Συστήματα Φασικών Στοιχειοκεραιών (Phased Arrays) – Mέρος Β΄

Υποναυάρχου (ε.α.) Γεωργίου Σάγου ΠΝ

Από το βιβλίο «Συστήματα Ραντάρ και Ηλεκτρονικού Πολέμου»

Εκδόσεις Παπασωτηρίου, 2018

ISBN: 9789604911196

1. Μετάβαση από τον αναλογικό στον ψηφιακό σχηματισμό λοβών

Ο ψηφιακός σχηματισμός λοβών DBF (digital beamforming) αποτελεί μια επαναστατική τεχνική επαύξησης των δυνατοτήτων των φασικών στοιχειοκεραιών, τόσο των παθητικής σάρωσης (PESA), αλλά ιδιαίτερα των ενεργής σάρωσης (AESA). Αφορά κυρίως στο τμήμα της λήψης, όπου υπάρχουν και τα περισσότερα πλεονεκτήματα, μπορεί όμως να εφαρμοσθεί και στο τμήμα της εκπομπής.[1]

Μερικά από τα επιτυγχανόμενα οφέλη του ψηφιακού σχηματισμού λοβών είναι η δυνατότητα ταυτόχρονης δημιουργίας πολλαπλών λοβών (για την ταχύτερη κάλυψη της έρευνας και την εκτέλεση άλλων λειτουργιών), το μεγαλύτερο δυναμικό εύρος λειτουργίας[2] (λόγω των κατανεμημένων μετατροπέων ADC σε κάθε T/R module), η αυτόματη διακρίβωση της κεραίας για την επίτευξη αποτελεσματικότερης καταπίεσης των πλευρικών λοβών, η βελτίωση του κέρδους της συστοιχίας, κτλ. Επίσης, η τεχνική καθιστά υλοποιήσιμα τα πρωτοποριακά γνωστικά ραντάρ (cognitive radars).

Τυπικά, κατά τον ψηφιακό σχηματισμό λοβών, το λαμβανόμενο σήμα από κάθε στοιχείο λήψης ενισχύεται, υπόκειται σε υποβιβασμό συχνότητας (down-conversion) και ψηφιοποιείται. Στη συνέχεια, τα ψηφιακά σήματα επεξεργάζονται από έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή (digital beamformer), για τον ταυτόχρονο σχηματισμό πολλών λοβών (μέσω κατάλληλης ζύγισης και άθροισης). Στην περίπτωση αυτή, το πλάτος και η φάση των συντελεστών ζύγισης μπορεί να ελέγχονται με υψηλότερη ακρίβεια, συγκριτικά με τις υλοποιήσεις των αναλογικών beamformers.

Για μεγαλύτερη ευελιξία στην εξαγωγή των διαφορών φάσης μεταξύ των σημάτων των καναλιών λήψης, πολλές φορές εφαρμόζεται μορφοποίηση λοβών στο πεδίο της συχνότητας (frequency domain beamforming). Τυπικά, το λαμβανόμενο σήμα διαχωρίζεται σε μικρότερες φασματικές υπομπάντες (frequency bins), είτε μέσω κάποιας τράπεζας φίλτρων είτε συνηθέστερα μέσω της εφαρμογής του μετασχηματισμού FFT (Fast Fourier Transform). Ακολούθως, σε κάθε φασματική υπομπάντα εφαρμόζεται μορφοποίηση λοβών στο πεδίο του χρόνου, μέσω της τεχνικής μεταβαλλόμενης χρονικής καθυστέρησης και άθροισης (time delay & sum),[3] με αποτέλεσμα ένας κύριος λοβός να μπορεί να διακρίνει ταυτόχρονα διαφορετικές συχνότητες προς διαφορετικές κατευθύνσεις στο χώρο.

