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Réseau actif à balayage électronique

L' avion de combat Eurofighter Typhoon avec son carénage avant retiré, révélant son antenne radar Euroradar CAPTOR AESA Une antenne à balayage électronique active ( AESA ) est u...

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L' avion de combat Eurofighter Typhoon avec son carénage avant retiré, révélant son antenne radar Euroradar CAPTOR AESA

Une antenne à balayage électronique active ( AESA ) est un type d' antenne à réseau phasé , qui est un réseau d'antennes contrôlé par ordinateur dans lequel le faisceau d'ondes radio peut être dirigé électroniquement pour pointer dans différentes directions sans déplacer l'antenne. Dans l'AESA, chaque élément d'antenne est connecté à un petit module d'émission/réception à semi-conducteurs (TRM) sous le contrôle d'un ordinateur, qui remplit les fonctions d' émetteur et/ou de récepteur pour l'antenne. Cela contraste avec un réseau à balayage électronique passif (PESA), dans lequel tous les éléments d'antenne sont connectés à un seul émetteur et/ou récepteur via des déphaseurs sous le contrôle de l'ordinateur. L'utilisation principale de l'AESA est dans le radar , et ceux-ci sont connus sous le nom de radar à réseau phasé actif (APAR).

L'AESA est une technologie de réseau à commande de phase PESA de deuxième génération, plus avancée et plus sophistiquée. Les PESA ne peuvent émettre qu'un seul faisceau d'ondes radio à une seule fréquence à la fois. Le PESA doit utiliser une matrice de Butler si plusieurs faisceaux sont nécessaires. L'AESA peut émettre plusieurs faisceaux d'ondes radio à plusieurs fréquences simultanément. Les radars AESA peuvent diffuser leurs émissions de signaux sur une gamme de fréquences plus large, ce qui les rend plus difficiles à détecter sur le bruit de fond , permettant aux navires et aux avions d'émettre des signaux radar puissants tout en restant furtifs, tout en étant plus résistants au brouillage. Des hybrides d'AESA et de PESA peuvent également être trouvés, constitués de sous-réseaux qui ressemblent individuellement aux PESA, où chaque sous-réseau a son propre frontal RF . En utilisant une approche hybride, les avantages de l'AESA (par exemple, plusieurs faisceaux indépendants) peuvent être réalisés à un coût inférieur par rapport à l'AESA pur.

Histoire

Croquis conceptuel du ZMAR, 1962
Vue aérienne des trois dômes du prototype de radar à réseau multifonction, entourés d'une clôture anti-encombrement , à White Sands Missile Range, NM
Croquis du radar anti-missile balistique FLAT TWIN

En 1960, Bell Labs proposa de remplacer les radars Nike Zeus par un système à réseau à commande de phase, et le feu vert fut donné au développement en juin 1961. Le résultat fut le radar à réseau multifonction Zeus (ZMAR), un des premiers exemples d'un système radar à réseau à commande électronique active. Le ZMAR devint MAR lorsque le programme Zeus prit fin en faveur du système Nike-X en 1963. Le MAR (Multi-function Array Radar) était constitué d'un grand nombre de petites antennes, chacune connectée à un émetteur ou un récepteur distinct contrôlé par ordinateur. En utilisant une variété d' étapes de formation de faisceau et de traitement de signal , un seul MAR était capable d'effectuer une détection à longue distance, la génération de trajectoires, la discrimination des ogives des leurres et le suivi des missiles intercepteurs sortants.

Le MAR permettait de contrôler l'ensemble de la bataille sur un vaste espace à partir d'un seul site. Chaque MAR et son centre de combat associé traitaient les pistes de centaines de cibles. Le système sélectionnait ensuite la batterie la plus appropriée pour chacune d'elles et leur confiait des cibles particulières à attaquer. Une batterie était normalement associée au MAR, tandis que les autres étaient réparties autour d'elle. Les batteries distantes étaient équipées d'un radar beaucoup plus simple dont le but principal était de suivre les missiles Sprint sortants avant qu'ils ne deviennent visibles pour le MAR potentiellement éloigné. Ces radars de site de missiles (MSR) plus petits étaient balayés passivement, ne formant qu'un seul faisceau au lieu des multiples faisceaux du MAR.

