액티브한 전자 스캔 어레이

Active electronically scanned array
유로파이터 타이푼 전투기는 노즈페어링을 제거하여 유로파이터 캡토르 AESA 레이더 안테나를 공개하였다.

능동형 전자스캔 어레이(AESA)는 위상배열 안테나의 일종으로, 안테나를 이동시키지 않고 전파 빔을 다른 방향으로 전자적으로 조종할 수 있는 컴퓨터 제어 어레이 안테나입니다.AESA에서 각 안테나 소자는 컴퓨터의 제어 하에 작은 고체 송수신 모듈(TRM)에 접속되어 안테나를 위한 송신기 및/또는 수신기의 기능을 수행한다.이는 모든 안테나 요소가 컴퓨터의 제어 하에 위상 시프터를 통해 단일 송신기 및/또는 수신기에 연결되는 PESA(Passive Electronic Scaned Array)와는 대조적입니다.AESA의 주된 용도는 레이더로, 액티브 페이즈드 어레이 레이더(APAR)라고 불립니다.

AESA는, 원래의 PESA 단계별 어레이 테크놀로지의 한층 더 고도의 2세대입니다.PESA는 한 번에 단일 주파수로 단일 전파 빔만 방출할 수 있습니다.여러 개의 빔이 필요한 경우 PESA는 Butler 매트릭스를 사용해야 합니다.AESA는 복수의 주파수로 복수의 전파 빔을 동시에 방사할 수 있습니다.AESA 레이더는 신호 방출을 더 넓은 주파수로 분산시킬 수 있으며, 이를 통해 배경 잡음을 탐지하기가 더 어려워져 선박과 항공기가 여전히 은밀한 상태를 유지하면서 강력한 레이더 신호를 방사할 수 있을 뿐만 아니라 교란에도 더 잘 저항할 수 있습니다.AESA와 PESA의 하이브리드도 있습니다.각 서브어레이는 PESA와 개별적으로 유사한 서브어레이로 구성되어 있으며, 각 서브어레이에는 독자적인 RF 프론트엔드가 있습니다.하이브리드 접근방식을 사용하면 순수 AESA에 비해 낮은 비용으로 AESA(예: 다중 독립 빔)의 이점을 실현할 수 있다.

역사

ZMAR 컨셉 스케치, 1962년
N.M. 화이트 샌즈 미사일 사거리에 있는 복잡한 울타리로 둘러싸인 다기능 어레이 레이더 프로토타입의 3개의 돔의 공중도.
FLAT TWIN 탄도탄 요격 미사일 레이더 스케치

벨 연구소는 1960년 나이키 제우스 레이더를 단계적 배열 시스템으로 대체할 것을 제안했고 1961년 6월 개발 승인을 받았다.그 결과 제우스 다기능 어레이 레이더(ZMAR)가 개발되었습니다.이것은 액티브한 전자 조종 어레이 레이더 [1]시스템의 초기 예입니다.ZMAR은 1963년 제우스 프로그램이 나이키-X 시스템으로 종료되면서 MAR이 되었다.MAR(Multi-function Array Radar)는 다수의 작은 안테나로 구성되었으며, 각 안테나는 별도의 컴퓨터로 제어되는 송신기 또는 수신기에 연결되어 있습니다.다양한 빔 형성 및 신호 처리 단계를 사용하여, 단일 MAR는 장거리 탐지, 트랙 생성, 디코이로부터 탄두 식별 및 아웃바운드 요격 [2]미사일의 추적을 수행할 수 있었다.

MAR는 넓은 공간에 걸친 모든 전투를 단일 사이트에서 제어할 수 있도록 했습니다.각 MAR 및 관련 전투 센터는 수백 개의 목표물에 대한 트랙을 처리합니다.그런 다음 시스템은 각 배터리에 가장 적합한 배터리를 선택하고 특정 공격 대상을 전달합니다.통상, 1개의 배터리는 MAR에 관련지어져 있습니다만, 다른 배터리는 MAR 주위에 분산되어 있습니다.원격 포대는 훨씬 더 단순한 레이더를 장착했으며, 주된 목적은 잠재적으로 멀리 떨어져 있는 MAR에 보이기 전에 나가는 스프린트 미사일을 추적하는 것이었다.이 작은 미사일 사이트 레이더(MSR)는 수동적으로 스캔되어 MAR의 다중 [2]빔 대신 단일 빔만 형성되었다.