Ο ψηφιακός σχηματισμός λοβών έχει επίσης το πλεονέκτημα, ότι τα ψηφιακά σήματα μπορούν να επεξεργάζονται παράλληλα, παράγοντας διαφορετικά σήματα εξόδου. Τα λαμβανόμενα σήματα από κάθε κατεύθυνση μπορούν να ολοκληρώνονται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (αυξάνοντας την ενέργεια αυτών) για την ανίχνευση μακρινών αντικειμένων, ενώ ταυτόχρονα μπορούν να ολοκληρώνονται για μικρότερο χρονικό διάστημα για την ανίχνευση κοντινών αντικειμένων που κινούνται γρήγορα.

Σχήμα 1: Συγκριτικό διάγραμμα κύριων λοβών, ενός στοιχείου ακτινοβολίας (radiation element), μιας υπομάδας στοιχείων (subarray) και δύο ταυτόχρονα ψηφιακά σχηματισμένων λοβών. Με την τρέχουσα τεχνολογία, είναι δυνατός ο πλήρως ψηφιακός σχηματισμός πολλών λοβών ταυτόχρονα, στις μπάντες L και S. Σε υψηλότερες μπάντες απαιτείται η συνδυασμένη εφαρμογή ψηφιακού και αναλογικού beamforming, μέσω υπομάδων στοιχείων, λόγω των διαφόρων τεχνολογικών και οικονομικών περιορισμών.

Ορισμένα επιπρόσθετα οφέλη που επιτυγχάνονται από τον ακριβέστερο έλεγχο πλάτους και φάσης, μέσω του ψηφιακού σχηματισμού λοβών είναι η ταχεία προσαρμοζόμενη παραγωγή μηδενισμών (adaptive nulling) του διαγράμματος λήψης προς συγκεκριμένες επιθυμητές κατευθύνσεις (πχ για την αποφυγή παρεμβολών), η υψηλή ανάλυση και κατευθυντικότητα της στοιχειοκεραίας, η διόρθωση του διαγράμματος ακτινοβολίας από την πιθανή δυσλειτουργία ορισμένων στοιχείων, η ευέλικτη διαχείριση της εκπεμπόμενης ισχύος του ραντάρ, η προσαρμοζόμενη επεξεργασία χώρου-χρόνου (STAP), κτλ.

Η προσαρμοζόμενη επεξεργασία χώρου-χρόνου STAP (Space-Time Adaptive Processing) αποτελεί τεχνική επεξεργασίας σήματος που συναντάται συχνά σε εναέρια συστήματα επιτήρησης ραντάρ και είναι χρήσιμη για την καταπίεση του clutter εδάφους που απλώνεται σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων Doppler.

Σχήμα 2: Τυπική διάταξη αναλογικού σχηματισμού λοβών (analog beamforming) των σημάτων RF, σε παθητικές στοιχειοκεραίες. Η βασική αρχιτεκτονική των παθητικών στοιχειοκεραιών περιλαμβάνει υψηλής ισχύος ολισθητές φάσης και υπομάδες στοιχείων (subarrays). Η διάταξη συνδέεται συνήθως με κάποιο κεντρικό ενισχυτή πομπού υψηλής ισχύος (HPA) ή ακόμη και με επιμέρους T/R modules. Κατά τη λήψη, ο κεντρικός beamformer προηγείται της ενίσχυσης LNA, γεγονός που σημαίνει ότι υπάρχουν σημαντικές απώλειες σήματος μεταξύ στοιχειοκεραίας και πομπού / δέκτη (T/R losses). Οι χρησιμοποιούμενοι φασικοί ολισθητές μπορεί να είναι διαφόρων τεχνολογιών, όπως πχ γραμμές πραγματικής χρονικής καθυστέρησης, φερριτικά εξαρτήματα, δίοδοι PIN / varactors, ηλεκτρομαγνητικοί φακοί, κτλ.