Bien que le MAR ait finalement été un succès, le coût du système était énorme. Lorsque le problème ABM est devenu si complexe que même un système comme MAR ne pouvait plus gérer des scénarios d'attaque réalistes, le concept Nike-X a été abandonné en faveur de concepts beaucoup plus simples comme le programme Sentinel , qui n'utilisait pas MAR. Un deuxième exemple, MAR-II, a été abandonné sur place sur l'atoll de Kwajalein .

Le premier radar APAR soviétique, le 5N65 , a été développé en 1963-1965 dans le cadre du système ABM S-225. Après quelques modifications du concept du système en 1967, il a été construit au polygone d'essai de Sary Shagan en 1970-1971 et surnommé Flat Twin en Occident. Quatre ans plus tard, un autre radar de cette conception a été construit sur le polygone d'essai de Kura , tandis que le système S-225 n'a jamais été mis en service.

Les fabricants américains de radars AESA utilisés dans le F-22 et le Super Hornet incluent Northrop Grumman et Raytheon. Ces entreprises conçoivent, développent et fabriquent également les modules de transmission/réception qui constituent les « éléments de base » d'un radar AESA. La technologie électronique requise a été développée en interne via des programmes de recherche du ministère de la Défense tels que le programme MMIC . En 2016, le Congrès a financé un concours de l'industrie militaire pour produire de nouveaux radars pour deux douzaines d'avions de chasse de la Garde nationale.

Concept de base

Schéma de base AESA

Les systèmes radar fonctionnent généralement en connectant une antenne à un puissant émetteur radio pour émettre une courte impulsion de signal. L'émetteur est ensuite déconnecté et l'antenne est connectée à un récepteur sensible qui amplifie les échos des objets ciblés. En mesurant le temps nécessaire au retour du signal, le récepteur radar peut déterminer la distance par rapport à l'objet. Le récepteur envoie ensuite le résultat obtenu à un écran quelconque . Les éléments émetteurs étaient généralement des tubes klystron ou des magnétrons , qui sont adaptés pour amplifier ou générer une gamme étroite de fréquences à des niveaux de puissance élevés. Pour balayer une partie du ciel, l'antenne radar doit être physiquement déplacée pour pointer dans différentes directions.

À partir des années 1960, de nouveaux dispositifs à semi-conducteurs capables de retarder le signal de l'émetteur de manière contrôlée ont été introduits. Cela a conduit au premier radar passif à balayage électronique à grande échelle (PESA), ou simplement radar à réseau phasé. Les PESA captaient un signal d'une source unique, le divisaient en centaines de trajets, en retardaient sélectivement certains et les envoyaient à des antennes individuelles. Les signaux radio des différentes antennes se chevauchaient dans l'espace et les schémas d'interférence entre les signaux individuels étaient contrôlés pour renforcer le signal dans certaines directions et le couper dans toutes les autres. Les retards pouvaient être facilement contrôlés électroniquement, ce qui permettait d'orienter le faisceau très rapidement sans déplacer l'antenne. Un PESA peut balayer un volume d'espace beaucoup plus rapidement qu'un système mécanique traditionnel. De plus, grâce aux progrès de l'électronique, les PESA ont ajouté la capacité de produire plusieurs faisceaux actifs, ce qui leur permet de continuer à balayer le ciel tout en focalisant en même temps des faisceaux plus petits sur certaines cibles pour suivre ou guider des missiles à tête chercheuse radar semi-active . Les PESA se sont rapidement répandus sur les navires et les grands emplacements fixes dans les années 1960, suivis par les capteurs aéroportés à mesure que l'électronique diminuait.

