Разработки Пентагона в области средств РЭБ

Разработки Пентагона в области средств РЭБ

Выпуск 1(6675) от 10 января 2019 г.
РУБРИКА: ВОЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Впервые за последнее десятилетие оборонный бюджет США на следующий финансовый год был принят до окончания текущего финансового года. Оборонный бюджет 2019 г., похоже, имеет плюсы практически для всех заинтересованных сторон, включая первое за девять лет повышение денежного довольствия личному составу вооруженных сил. В любом случае 2019 г. должен стать хорошим для производителей РЧ- и СВЧ-систем, поскольку реализуемая МО США «Третья компенсационная стратегия» (Third Offset Strategy) предусматривает увеличение использования их продукции.

Американские военные длительное время лидировали в области радиочастотных и СВЧ-технологий. В частности, они были первыми разработчиками активных антенных решеток с электронным сканированием (AESA). Однако в последнее время разработчики КНР и России демонстрируют значительные успехи в данной области, причем AESA-системы отличаются повышенной скрытностью и трудно фиксируются приемниками систем сигнализации о радиолокационном облучении (RWR). Это, в свою очередь, вызывает серьезную обеспокоенность представителей ВВС США.

AESA-радары компактнее и легче приборов, используемых в настоящее время на истребителях-бомбардировщиках F‑16. Разработки радаров с активной фазированной решеткой в странах, обладающих развитой военной авиацией, ведутся почти 20 лет.

AESA-радары (рис. 1) способны обеспечивать почти мгновенный «обзор» на 360° и достаточно универсальны для любой роли – ​от управления огнем до нанесения на карту радаров с синтезированной апертурой (SAR), поиска целей на морской поверхности, индикации и отслеживания целей как на земле, так и в воздухе. Они также могут произвольно менять частоту с каждым импульсом, быстро изменять выходную мощность, частоту повторения импульсов и форму волны, за счет чего их сложнее обнаружить средствами RWR.



Источник: ВВС США

Рисунок 1. Общий вид AESA-радара, расположенного в носовой части самолета


По оценкам военных специалистов, AESA-радары не только меньше и легче радаров на основе GaAs, используемых сейчас в истребителях-бомбардировщиках F‑16, но и способны быстро расширить свой диапазон благодаря использованию GaN монолитных СВЧ ИС (MMIC), которые могут заменить GaAs ИС в модулях приемопередатчиков большинства радаров следующего поколения и во многих системах радиоэлектронной борьбы (РЭБ), поскольку такие системы также могут использовать архитектуру AESA. Справедливости ради надо отметить, что без появления GaAs MMIC военные по-прежнему могли бы использовать усилители с лампами бегущей волны (ЛБВ) из-за отсутствия альтернативы в виде широкополосных твердотельных приборов. GaAs-технология на данный момент является зрелой и экономически эффективной, она используется в десятках применений, однако развитие AESA на основе GaN может изменить ситуацию.


ТРИУМФ ЛБВ

Неминуемая гибель технологии ЛБВ предсказывалась уже не раз – ​с момента появления первых GaAs MMIC, приведших в дальнейшем к созданию AESA-радаров. Считалось, что GaN станет последним гвоздем в гроб ЛБВ, однако предсказания не сбылись и вряд ли сбудутся в течение еще достаточно длительного времени. На самом деле электронно-вакуумные приборы, появившиеся во время Второй мировой войны, сделали возможным создание спутникового телевидения, радио и телевещания, а в настоящее время переживают возрождение интереса к ним за счет диапазона миллиметровых волн. Немалую роль в этом сыграло Министерство обороны США.

Отмечается, что никакой твердотельный прибор не может производить в миллиметровом диапазоне столько энергии, сколько производит ЛБВ. Однако небольшой размер твердотельных приборов позволяет создавать фазированные антенные решетки с сотнями элементов, что обеспечивает приемлемую мощность эквивалентного изотропного излучения (EIRP). Так, 64-элементная матрица с мощностью 10 Вт и частотой 60 ГГц вполне подходит для использования в коммерческих средствах связи, но для использования в средствах РЭБ этого явно недостаточно. А на частотах выше 100 ГГц значение EIRP может оказаться даже меньше, причем одной из серьезных проблем будет рассеяние тепла.

ЛБВ способны выдавать высокочастотную мощность в несколько сотен ватт на частотах до 100 ГГц и десятки ватт на частотах до 200 ГГц, что делает их привлекательными для систем РЭБ. Силовые модули диапазона СВЧ (MPM) достаточно миниатюрны, благодаря чему более выгодны, чем приборы с меньшими рабочими частотами, для применения в бортовых самолетных РЛС и средствах формирования изображения. При подаче высокого усиления на антенну зеркального типа значение EIRP может превышать киловатт.