MAR은 최종적으로는 성공했지만 시스템 비용은 엄청났습니다.ABM 문제가 너무 복잡해져서 MAR과 같은 시스템도 더 이상 현실적인 공격 시나리오를 처리할 수 없게 되자 Nike-X 개념은 MAR을 사용하지 않는 Sentinel 프로그램과 같은 훨씬 단순한 개념으로 포기되었습니다.두 번째 예인 MAR-II는 콰잘레인 [3]환초에서 폐기되었다.

최초의 소련 APAR인 5N65는 1963-1965년 S-225 ABM 시스템의 일부로 개발되었습니다.1967년 시스템 개념을 일부 수정한 후 1970-1971년 Sary Shagan 테스트 레인지에서 건설되었으며 서부에서는 플랫 트윈이라는 별명을 얻었습니다.4년 후, 쿠라 시험장에 이 설계의 레이더가 또 하나 만들어졌지만, S-225 시스템은 [citation needed]취역하지 않았다.

F-22 및 Super Hornet에 사용되는 AESA 레이더의 미국 제조사는 Northrop Grumman과[6] Raytheon을 [7]포함합니다.이들 회사는 또한 AESA 레이더의 '구성 요소'를 구성하는 송신/수신 모듈을 설계, 개발 및 제조합니다.필요한 전자 기술은 MMIC 프로그램 [8][9]등 국방부 연구 프로그램을 통해 자체 개발되었습니다.2016년 의회는 국방군 전투기 [10]24대를 위한 새로운 레이더를 생산하기 위한 군사 산업 대회에 자금을 지원했다.

기본 개념

AESA 기본개략도

레이더 시스템은 일반적으로 안테나를 강력한 무선 송신기에 연결하여 짧은 신호 펄스를 방출합니다.그런 다음 송신기가 분리되고 안테나가 대상 물체의 에코를 증폭하는 민감한 수신기에 연결됩니다.신호가 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정함으로써 레이더 수신기는 물체까지의 거리를 결정할 수 있습니다.그런 다음 수신기는 결과 출력을 일종의 디스플레이로 보냅니다.송신기 소자는 일반적으로 klystron tube 또는 마그네트론으로, 좁은 범위의 주파수를 증폭하거나 높은 전력 레벨까지 발생시키는 데 적합합니다.하늘의 일부를 스캔하려면 레이더 안테나가 물리적으로 다른 방향을 가리키도록 이동해야 합니다.

1960년대부터 송신기 신호를 제어 방식으로 지연시킬 수 있는 새로운 솔리드 스테이트 디바이스가 도입되었습니다.이를 통해 최초의 실용적인 대규모 패시브 전자 스캔 어레이(PESA) 또는 단순한 단계별 어레이 레이더가 탄생했습니다.PESA는 단일 소스로부터 신호를 받아 수백 개의 패스로 분할하고, 그 중 일부를 선택적으로 지연시켜 개별 안테나에 송신했습니다.개별 안테나로부터의 무선 신호는 공간에서 겹쳤고, 개별 신호 간의 간섭 패턴은 특정 방향으로 신호를 강화하고 다른 모든 방향에서 음소거되도록 제어되었습니다.지연은 전자적으로 쉽게 제어할 수 있기 때문에 안테나를 움직이지 않고 빔을 매우 빠르게 조종할 수 있습니다.PESA는 기존의 기계 시스템보다 훨씬 빠르게 공간을 스캔할 수 있습니다.또한 전자제품의 발전 덕분에 PESA는 여러 개의 활성 빔을 생성하는 기능을 추가해 하늘을 계속 스캔하는 동시에 반능동 레이더 유도 미사일을 추적하거나 유도하기 위해 특정 목표물에 더 작은 빔을 집중시킬 수 있게 했다.PESA는 1960년대에 선박과 대규모 고정 시설에 빠르게 보급되었고, 전자제품이 줄어들면서 공기 감지 센서가 그 뒤를 이었다.