Les AESA sont le résultat de développements ultérieurs dans l'électronique à semi-conducteurs. Dans les systèmes précédents, le signal transmis était à l'origine créé dans un klystron ou un tube à ondes progressives ou un dispositif similaire, qui sont relativement grands. L'électronique du récepteur était également de grande taille en raison des hautes fréquences avec lesquelles il fonctionnait. L'introduction de la microélectronique à l'arséniure de gallium dans les années 1980 a permis de réduire considérablement la taille des éléments du récepteur jusqu'à ce que des éléments efficaces puissent être construits dans des tailles similaires à celles des radios portables, soit seulement quelques centimètres cubes de volume. L'introduction des JFET et des MESFET a également eu le même effet sur le côté émetteur des systèmes. Elle a donné naissance à des amplificateurs-émetteurs avec un générateur de forme d'onde à semi-conducteurs de faible puissance alimentant un amplificateur, permettant à tout radar ainsi équipé d'émettre sur une gamme de fréquences beaucoup plus large, au point de changer de fréquence de fonctionnement à chaque impulsion envoyée. En réduisant l'ensemble (l'émetteur, le récepteur et l'antenne) en un seul « module émetteur-récepteur » (TRM) de la taille d'un carton de lait et en disposant ces éléments, on obtient un AESA.

Le principal avantage d'un AESA par rapport à un PESA est la capacité des différents modules à fonctionner sur des fréquences différentes. Contrairement au PESA, où le signal est généré à des fréquences uniques par un petit nombre d'émetteurs, dans l'AESA, chaque module génère et émet son propre signal indépendant. Cela permet à l'AESA de produire de nombreux « sous-faisceaux » simultanés qu'il peut reconnaître en raison de fréquences différentes, et de suivre activement un nombre beaucoup plus important de cibles. Les AESA peuvent également produire des faisceaux composés de plusieurs fréquences différentes à la fois, en utilisant le post-traitement du signal combiné provenant d'un certain nombre de TRM pour recréer un affichage comme s'il y avait un seul faisceau puissant envoyé. Cependant, cela signifie que le bruit présent dans chaque fréquence est également reçu et ajouté.

Avantages

Les AESA ajoutent de nombreuses fonctionnalités propres à celles des PESA. Parmi celles-ci, on peut citer : la capacité de former plusieurs faisceaux simultanément, d'utiliser des groupes de TRM pour différentes fonctions simultanément, comme la détection radar, et, plus important encore, leurs multiples faisceaux simultanés et leurs fréquences de balayage créent des difficultés pour les détecteurs radar traditionnels de type corrélation.

Faible probabilité d'interception

Les systèmes radar fonctionnent en envoyant un signal puis en écoutant son écho sur des objets distants. Chacun de ces trajets, vers et depuis la cible, est soumis à la loi du carré inverse de la propagation, à la fois dans le signal transmis et dans le signal réfléchi. Cela signifie que l'énergie reçue par un radar diminue avec la quatrième puissance de la distance, ce qui explique pourquoi les systèmes radar nécessitent des puissances élevées, souvent de l'ordre du mégawatt, pour être efficaces à longue portée.

Le signal radar émis est un simple signal radio et peut être reçu avec un simple récepteur radio . Les avions et les navires militaires sont équipés de récepteurs défensifs, appelés « récepteurs d'alerte radar » (RWR), qui détectent lorsqu'un faisceau radar ennemi est sur eux, révélant ainsi la position de l'ennemi. Contrairement à l'unité radar, qui doit envoyer l'impulsion puis recevoir sa réflexion, le récepteur de la cible n'a pas besoin de réflexion et donc le signal ne diminue que comme le carré de la distance. Cela signifie que le récepteur a toujours un avantage [en négligeant la disparité de taille d'antenne] sur le radar en termes de portée - il sera toujours capable de détecter le signal bien avant que le radar ne puisse voir l'écho de la cible. Étant donné que la position du radar est une information extrêmement utile lors d'une attaque sur cette plate-forme, cela signifie que les radars doivent généralement être éteints pendant de longues périodes s'ils sont soumis à une attaque ; c'est courant sur les navires, par exemple.

Contrairement au radar, qui sait dans quelle direction il envoie son signal, le récepteur reçoit simplement une impulsion d'énergie et doit l'interpréter. Comme le spectre radio est rempli de bruit, le signal du récepteur est intégré sur une courte période de temps, ce qui fait que les sources périodiques comme un radar s'additionnent et se distinguent du fond aléatoire. La direction approximative peut être calculée à l'aide d'une antenne rotative ou d'un réseau passif similaire utilisant une comparaison de phase ou d'amplitude . En général, les RWR stockent les impulsions détectées pendant une courte période de temps et comparent leur fréquence de diffusion et leur fréquence de répétition d'impulsion à une base de données de radars connus. La direction de la source est normalement associée à une symbologie indiquant l'objectif probable du radar : alerte et contrôle aéroportés , missile sol-air , etc.