Мощность, доступная благодаря новым ЛБВ, делает их использование более привлекательным, особенно для применений дистанционного зондирования на более высоких частотах. Например, MPM, разработанный корпорацией L‑3 Communications Electron Devices, обладает мгновенной шириной полосы более 3 ГГц в диапазоне от 231,5 до 235 ГГц (G-диапазон) и может производить пиковую РЧ выходную мощность порядка 32 Вт (мощность возбуждения 10 мВт) при эффективности около 9% (рис. 2).



Источник: L‑3 Communications Electron Devices

Рисунок 2. Структура 100-Вт ЛБВ с холодным катодом фирмы L‑3 Communications Electron Devices


ПОЯВЛЕНИЕ ХОЛОДНОГО КАТОДА

Наиболее примечательным достижением в технологии ЛБВ в последнее время стало решение ранее непреодолимой проблемы производства прибора с холодным катодом. Разработки продолжаются с 1966 г., когда специалисты SRI International опубликовали основополагающую работу в данной области. Преимущества подобных приборов значительны – ​лампы с холодным катодом работают при температуре окружающей среды, т. е. нет необходимости подогрева катода. Подогрев катода – ​традиционный фактор ограничения службы ЛБВ, без него срок службы теоретически мог бы быть бесконечным. Плотность тока также в этом случае может быть гораздо выше, потому что излучение больше не будет ограничиваться рабочей температурой, что облегчит фокусировку электронных лучей.

Самой большой проблемой всегда была надежность. Катод состоит из десятков тысяч конусов микронного размера, осажденных на круглую кремниевую подложку площадью около 1 мм2. Высокие поля в пределах структуры и электрод тонкопленочного затвора делают возможным возникновение короткого замыкания между затвором и одним из конусов, в результате чего сгорает вся матрица эмиттеров и прибор катастрофически выходит из строя. В традиционной термоэмиссионной ЛБВ деградация происходит постепенно, позволяя предсказать конец срока службы лампы по количеству оставшегося бария.

Специалисты корпорации L‑3 Communications Electron Devices разработали способ уменьшения повреждений, вызываемых коротким замыканием. Им удалось прервать канал пробоя между основанием конусов и затвором, добавив между ними слой диэлектрика. Есть мнение, что при нынешних темпах разработки ЛБВ с холодным катодом может стать коммерческим продуктом в течение примерно пяти лет.

Между тем преимущества GaN-технологии не позволяют сочетать ее с GaAs, кремнием или любой другой современной полупроводниковой технологией, способной вырабатывать высокочастотную мощность. GaN-приборы могут работать при напряжении в пять раз большем, чем GaAs-схемы, и вырабатывать в 10 раз большую плотность мощности на единицу площади кристалла. Технологические свойства тока у GaN вдвое выше, как и эффективность добавленной мощности – ​примерно 10 ГГц и выше по сравнению с 1 ГГц у кремния. И хотя как GaAs, так и GaN могут покрывать широкие полосы частот, мгновенная ширина полос усилителя на основе GaN вчетверо превышает аналогичный показатель у GaAs при той же самой выходной мощности.

По сравнению со структурой металл-оксид-кремний, полученной методом горизонтальной диффузии (LDMOS), GaN обладает преимуществом по плотности мощности и потенциально может работать в области дальнего миллиметрового диапазона. Иными словами, GaN будет использоваться в большинстве радиолокационных систем и систем РЭБ следующих поколений. Правда, маршрутная карта развития GaN-технологии рассчитана на значительное время – ​придется подождать, пока данная технология достигнет зрелости. Таким образом, LDMOS еще долго будет использоваться в некоторых типах радаров и средствах связи – ​по крайней мере для узкополосных применений, работающих на частоте менее 4 ГГц. С точки зрения износоустойчивости, стоимости и возможности лучше работать в условиях рассогласованности нагрузки LDMOS легко побеждает современные GaN ИС на SiC.

Дискретные транзисторы LDMOS могут достигать значительных уровней высокочастотной мощности – ​в настоящее время до 1,8 кВт при напряжении смещения 65 В по постоянному току. Однако, поскольку LDMOS является более узкополосной технологией, для покрытия широкого частотного диапазона требуется намного больше усилителей. LDMOS по-прежнему используется в радарах L-диапазона (1–2 ГГц), радиолокационных системах опознания самолетов и кораблей типа «свой–чужой» и системах авионики, где конкуренция с GaN-приборами очень высока. Пока GaN-приборы дороже, но ситуация может измениться по мере увеличения объемов их производства.