AESA는 솔리드 스테이트 일렉트로닉스가 한층 더 발전한 결과입니다.초기 시스템에서는 전송 신호가 클라이스트론이나 이동파관 또는 비교적 큰 유사한 장치로 생성되었습니다.리시버 일렉트로닉스도 높은 주파수로 작동했기 때문입니다.1980년대에 갈륨 비소화 마이크로 일렉트로닉스의 도입으로 수신 소자의 크기가 크게 줄어들어 부피가 몇 입방 센티미터에 불과한 휴대용 라디오와 비슷한 크기로 효율적인 수신 소자를 만들 수 있게 되었습니다.JFET와 MESFET의 도입은, 시스템의 송신측에서도 같은 처리를 실시했습니다.저전력 고체 파형 발생기가 앰프를 공급하여 증폭기-송신기를 발생시켜 펄스가 송신될 때마다 작동 주파수가 변경될 정도로 훨씬 넓은 주파수 범위에서 전송할 수 있도록 했습니다.전체 어셈블리(송신기, 수신기 및 안테나)를 우유 한 상자 크기의 단일 "송신기 모듈"(TRM)로 축소하고 이러한 요소를 배열하면 AESA가 생성됩니다.

PESA에 비해 AESA의 주된 장점은 다양한 모듈에서 다른 주파수로 동작할 수 있다는 것입니다.소수의 송신기에 의해 단일 주파수로 신호가 생성되는 PESA와는 달리 AESA에서는 각 모듈이 독자적인 독립된 신호를 생성하고 방사합니다.이것에 의해, AESA는 주파수가 다르기 때문에 인식할 수 있는 다수의 「서브 빔」을 동시에 생성해, 보다 많은 수의 타겟을 액티브하게 추적할 수 있습니다.또한 AESA는 다수의 TRM에서 합성된 신호의 후처리를 사용하여 하나의 강력한 빔이 전송되는 것처럼 디스플레이를 재작성하여 여러 개의 다른 주파수로 구성된 빔을 동시에 생성할 수 있습니다.단, 이는 각 주파수에 존재하는 노이즈가 수신되어 추가됨을 의미합니다.

이점

AESA는 PESA의 기능에 많은 기능을 추가합니다.그 중에서도 여러 개의 빔을 동시에 형성할 수 있고, 레이더 검출과 같이 다양한 역할을 위해 TRM 그룹을 동시에 사용할 수 있으며, 더 중요한 것은 여러 개의 동시 빔과 스캔 주파수로 인해 기존의 상관형 레이더 검출기가 어려움을 겪고 있다는 점이다.

절취 확률이 낮다

참고 항목: 낮은 요격 레이더 확률

레이더 시스템은 신호를 보낸 다음 멀리 있는 물체에 울리는 소리를 들음으로써 작동합니다.타깃으로 송수신되는 이들 경로 각각은 전송된 신호와 반사된 신호 양쪽에서 전파의 역제곱 법칙을 따릅니다.그것은 레이더가 수신한 에너지가 거리의 4제곱으로 떨어진다는 것을 의미하며, 이것이 레이더 시스템이 장거리에서도 종종 메가 와트 범위의 높은 출력을 필요로 하는 이유이다.

송신되는 레이더 신호는 단순한 무선 신호이며, 단순한 무선 수신기로 수신할 수 있습니다.군용기와 함정에는 적의 레이더 빔이 들어오면 이를 감지해 적의 위치를 알려주는 레이더 경고 수신기(RWR)가 있다.펄스를 내보낸 다음 반사를 수신해야 하는 레이더 장치와 달리, 목표물의 수신기는 반사가 필요하지 않으므로 신호는 거리의 제곱만큼만 떨어집니다.이는 수신기가 범위 측면에서 레이더보다 항상 유리(안테나 크기 차이 무시)하다는 것을 의미합니다. 수신기는 레이더가 목표물의 에코를 감지하기 훨씬 전에 항상 신호를 감지할 수 있습니다.레이더의 위치는 해당 플랫폼에 대한 공격에 매우 유용한 정보이므로, 이는 일반적으로 레이더가 공격을 받을 경우 장시간 동안 꺼야 함을 의미합니다. 예를 들어 선박에서 흔히 볼 수 있습니다.

어느 방향으로 신호를 보내고 있는지 알고 있는 레이더와는 달리 수신기는 단순히 에너지의 펄스를 얻어 그것을 해석해야 한다.무선 스펙트럼은 노이즈로 가득 차 있기 때문에, 수신기의 신호는 단시간에 걸쳐 통합되기 때문에, 레이더와 같은 주기적인 소스가 합산하여 랜덤 백그라운드에서 두드러지게 됩니다.대략적인 방향은 회전 안테나 또는 위상 또는 진폭 비교를 사용하여 유사한 패시브 어레이를 사용하여 계산할 수 있습니다.일반적으로 RWR은 검출된 펄스를 단기간 저장하고 브로드캐스트 주파수와 펄스 반복 주파수를 알려진 레이더의 데이터베이스와 비교합니다.출처에 대한 방향은 일반적으로 레이더의 가능한 목적을 나타내는 기호(공중 조기 경보 및 제어, 지대공 미사일 등)와 결합된다.