Cette technique est beaucoup moins utile contre un radar avec un émetteur agile en fréquence (à semi-conducteurs). Étant donné que l'AESA (ou le PESA) peut changer de fréquence à chaque impulsion (sauf en cas d'utilisation d'un filtrage Doppler), et le fait généralement en utilisant une séquence aléatoire, l'intégration au fil du temps n'aide pas à extraire le signal du bruit de fond. De plus, un radar peut être conçu pour prolonger la durée de l'impulsion et réduire sa puissance de crête. Un AESA ou un PESA moderne aura souvent la capacité de modifier ces paramètres pendant le fonctionnement. Cela ne fait aucune différence sur l'énergie totale réfléchie par la cible, mais rend la détection de l'impulsion par un système RWR moins probable. L'AESA n'a pas non plus de fréquence de répétition d'impulsion fixe, qui peut également être modifiée et ainsi masquer tout éclaircissement périodique sur l'ensemble du spectre. Les RWR de l'ancienne génération sont essentiellement inutiles contre les radars AESA, c'est pourquoi les AESA sont également connus sous le nom de radars à faible probabilité d'interception . Les RWR modernes doivent être hautement sensibles (petits angles et bandes passantes pour les antennes individuelles, faibles pertes de transmission et bruit) et ajouter des impulsions successives via un traitement temps-fréquence pour obtenir des taux de détection utiles.

Haute résistance au brouillage

Le brouillage est également beaucoup plus difficile contre un AESA. Traditionnellement, les brouilleurs fonctionnaient en déterminant la fréquence de fonctionnement du radar, puis en diffusant un signal sur celui-ci pour tromper le récepteur quant à la « véritable » impulsion et à celle du brouilleur. Cette technique fonctionne tant que le système radar ne peut pas facilement changer sa fréquence de fonctionnement. Lorsque les émetteurs étaient basés sur des tubes klystron, c'était généralement le cas, et les radars, en particulier ceux aéroportés, n'avaient que quelques fréquences parmi lesquelles choisir. Un brouilleur pouvait écouter ces fréquences possibles et sélectionner celle à utiliser pour le brouillage.

La plupart des radars utilisant l'électronique moderne sont capables de changer leur fréquence de fonctionnement à chaque impulsion. Cela peut rendre le brouillage moins efficace ; bien qu'il soit possible d'envoyer un bruit blanc à large bande pour effectuer un brouillage de barrage contre toutes les fréquences possibles, cela réduit la quantité d'énergie du brouilleur dans une fréquence donnée. Un AESA a la capacité supplémentaire d'étaler ses fréquences sur une large bande même en une seule impulsion, une technique connue sous le nom de « chirp ». Dans ce cas, le brouillage sera à la même fréquence que le radar pendant une courte période seulement, tandis que le reste de l'impulsion radar sera débrouillé.

Les AESA peuvent également être commutés en mode réception uniquement et utiliser ces puissants signaux de brouillage pour suivre leur source, ce qui nécessitait un récepteur séparé sur les anciennes plateformes. En intégrant les signaux reçus du radar de la cible ainsi qu'un débit de données inférieur provenant de ses propres émissions, un système de détection doté d'un RWR précis comme un AESA peut générer plus de données avec moins d'énergie. Certains systèmes capables de recevoir des faisceaux de formation, généralement basés au sol, peuvent même se passer entièrement d'un émetteur.

Cependant, l'utilisation d'une seule antenne de réception ne donne qu'une direction. L'obtention d'une portée et d'un vecteur cible nécessite au moins deux dispositifs passifs physiquement séparés pour la triangulation afin de fournir des déterminations instantanées, à moins que l'interférométrie de phase ne soit utilisée. L'analyse du mouvement de la cible peut estimer ces quantités en intégrant de nombreuses mesures directionnelles au fil du temps, ainsi que la connaissance de la position du récepteur et des contraintes sur le mouvement possible de la cible.