Производители дискретных GaN РЧ мощных транзисторов также активно используют возможности L-диапазона в приборах различного уровня мощности. Так, например, корпорация Qorvo представила транзистор типа «GaN-на-SiC» QPD1025, наиболее мощный коммерчески доступный прибор данного типа – ​его мощность составляет 1800 Вт, а рабочий диапазон частот – ​1,0–1,1 ГГц. Прибор узкополосный, так как основные применения L-диапазона покрывают только частоты от 1030 до 1090 МГц. QPD1025 работает при напряжении постоянного тока (Vdc) 65 В и нацелен на конкуренцию с 65-Vdc LDMOS-приборами с эффективностью добавленной мощности до 77% и усилением до 22,5 дБ.

Корпорация MACOM – ​исключение в рядах сторонников GaN-технологии: она формирует эти ИС не на SiC-пластинах, а на кремниевых подложках. Такие приборы обеспечивают 1 кВт импульсной мощности в L-диапазоне. Хотя корпорация в целом рассматривает GaN-технологию как «второй эшелон», она тем не менее полагает, что сможет сделать технологию «GaN-на-кремнии» серьезным конкурентом для всех передовых (т. е. военных) применений. Основное преимущество кремния – ​его дешевизна и проверенная технологичность в поточно-массовом производстве, так как он совместим со стандартными КМОП производственными процессами. Их использование позволяет расширять возможности приборов «GaN-на-кремнии» и еще сильнее снижать цену.

В настоящее время GaN-приборы имеют удельную плотность мощности около 11 Вт/мм2, но благодаря использованию нескольких специальных процессов можно достичь еще бЧльших уровней. Так, японская фирма Fujitsu недавно сообщила о достижении удельной плотности мощности в 19,9 Вт/мм2. Правда, Управление перспективных исследовательских проектов (DARPA) МО США несколько лет назад уже достигало подобных результатов при создании GaN ИС на алмазной пленке. Возможность маленьких полупроводниковых приборов производить такую большую мощность – ​примечательный факт. Отраслевые специалисты полагают, что в ближайшие годы показатели удельной плотности мощности возрастут. Это особенно привлекательно для разработчиков AESA-радаров, где способность производить больше мощности на каждом элементе антенны крайне желательна.

В результате достижений в области удельной плотности мощности GaN-приборов возможности этой технологии вплотную приблизятся к теоретическому максимуму. Насмешка прогресса заключается в том, что высокая плотность мощности приводит и к значительному тепловыделению. Поэтому перспективные работы направлены на создание оптимальных методик теплоотвода, без которых реализация потенциала GaN-технологий окажется под вопросом.

Процесс тепловыделения начинается на уровне кристалла. Наиболее часто в качестве подложки используется карбид кремния – ​материал, удельная теплопроводность которого в шесть раз превышает показатель GaAs и в три раза – ​показатель кремния. С кремниевыми и GaAs-приборами можно использовать и другие сочетания материалов, такие как медь-вольфрам, медь-молибден и медь-молибден-медь. Однако в настоящее время состязаться по удельной теплопроводности с SiC может только медь (а в будущем – ​алмазные пленки).

При отведении тепла с кристалла также используются радиаторы и теплоотводы с естественным или жидкостным охлаждением. Материал, способный обеспечить реализацию потенциала GaN-технологии, – ​алмаз (алмазная пленка), чья удельная теплопроводность в четыре раза превышает аналогичный показатель SiC или меди. В действительности удельная теплопроводность алмаза выше, чем у любого другого материала на Земле.

В некоторых современных приборах алмаз используется в качестве подложки, а алюмо-алмазные композиты с металлической матрицей – ​в качестве теплоотводов. В отношении РЧ-применений химическое осаждение алмаза из паровой фазы – ​почти эксклюзивная область деятельности компании Element Six (дочерняя фирма одной из крупнейших алмазодобывающих и алмазообрабатывающих корпораций – ​De Beers), теплопроводность материалов которой достигла рекордного показателя в 2200 Вт/мК. Недавно Element Six продала процесс для приборов «GaN-на-алмазе» корпорации RFHIC, которая планирует коммерциализировать его. Корпорация Nano Materials International (NMIC), производящая алюмо-алмазные композиты с металлической матрицей для использования их в качестве теплоотводов, достигла удельной теплопроводности около 500 Вт/мК, и данный композит становится все более популярным по мере того, как GaN-технология движется к более высоким значениям плотности мощности. Корпорация Akash Systems использует приборы типа «GaN-на-алмазе» исключительно в космических и спутниковых применениях.