이 기술은 주파수 가변(솔리드 스테이트) 송신기가 있는 레이더에 대해서는 훨씬 덜 유용합니다.AESA(또는 PESA)는 모든 펄스에 따라 주파수를 변경할 수 있으며(도플러 필터링을 사용하는 경우는 제외), 일반적으로 랜덤시퀀스를 사용하여 변경할 수 있기 때문에 시간이 지남에 따라 신호를 백그라운드노이즈에서 꺼내는 데 도움이 되지 않습니다.또한 레이더는 펄스의 지속시간을 연장하고 피크 출력을 낮추도록 설계될 수 있다.AESA 또는 최신 PESA는 운용 중에 이들 파라미터를 변경할 수 있는 기능을 갖추고 있는 경우가 많습니다.따라서 타겟에 의해 반사되는 총 에너지에는 차이가 없지만 RWR 시스템에 의한 펄스 검출 가능성은 [11]낮아집니다.또한 AESA에는 고정 펄스 반복 주파수가 없으며, 이 주파수는 가변적일 수 있으므로 전체 스펙트럼에 걸쳐 주기적인 밝기가 숨겨집니다.구세대 RWR은 기본적으로 AESA 레이더에 대해 무용지물입니다.이 때문에 AESA는 요격 레이더의 낮은 확률로도 알려져 있습니다.최신 RWR은 매우 민감해야 하며(개별 안테나의 작은 각도와 대역폭, 낮은 전송 손실 및 노이즈),[11] 시간 주파수 처리를 통해 연속적인 펄스를 추가하여 유용한 검출 [12]속도를 달성해야 합니다.

높은 걸림 저항

주요 기사: 레이더 교란과 속임수

AESA에 대항하는 방해물은 마찬가지로 훨씬 더 어렵다.종래, 방해 전파는, 레이더의 동작 주파수를 결정한 후, 레이더에 신호를 송신해, 어느 것이 「실제」펄스인지, 어느 것이 방해 전파의 것인지 수신기를 혼란시키는 것으로 동작했습니다.이 기술은 레이더 시스템이 작동 주파수를 쉽게 변경할 수 없는 한 작동합니다.송신기가 클라이스트론 튜브에 기반했을 때 이는 일반적으로 사실이었고, 레이더, 특히 공중파에는 선택할 수 있는 주파수가 몇 개밖에 없었다.방해 전파는 가능한 주파수를 듣고 방해 전파에 사용할 주파수를 선택할 수 있습니다.

최신 전자 장치를 사용하는 대부분의 레이더는 펄스마다 작동 주파수를 변경할 수 있습니다.이로 인해 방해 전파의 효과가 저하될 수 있습니다.광대역 백색 노이즈를 송신하여 가능한 모든 주파수에 대해 방해 전파 전파를 방해할 수 있지만, 이로 인해 어떤 주파수에서도 방해 전파 에너지의 양이 감소합니다.AESA는 단일 펄스에서도 주파수를 광대역으로 분산하는 추가 기능을 가지고 있으며, 이를 "치프"라고 합니다.이 경우 방해 전파는 짧은 시간 동안만 레이더와 동일한 주파수가 되며 나머지 레이더 펄스는 방해 전파가 없습니다.

AESA는 수신 전용 모드로 전환할 수도 있습니다.이러한 강력한 방해 신호를 사용하여 오래된 플랫폼에서는 별도의 수신기가 필요했던 송신원을 추적합니다.목표물 자체 레이더에서 수신된 신호와 자체 방송의 낮은 데이터 속도를 통합함으로써 AESA와 같은 정밀 RWR을 가진 탐지 시스템은 더 적은 에너지로 더 많은 데이터를 생성할 수 있다.일부 수신빔 형성 지원 시스템은 일반적으로 지상 기반이며 송신기를 완전히 폐기할 수도 있습니다.