Autres avantages

Étant donné que chaque élément d'un AESA est un puissant récepteur radio, les réseaux actifs ont de nombreux rôles en plus du radar traditionnel. L'une des utilisations consiste à dédier plusieurs éléments à la réception de signaux radar courants, éliminant ainsi le besoin d'un récepteur d'alerte radar séparé. Le même concept de base peut être utilisé pour fournir un support radio traditionnel et, avec certains éléments également en diffusion, former une liaison de données à très haut débit . Le F-35 utilise ce mécanisme pour envoyer des données de capteur entre les avions afin de fournir une image synthétique d'une résolution et d'une portée supérieures à celles que n'importe quel radar pourrait générer. En 2007, des tests effectués par Northrop Grumman , Lockheed Martin et L-3 Communications ont permis au système AESA d'un Raptor d'agir comme un point d'accès WiFi , capable de transmettre des données à 548 mégabits par seconde et de recevoir à une vitesse de gigabit ; c'est bien plus rapide que le système Link 16 utilisé par les avions américains et alliés, qui transfère les données à un peu plus de 1 Mbit/s. Pour atteindre ces débits de données élevés, il faut une antenne hautement directionnelle fournie par AESA, mais qui empêche la réception par d'autres unités non situées dans la largeur de faisceau de l'antenne, alors que comme la plupart des conceptions Wi-Fi, Link-16 transmet son signal de manière omnidirectionnelle pour garantir que toutes les unités à portée puissent recevoir les données.

Les AESA sont également beaucoup plus fiables que les PESA ou les modèles plus anciens. Étant donné que chaque module fonctionne indépendamment des autres, les pannes individuelles ont peu d'effet sur le fonctionnement du système dans son ensemble. De plus, les modules fonctionnent individuellement à faible puissance, peut-être 40 à 60 watts, ce qui élimine le besoin d'une alimentation haute tension importante.

Le remplacement d'un réseau à balayage mécanique par un support AESA fixe (comme sur le Boeing F/A-18E/F Super Hornet ) peut aider à réduire la section transversale radar globale (RCS) d'un avion , mais certaines conceptions (comme l' Eurofighter Typhoon et le Gripen NG ) renoncent à cet avantage afin de combiner le balayage mécanique avec le balayage électronique et de fournir un angle de couverture totale plus large. Ce pointage élevé du nez permet au chasseur équipé d'AESA d'employer une manœuvre de croisement du T , souvent appelée « faisceau » dans le contexte du combat air-air, contre un radar à balayage mécanique qui filtrerait la faible vitesse de rapprochement du vol perpendiculaire comme un fouillis au sol tandis que l'AESA pivote de 40 degrés vers la cible afin de la maintenir dans la limite de l'angle de 60 degrés de l'AESA.

Limites

Avec une distance d'une demi-longueur d'onde entre les éléments, l'angle de faisceau maximal est d'environ °. Avec une distance d'élément plus courte, le champ de vision (FOV) le plus élevé pour une antenne à réseau phasé plate est actuellement de 120° ( °), bien que cela puisse être combiné avec une direction mécanique comme indiqué ci-dessus.

Liste des systèmes existants

Radar AESA AN/APG-77 du F-22 Raptor
Gros plan du Thales RBE2-AA monté sur Rafale depuis la norme F3R. (L' OSF derrière lui ne fait pas partie du radar.)
L' avion de combat HAL Tejas équipé du radar Uttam AESA
Ensemble radar Hanwha Systems APY-016K AESA de l'avion de combat multirôle KF-21 Boramae
Radar AESA LIG Nex1 ESR-500A

Systèmes aéroportés

Systèmes de surface (terrestres, maritimes)

Le premier radar AESA utilisé sur un navire de guerre opérationnel était le radar japonais OPS-24 fabriqué par Mitsubishi Electric introduit sur le JDS Hamagiri (DD-155), le premier navire du dernier lot du destroyer de classe Asagiri , lancé en 1988.

EL/M-2248 MF-STAR à bord d'un destroyer de classe Kolkata
Radar à réseau phasé AN/TPQ-53
Système radar longue portée 3DELRR
SAMPSON AESA à bord du destroyer Type 45

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