Η τεχνική STAP περιλαμβάνει προσαρμοζόμενους αλγόριθμους επεξεργασίας στοιχειοκεραιών, που βοηθούν στην ανίχνευση των στόχων και επωφελείται σε περιπτώσεις ισχυρών παρεμβολών, όπως πχ από παρασιτικές επιστροφές εδάφους (clutter), ηλεκτρονικές παρεμβολές (jamming), κτλ. Ειδικότερα, καταπιέζει τις ηλεκτρονικές παρεμβολές (jamming), που εισέρχονται από τους πλευρικούς λοβούς της συστοιχίας, πχ στα -45 dBi από τα -30 dBi (πρακτικά, 52 έως 69 dB κάτω από τον κύριο λόβό). Μέσω προσεκτικής εφαρμογής της συγκεκριμένης επεξεργασίας, είναι δυνατό να επιτευχθεί εξαιρετικά σημαντική βελτίωση της ευαισθησίας στην ανίχνευση των στόχων ενδιαφέροντος.

Η επεξεργασία STAP αποτελεί δισδιάστατη τεχνική φιλτραρίσματος FIR στα πεδία της συχνότητας και της γωνιακής κατεύθυνσης (Doppler-Bearing), η οποία εφαρμόζεται στις  φασικές στοιχειοκεραίες πολλαπλών χωρικών καναλιών (κατευθύνσεων στο χώρο). Η ονομασία της τεχνικής προέρχεται από τη σύζευξη των πολλαπλών χωρικών καναλιών (κατευθύνσεων) με κυματομορφές παλμικού Doppler. Χρησιμοποιώντας τα στατιστικά στοιχεία των παρεμβολών περιβάλλοντος σχηματίζεται ένα προσαρμοζόμενο διάνυσμα βαρών βέλτιστης ζύγισης STAP. Το εν λόγω διάνυσμα εφαρμόζεται στα συνεκτικά δείγματα που λαμβάνονται από τη στοιχειοκεραία ραντάρ, καταπιέζοντας με τον τρόπο αυτό τις παρεμβολές και διατηρώντας το σήμα ενδιαφέροντος.

Σχήμα 3(α): Η αρχιτεκτονική ψηφιακού σχηματισμού λοβών DBF (Digital Beamforming) στο τμήμα λήψης μιας στοιχειοκεραίας. Η χρήση ψηφιακών ολισθητών φάσης μπορεί να είναι υψηλότερου κόστους, μεγαλύτερης όμως ευελιξίας και ευκολότερης διακρίβωσης λειτουργίας. Κατά την εκπομπή χρησιμοποιούνται DACs. Κατά τη λήψη χρησιμοποιούνται ADCs, ακολουθούμενοι από κατάλληλη επεξεργασία DSP, συνήθως FFT. Η χρονική ολίσθηση (jitter) και το βάθος καταπίεσης των παρεμβολών των χρησιμοποιούμενων DAC/ADC περιορίζει την ακρίβεια της γωνιακής ανάλυσης. Η αρχιτεκτονική DBF επιτρέπει τον ταυτόχρονο σχηματισμό πολλαπλών λοβών προς διαφορετικές κατευθύνσεις, είτε κατά τη λήψη είτε κατά την εκπομπή. Με την τεχνική FFT, το εισερχόμενο σήμα από τα στοιχεία λήψης διαχωρίζεται σε διαφορετικές χωρικές συνιστώσες (γωνίες άφιξης). Παρομοίως, κατά την εκπομπή προς συγκεκριμένη γωνιακή κατεύθυνση μπορεί να εφαρμόζεται η αντίστροφη τεχνική (IFFT).
Σχήμα 3(β): Διάφορες διατάξεις της αρχικής επεξεργασίας του λαμβανόμενου σήματος (LNA – Down Converter – ADC), οι οποίες προηγούνται του ψηφιακού σχηματισμού λοβών (digital beamforming) της στοιχειοκεραίας.

