiorczych oraz sposobu formowania i przetwarzania sygnałów.

Historia

Początki sterowania kierunkiem promieniowania za pomocą różnic faz poprzedzają powstanie radaru. Karl Ferdinand Braun opisał układ kierunkowy złożony z kilku anten z kontrolowaną różnicą faz, a wiosną 1905 roku jego współpracownicy przeprowadzili w pobliżu Strasburga doświadczenia z trzema nadajnikami, których rozkład amplitud i faz kształtował kierunek promieniowania.

Jednym z pierwszych operacyjnych radarów wykorzystujących sterowanie wiązką przez zmianę fazy był niemiecki FuMG 41/42 Mammut z okresu II wojny światowej. Nieruchoma antena wykorzystywała przełączane odcinki linii zasilającej w „elektrycznym kompensatorze”, umożliwiające zmianę fazy i odchylanie wiązki bez obracania całej anteny. Mammut jest w literaturze określany jako jeden z pierwszych seryjnych radarów z szykiem fazowym, jednak jego układ z przełączanymi liniami opóźniającymi był rozwiązaniem poprzedzającym współczesne półprzewodnikowe PESA i nie powinien być utożsamiany bezpośrednio z ich późniejszą architekturą.

W 1959 roku amerykańska ARPA (obecnie DARPA) rozpoczęła program Electronically Steered Array Radar (ESAR), którego celem było opracowanie dużego, dwuwymiarowego szyku antenowego z elektronicznie sterowaną wiązką. Nazwę Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) agencja otrzymała dopiero w 1972 roku.

Prace prowadzone w tym okresie przyczyniły się do rozwoju wielkich radarów z elektronicznie sterowanymi szykami antenowymi, m.in. AN/FPS-85. AN/FPS-85 nie był jednak klasyczną PESA ze wspólnym nadajnikiem: jego część nadawcza wykorzystywała macierz 72 × 72 oddzielnych elementów nadawczych, z których każdy miał własny tor wzmacniający o mocy szczytowej do 10 kW. Stanowił więc przykład rozwoju technologii dużych elektronicznie sterowanych szyków antenowych, ale jego architektura nadawcza różniła się od klasycznej PESA opisanej w tym artykule.

Rozwój przesuwników fazy, lamp mikrofalowych, układów sterowania i elektroniki półprzewodnikowej umożliwił budowę praktycznych PESA składających się z setek lub tysięcy promienników. W latach 70. opracowano m.in. AN/MPQ-53 systemu Patriot, radary 5N63/30N6 systemu S-300 oraz AN/SPY-1 systemu Aegis. Pierwsze z nich wykorzystywały pasywne zasilanie przestrzenne, natomiast SPY-1 stosował rozbudowaną falowodową sieć zasilającą.

W latach 80. technologia PESA została szerzej zastosowana w radarach lotniczych. AN/APQ-164 bombowca B-1B oraz pierwotna wersja AN/APQ-181(inne języki) bombowca B-2 były radarami PESA. Radziecki Zasłon samolotu MiG-31, wykorzystujący około 1700 promienników, był pierwszym produkowanym seryjnie radarem z elektronicznie sterowanym szykiem zastosowanym w samolocie myśliwskim.

Przykładowe radary

Określenie PESA opisuje przede wszystkim architekturę części nadawczo-odbiorczej i szyku antenowego, a nie sposób mechanicznego poruszania całym zespołem antenowym. Radar może więc mieć pasywną antenę fazowaną z elektronicznie sterowaną wiązką i jednocześnie obracać ją mechanicznie w azymucie, jak ma to miejsce w części radarów okrętowych. Z drugiej strony nie każdy radar określany w literaturze anglojęzycznej jako phased array lub electronically scanned array jest PESA.

Przypisy

Zobacz multimedia związane z tematem: PESA (radar)