단, 단일 수신 안테나를 사용하면 방향만 제시됩니다.범위와 목표 벡터를 얻으려면 위상간섭계를 사용하지 않는 한 삼각측정을 위해 물리적으로 분리된 최소 2개의 패시브 디바이스가 필요하다.목표 움직임 분석은 수신기의 위치와 목표물의 가능한 움직임에 대한 제약에 대한 지식과 함께 시간에 따른 많은 방향 측정을 통합함으로써 이러한 양을 추정할 수 있다.

기타 장점

AESA의 각 요소는 강력한 무선 수신 장치이기 때문에, 액티브 어레이에는 종래의 레이더 이외에 많은 역할이 있습니다.한 가지 용도는 몇 가지 요소를 일반적인 레이더 신호 수신 전용으로 사용하는 것으로 별도의 레이더 경고 수신기가 필요하지 않습니다.동일한 기본 개념을 사용하여 기존의 무선 지원을 제공할 수 있으며 일부 요소도 브로드캐스트를 통해 매우 높은 대역폭의 데이터 링크를 형성할 수 있습니다.F-35는 어떤 레이더보다 높은 분해능과 범위의 합성 사진을 제공하기 위해 이 메커니즘을 사용하여 항공기 간에 센서 데이터를 전송합니다.2007년 Northrop Grumman, Lockheed Martin 및 L-3 Communications의 테스트에 의해 랩터의 AESA 시스템은 WiFi 액세스 포인트와 같이 동작하여 초당 548 메가비트로 데이터를 전송하고 기가비트 속도로 수신할 수 있었습니다.이는 미국과 연합 항공기가 사용하는 Link 16 시스템보다 훨씬 빠른 속도입니다.[13]이러한 높은 데이터 레이트를 실현하기 위해서는 AESA가 제공하는 고방향 안테나가 필요합니다.단, 대부분의 Wi-Fi 설계와 마찬가지로 Link-16은 전방위적으로 신호를 전송하여 범위 내의 모든 장치가 데이터를 수신할 수 있도록 합니다.

또한 AESA는 PESA 또는 이전 설계보다 훨씬 더 신뢰성이 높습니다.각 모듈은 다른 모듈과는 독립적으로 동작하기 때문에 단일 장애는 시스템 전체의 동작에 거의 영향을 주지 않습니다.또한 모듈은 저전력(약 40~60와트)으로 개별적으로 동작하기 때문에 대용량 고전압 전원이 필요하지 않습니다.

기계적으로 스캔된 어레이를 고정 AESA 마운트(예: 보잉 F/A-18E/F Super Hornet)로 교체하면 항공기의 전체 레이더 단면(RCS)을 줄일 수 있지만, 일부 설계(예: 유로파이터 타이푼)는 기계적 스캔과 전자 스캔을 결합하고 총 각도(cov)를 제공하기 위해 이러한 장점을 포기합니다.Erage.[14]이것은 고등off-nose pointing은 AESA가 전투기, 종종'공대공 전투의 맥락에서, 반면 AESA를 향해 40도 swivels는 지면 반향으로 수직 비행의 낮은 문을 닫속도들은 걸러 낼 수 있는 기계적으로 스캔한 레이더에 'beaming으로 언급된 크로싱 T기동을 고용할 수 있습니다. targAESA의 60도 오프 앵글 [15]한계 이내를 유지하기 위해.

제한 사항

요소 간의 파장 거리가 절반인 경우 최대 빔 각도는 약± 45소자 거리가 짧을 경우 플랫 페이즈드 어레이 안테나의 최고 시야(FOV)는 현재 120 [16]이지만,[17][18] 위와 같이 기계적 스티어링과 결합할 수 있습니다.

기존 시스템 목록

항공 시스템

F3R 표준 이후 Rafale에 탑재된 Thalés RBE2-AA의 클로즈업. (배후의 OSF는 레이더의 일부가 아닙니다.)
우탐 AESA 레이더를 장착한 HAL 테하스 전투기는

지표면 시스템(육지, 해양)

미쓰비시전기가 1988년 진수시킨 일본제 OPS-24는 미쓰비시급 구축함인 하마기리호(DD-155)에 탑재됐다.

콜카타급 구축함에 탑재된 EL/M-2248 MF-STAR
AN/TPQ-53 위상 배열 레이더
3DELR 장거리 레이더 시스템
SAMPSON AESA 45형 구축함에 탑승

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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참고 문헌

외부 링크

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