Κάποιες γενικευμένες μορφές ψηφιακών στοιχειοκεραιών απεικονίζονται στο Σχήμα 3. Πρακτικά, η απευθείας ψηφιοποίηση του σήματος κάθε στοιχείου μπορεί να μην είναι πάντοτε εφικτή, λόγω οικονομικών και τεχνικών περιορισμών του hardware. Για το λόγο αυτό, συνήθως προηγείται ετεροδύνωση του σήματος κάθε στοιχείου (τυπικά δύο σταδίων), προκειμένου να υποβιβασθεί η συχνότητα (down-conversion) σε κάποια ενδιάμεση τιμή IF (πχ 60 MHz), κατάλληλη για τη λειτουργία των μετατροπέων A/D (σχήμα 4). Στη συνέχεια, διεξάγεται κβαντοποίηση δύο ανεξαρτήτων σημάτων I (in-phase) και Q (quadrature) που δημιουργούνται μέσω φίλτρου Hilbert για την καταπολέμηση των τυφλών ταχυτήτων (blind speeds), καθώς επίσης και αποδεκατισμός (decimation) των δειγμάτων, ώστε να επιτυγχάνεται χαμηλότερος ρυθμός δειγματοληψίας. Μια άλλη τεχνική χρησιμοποιεί πρώτα κάποιον ισοσταθμιστή που διορθώνει τη διασπορά μεταξύ των διαφόρων καναλιών λήψης, ενώ στη συνέχεια ακολουθεί η δημιουργία των ανεξαρτήτων σημάτων I (in-phase) και Q (quadrature). Η συγκεκριμένη τεχνική ανίχνευσης (I/Q phase detector) χρησιμοποιεί υψηλότερο ρυθμό δειγματοληψίας, αλλά ταιριάζει ακριβέστερα τα κανάλια μεταξύ τους. Στη συνέχεια, τα σήματα I/Q υπόκεινται διαδοχικά σε επεξεργασία συμπίεσης παλμού (pulse compression) για τη βελτίωση της ανάλυσης απόστασης, και επεξεργασία Doppler/FFT για την καταπίεση του clutter.

Σχήμα 4: Λειτουργικό διάγραμμα τμήματος λήψης στοιχειοκεραίας ψηφιακού σχηματισμού λοβών. Η απεικονιζόμενη υλοποίηση αποτελείται από τρία βασικά μέρη: Το πρώτο αποτελεί το αναλογικό τμήμα RF (front end), όπου το σήμα του κάθε στοιχείου ενισχύεται από κάποιο ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA) και στη συνέχεια μιξάρεται προκειμένου να υποβιβασθεί σε κάποια ενδιάμεση τιμή συχνότητας και να ενισχυθεί κατάλληλα από λογαριθμικούς ενισχυτές IF, για τη λειτουργία των μετατροπέων A/D. Το δεύτερο τμήμα αποτελεί το Programmable Logic Device (PLD), όπου το σήμα χωρίζεται σε δύο ψηφιακές συνιστώσες I & Q και μιξάρεται ψηφιακά με το σήμα του digital sequencer (ψηφιακό ισοδύναμο του τοπικού ταλαντωτή). Από τον ψηφιακό μίκτη το σήμα εισέρχεται σε ένα ψηφιακό φίλτρο IIR (ψηφιακό ισοδύναμο δεύτερου σταδίου IF). Το τρίτο τμήμα είναι ο επεξεργαστής DSP.

Μετά από τα ανωτέρω στάδια (front end), τα σήματα εισέρχονται πλέον στα ψηφιακά κυκλώματα σχηματισμού λοβών (digital beamforming). Για το σχηματισμό ενός λοβού και για κάθε συχνότητα σήματος χωριστά, υπάρχει μια διαφορετική ομάδα μιγαδικών συντελεστών ζύγισης (w1, w2, … wN) των λαμβανόμενων σημάτων. Ένας αλγόριθμος ελέγχου (beam controller) ρυθμίζει ποια ομάδα συντελεστών ζύγισης χρησιμοποιείται κάθε φορά. Ο αλγόριθμος αυτός, συνήθως είναι προσαρμοζόμενος (adaptive control algorithm), δηλαδή δέχεται ως είσοδο τις τιμές των λαμβανόμενων σημάτων, προκειμένου να υπολογίζει τις νέες τιμές των συντελεστών ζύγισης (με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται καταπίεση των υφιστάμενων παρεμβολών).