МО США также хочет получить GaN-приборы, работающие с напряжением более 50 Vdc, что позволит увеличить их эффективность. Оборонное ведомство уже получило несколько 65-Vdc приборов, включая приборы корпорации Integra Technologies, один из которых работает в диапазоне между 420 и 450 МГц со 150 Vdc, выходной мощностью более 1 кВт, шириной импульса 100 мкс (100×10–6 с), 10%-ным рабочим циклом и эффективностью стока более 70%. Приборы с 65 Vdc предлагают также фирмы Qorvo и Sumitomo, предполагается, что их круг вскоре расширится.


СРЕДСТВА РЭБ

После окончания холодной войны МО США проявляло на удивление мало интереса к наращиванию потенциала средств РЭБ – ​особенно в сухопутных войсках, где и так небольшие финансовые вливания расходовались в основном на приборы глушения самодельных взрывных устройств (СВУ). За недавно возникший почти лихорадочный интерес к средствам РЭБ на Западе надо «благодарить» в основном Россию, которая продемонстрировала в Украине и Сирии, как далеко она продвинулась как в области средств РЭБ, так и по потенциалу средств ограничения и воспрещения доступа и маневра (anti-access/area denial, A2/AD) в целом. Кроме того, КНР наращивает свои A2/AD-возможности в Южно-Китайском море. В результате сейчас средствам РЭБ уделяется максимум внимания. МО США работает над «повторным изобретением» средств активного радиоэлектронного подавления (средства электронной атаки), электронного противодействия (борьба с электронными атаками) и радиотехнического обеспечения в рамках всех своих служб, особо выделяя сухопутные войска.

Обеспечение эффективными средствами РЭБ никогда не было легкой задачей. Сейчас делать это труднее, чем когда-либо – ​требуется модульный, масштабируемый, адаптивный и более избирательный и точный подход в широком диапазоне частот. Особенно перспективна область высокомиллиметровых длин волн с большей устойчивостью к помехам, неважно, от кого они исходят – ​от своих или от чужих. Системы РЭБ должны быть способны охватывать большие объемы данных, обрабатывать их и реагировать почти в реальном масштабе времени. При этом данные должны черпаться из гораздо большего числа источников, поскольку спектр плотно заполнен легальными излучателями. Ввиду того, что электромагнитная обстановка в различных странах различается, решения по типу «все в одном» не существует.

Для достижения всех поставленных МО США целей понадобится использовать жестко управляемый подход (рис. 3), делающий системы РЭБ более интегрированной частью воздушного пространства над районом боевых действий. Один из способов добиться этого – ​позволить системе AESA работать как с радаром, так и со средствами РЭБ, что требует несуществующего в настоящее время уровня интеграции. Дело осложняется тем, что ширина полосы частот систем РЭБ должна в 12–16 раз превышать ширину полосы частот радарных систем. Это, в свою очередь, представляет комплексную проблему для разработчиков антенн и делает эти два применения на самых низких частотах принципиально несовместимыми. Однако МО США рассматривает именно данный подход, поскольку он позволит значительно снизить требования к оборудованию.



Источник: DARPA

Рисунок 3. DARPA, другие структуры МО США и военные подрядчики работают над вопросом интеграции различных элементов РЭБ, в которых основными составляющими станут машинное обучение и искусственный интеллект


Еще одна тенденция в области РЭБ – ​когнитивно-машинное обучение и искусственный интеллект, которые позволили бы РЧ-системам изменять свои характеристики почти в реальном масштабе времени – ​с тем, чтобы адаптироваться к условиям, в которых системы испытываются. В настоящее время системы РЭБ используют справочные таблицы – ​это позволяет разобраться с собранными данными и применять подход на базе правки для определения того, что с этими данными делать. Однако цифровая обработка сигналов и радиолокационные системы используются все шире, в силу чего средствам РЭБ следующего поколения понадобится обновление существующих баз данных об угрозах в реальном масштабе времени информацией, которая будет собираться этими средствами. Это не только устранит необходимость в большей ситуационной осведомленности, но и позволит системам РЭБ мгновенно адаптироваться к новым сигнатурам угроз.

Одна из последних работ, в рамках которой предпринимается попытка выполнить вышеперечисленные задачи, – ​программа «Меры реагирования на активное радиоэлектронное подавление» (Reactive Electronic Attack Measures, REAM), в рамках которой корпорация Northrop Grumman получила контракт на 7,2 млн долл. Эти средства предназначены на разработку машинных алгоритмов, которые в конце концов будут использоваться в системах РЭБ самолетов EA‑18G Growler. Этот же тип самолета станет первым получателем станций активного радиоэлектронного подавления следующего поколения, в которых применяются GaN (рис. 4). Программа REAM разработана в целях создания методов обнаружения и классификации радиоэлектронных угроз, использующих гибкую форму волны и автоматическое реагирование на активное радиоэлектронное подавление.