Η υλοποίηση της ψηφιακής επεξεργασίας (DSP) για το σχηματισμό λοβών, μπορεί να διεξάγεται από εξελιγμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα FPGA (Field Programmable Gate Arrays), τα οποία παρέχουν μεγαλύτερη ευελιξία, αφού μπορούν να επαναδιαμορφώνονται (επαναπρογραμματίζονται) σχετικά εύκολα για οποιαδήποτε απαιτούμενη τροποποίηση, χωρίς να απαιτείται αντικατάσταση του hardware.

Το δυναμικό εύρος (dynamic range) ενός ψηφιακού συστήματος εκφράζει το εύρος μεταξύ του μέγιστου δυνατού σήματος και του επιπέδου θορύβου (κβάντισης). Προσδιορίζεται από το πλήθος των bits (Νb) των μετατροπέων (ADC / DAC) και από το πλήθος των παραλλήλων καναλιών Ν (στοιχείων της συστοιχίας). Αποδεικνύεται, ότι για θόρυβο Gaussian κατανομής, το δυναμικό εύρος ισούται περίπου με 6.02Νb + 10 logN (dB). Το δυναμικό εύρος, μπορεί να περιορισθεί από τη μη γραμμικότητα των μετατροπέων A/D.

Το στιγμιαίο εύρος διέλευσης συχνοτήτων (instantaneous bandwidth) του συστήματος εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη συχνότητα δειγματοληψίας. Πριν από την ψηφιοποίηση των σημάτων ενδιάμεσης συχνότητας IF, θα πρέπει να εκτελείται δειγματοληψία με ρυθμό fs > 2fmax, όπου fmax είναι η μέγιστη συνιστώσα των σημάτων IF και 2fmax είναι ο ρυθμός Nyquist (fs/2 λέγεται συχνότητα Nyquist). Στην πραγματικότητα εκτελείται υπερδειγματοληψία (oversampling) xk, για την αποφυγή χρήσης φίλτρων αναδίπλωσης συχνοτήτων (anti-aliasing) με απότομη κλίση αποκοπής. Στην περίπτωση αυτή, το εύρος διέλευσης συχνοτήτων, θα είναι BW = k fs = k 2fmax.

Η τεχνολογία μετατροπέων αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) και ψηφιακού σε αναλογικό (DAC) είναι διαρκώς εξελισσόμενη. Οι σημερινοί μετατροπείς εφαρμόζουν υψηλότερες αναλύσεις και ταχύτερους ρυθμούς δειγματοληψίας. Η αυξημένη ανάλυση των μετατροπέων ADC/DAC παρέχει στα ραντάρ υψηλότερο δυναμικό εύρος και μεγαλύτερο στιγμιαίο φασματικό εύρος. Το μεγαλύτερο δυναμικό εύρος είναι κρίσιμος παράγοντας για τη μέγιστη εμβέλεια λειτουργίας (ανιχνεύονται στόχοι πολύ μακρύτερα). Το μεγαλύτερο στιγμιαίο φασματικό εύρος παρέχει πολλά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της αυξημένης χωρικής ανάλυσης μέσω συμπίεσης παλμών και της ικανότητας εφαρμογής προηγμένων τεχνικών, όπως το ραντάρ χαμηλής πιθανότητας υποκλοπών (LPI). Μια άλλη δυνατότητα που παρέχεται από το ευρύτερο φασματικό εύρος λειτουργίας είναι ηχρήση του ευρέως φάσματος αισθητήρα, τόσο ως ραντάρ, όσο και ως σύστημα επικοινωνιών, κτλ, ταυτόχρονα, διαχωρίζοντας, πολλαπλούς τύπους κυματομορφών σε πολλαπλές μπάντες συχνοτήτων.

Επιπλέον, πολλές εταιρείες ημιαγωγών παράγουν ADC / DAC που ονομάζονται άμεσοι μετατροπείς δειγματοληψίας ραδιοσυχνοτήτων (direct RF sampling converters), όπως πχ το TI ADC12DJ3200 (12-bits), το οποίο αποκτά δεδομένα με ρυθμούς έως και 6.4 GSamples/sec. Με αυτήν την ανάλυση και σε αυτούς τους ρυθμούς δειγματοληψίας, οι εν λόγω μετατροπείς μπορούν να μετατρέψουν απευθείας σήματα RF στη μπάντα C, χωρίς ανάγκη προηγούμενου υποβιβασμού, εξαλείφοντας το μίκτη και τον τοπικό ταλαντωτή (LO). Καθώς οι μετατροπείς συνεχίζουν να εξελίσσονται, τα μελλοντικά ραντάρ θα επωφεληθούν από την άμεση δειγματοληψία RF και στη μπάντα X.

Για τον ψηφιακό σχηματισμό ενός λοβού από μια στοιχειοκεραία N στοιχείων και εύρους διέλευσης συχνοτήτων BW απαιτείται ένα πολύ βαρύ υπολογιστικό φορτίο, περίπου Ν2 k 2fmax μιγαδικών πολλαπλασιασμών ανά δευτερόλεπτο. Για παράδειγμα, σε μια κεραία 2000 στοιχείων, με εύρος αναλογικού σήματος 1 MHz και υπερδειγματοληψία x2, απαιτούνται 8×109 μιγαδικοί πολλαπλασιασμοί. Η ψηφιακή μορφοποίηση λοβών, μπορεί για μεγαλύτερη ευελιξία να υλοποιηθεί με τη βοήθεια του αλγόριθμου FFT, ο οποίος χρειάζεται μόνον [(Ν/2) log2(Ν)]Ν μιγαδικούς πολλαπλασιασμούς, με τον περιορισμό ότι το Ν επιλέγεται ώστε να αποτελεί δύναμη του 2.

Περιορισμοί των ψηφιακών στοιχειοκεραιών, στην ακρίβεια εκτίμησης της γωνιακής κατεύθυνσης και στo μέγεθος καταπίεσης των παρεμβολών εξαρτώνται από τα σφάλματα των μετατροπέων (ADC / DAC) και στα σφάλματα χρονισμού (jitter).

Για τη μείωση των σφαλμάτων κβάντισης, της επίδρασης του clutter, καθώς και για τη βελτίωση της εντοπιστικής ακρίβειας και ικανότητας, εφαρμόζεται η τεχνική dithering, δηλαδή η εισαγωγή μικρών ψευδοτυχαίων μεταβολών της συχνότητας ή φάσης αλλά και του πλάτους των σημάτων (συντελεστών ζύγισης), από παλμό σε παλμό. Με τον τρόπο αυτό, τυχαιοποιούνται τα bit φάσης. Συνήθως, η μέθοδος υλοποιείται ευκολότερα στα συνεκτικά ραντάρ με ταλαντωτή και όχι με ενισχυτή ισχύος.

Περιορισμοί στην υλοποίηση πλήρως ψηφιακών διατάξεων, όπως είναι το κόστος και η διαθεσιμότητα μετατροπέων (A/D και D/A) με τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά συχνότητας δειγματοληψίας και δυναμικού εύρους λειτουργίας μπορεί να οδηγούν στην υιοθέτηση υβριδικών τεχνικών, που βασίζονται στην ομαδοποίηση των στοιχείων ακτινοβολίας (subarrays).

Στις υβριδικές διατάξεις λήψης εφαρμόζεται χρονική ή φασική ολίσθηση στα επιμέρους σήματα μιας ομάδας στοιχείων ακτινοβολίας (subarray) και στη συνέχεια συνδυάζονται μεταξύ τους σε έναν κύριο λοβό, το σήμα του οποίου (RF, IF ή baseband) μετατρέπεται σε ψηφιακό (ADC), για περαιτέρω επεξεργασία (ψηφιακό beamforming, κτλ).