Источник: ВМС США

Рисунок 4. Самолет ЕА‑18G Growler ВМС США со станцией активного радиоэлектронного подавления на GaN-приборах и с электронно-управляемой архитектурой


КВАНТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В долгосрочной перспективе наибольшую угрозу системам РЭБ представляют квантовые технологии и их применение в радиолокационных системах. Эта технология обладает столькими преимуществами, что первая развернувшая ее страна получит огромное (хотя, вероятно, временное) превосходство, сделав системы РЭБ и стелс-технологии потенциальных противников просто бесполезными. Похоже, что КНР пытается стать таким первопроходцем – ​уже объявлено о создании первой «однофотонной квантовой радиолокационной системы». Некоторые специалисты скептически отнеслись к этим сообщениям. Достижение было приписано разработке детекторов одиночных фотонов, которые очень эффективно захватывают возвращающиеся фотоны.

Китайские специалисты утверждают, что протестировали свою систему в условиях открытого воздуха и она показала способность обнаруживать стелс-самолеты на расстоянии в 114,8 км с точностью, достаточной для наведения ракет. Китайские СМИ заявили, что их система в пять раз превосходит опытный лабораторный образец, созданный год назад совместными усилиями ученых Великобритании, Германии, Канады и США. Со своей стороны, DARPA также финансирует исследования в области разработки квантовых радиолокационных систем, осуществляемые корпорацией Lockheed Martin, Университетом Уотерлу и рядом других фирм.

Квантовый радар получил свое название от теории квантовой запутанности (рис. 5). Суть ее в том, что две частицы могут быть связаны между собой (иными словами, «запутаны»), что дает возможность исследовать одну из них для того, чтобы узнать о состоянии другой, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. При расщеплении фотона на два запутанных фотона используется так называемый метод параметрического преобразования с понижением частоты. В квантовой РЛС можно создавать множественные фотоны в виде запутанных пар.



Источник: China Electronics Technology Group

Рисунок 5. Принципиальная схема фотонной РЛС, испытанной в КНР


Первая пара может быть послана на СВЧ-частотах, как в обычных РЛС, а второй набор сохраняется в передающей системе. Изучая второй набор фотонов, можно многое узнать о первом – ​например, вошла ли пара во взаимодействие с обнаруженным объектом и если да, то на каком расстоянии находится объект, каковы его размеры, как быстро и в каком направлении он движется. Кроме того, поскольку квантовый радар использует субатомные частицы, а не электромагнитную энергию, для него не являются препятствием материалы, используемые для создания скрытности путем уменьшения эффективной площади отражения цели. В таком же ключе он может игнорировать активную постановку помех и имитационные действия, включая дипольные противорадиолокационные отражатели.

Хотя стелс-самолеты можно идентифицировать при помощи систем, работающих на частотах УКВ и УВЧ, подобная идентификация осуществляется только на коротких расстояниях, причем эти системы испытывают трудности с определением направления. Следовательно, квантовые радары имеют огромные потенциальные преимущества в обнаружении самолетов-невидимок и могут эффективно сделать нынешние методы обнаружения бесполезными.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полное обсуждение всех технологий, оборонных программ и платформ СВЧ-сообщества может занять целую книгу, так как существует много унаследованных, текущих и разрабатываемых программ. Например, высокочастотная область спектра, обычно вызывающая мало интереса, сейчас становится центром внимания радиоразведки как идеальный вариант для того, чтобы государственные и негосударственные субъекты могли пересылать сообщения на большие расстояния, с малыми затратами и низкой вероятностью перехвата. Также существует дистанционное зондирование, радиолокационные системы опознания самолетов и кораблей типа «свой–чужой», авионика, управление воздушным движением, попытки создать работоспособные решения для средств связи на поле боя, самонаводящиеся противоракеты, противоракетная оборона, беспилотные летательные системы с полезными нагрузками и все, что охватывается тайными программами Пентагона. Все это создает широкое поле деятельности для СВЧ-промышленности – ​насколько это вообще возможно.

 

Defense Opportunities and Challenges in 2019. Microwave Journal, November 13, 2018: http://www.microwavejournal.com/articles/31320-defense-opportunities-and-challenges-in


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 10(6734) от 20 мая 2021 г. г.