Στις υβριδικές διατάξεις εκπομπής, το σήμα εξόδου ενός DAC (RF, IF ή baseband) ενισχύεται και τροφοδοτεί τα στοιχεία της διάταξης, μέσω των αντίστοιχων γραμμών καθυστέρησης ή ολισθητών φάσης,

Kατά το παρελθόν οι ψηφιακές τεχνικές συνάντησαν μερική εφαρμογή, όπως στο τμήμα ταυτόχρονου σχηματισμού των κατακόρυφων λοβών ορισμένων ραντάρ εύρεσης ύψους (height finders), π.χ. τα ραντάρ συσσωρευμένης δέσμης (stacked beam) (βλέπε παράγραφο 8.8). Κύριο πλεονέκτημα της ψηφιακής τεχνικής στην τελευταία περίπτωση, είναι ο προσαρμοζόμενος έλεγχος των λοβών κάτω από βεβαρημένο περιβάλλον ηλεκτρονικών παρεμβολών (προστατευτικό μέτρο EPM).

2. Στοιχειοκεραίες ενεργής ηλεκτρονικής σάρωσης (AESA)

Με τη σταδιακή εισαγωγή των ημιαγωγών GaAs από τη δεκαετία του 1980, άρχισε να διαδίδεται η τεχνολογία των ενεργών φασικών στοιχειοκεραιών (active phased arrays) ή ενεργής ηλεκτρονικής σάρωσης AESA (Active Electronically Scanned / Steered Arrays). Έτσι, τις στοιχειοκεραίες PESA με πομπούς λυχνιών διαδέχθηκε η εμφάνιση διατάξεων AESA διακριτών ημιαγωγών στοιχείων (solid state) και στη συνέχεια διατάξεων AESA με μικροκυματικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (MMIC). Τα πρώτα μικρά αερομεταφερόμενα ραντάρ AESA αξιοποιήθηκαν σε μαχητικά αεροσκάφη περί τα τέλη της δεκαετίας του 1990,[5] όταν τελικά η εξέλιξη των ημιαγωγών GaAs επέτρεψε την εγκατάλειψη των λυχνιών οδεύοντος κύματος (TWT), μέσω του περιορισμού των διαστάσεων και του βάρους των συστημάτων AESA, ώστε να μπορούν να εγκατασταθούν στο περιορισμένο εσωτερικό του ρύγχους των μαχητικών αεροσκαφών.

Σήμερα, η τεχνολογία AESA έχει πλέον διεισδύσει σε όλους τους βασικούς τομείς εφαρμογών, όπως τα εναέρια και επίγεια / ναυτικά ραντάρ, συστήματα ελέγχου βολής (X-band), ραντάρ έγκαιρης προειδοποίησης και έρευνας από VHF έως και S-band,[6] καθώς επίσης και τα εξειδικευμένα ραντάρ BMD (S-band και X-band).[7] Τα συστήματα AESA εμφανίζονται τόσο ως τεχνολογικές αναβαθμίσεις σε ήδη καθιερωμένα επιχειρησιακά ραντάρ, αλλά και ως εντελώς νέα σχέδια που εκτοπίζουν παλαιότερους τύπους. Πολλά μοντέρνα ραντάρ AESA μαχητικών αεροσκαφών δεν είναι πολύ βαρύτερα από παλαιότερα συμβατικά συστήματα και μπορούν να λειτουργούν με την υπάρχουσα ισχύ και ψύξη του αεροσκάφους. Ορισμένα, αποτελούν επιλογή αναβάθμισης plug-and-play, αν και γενικά ένα ραντάρ AESA θα απαιτήσει κάποια αύξηση στην ικανότητα ψύξης και παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, όπως επίσης μια ενίσχυση του εμπρόσθιου τμήματος της ατράκτου.

Οι διατάξεις AESA αποτελούν σημαντική εξέλιξη των μοντέρνων ραντάρ, η οποία βασίζεται στην τεχνολογία των ενεργών ηλεκτρονικών στοιχείων εκπομπής / λήψης (T/R modules). Ο κρίσιμος παράγοντας ήταν η ωρίμανση των τεχνικών κατασκευής επίπεδων μονολιθικών GaAs, οι οποίες επέτρεψαν την παραγωγή τρανζίστορ ισχύος και μονολιθικούς μετατοπιστές φάσης. Τα GaAs MESFET χαμηλού συντελεστή θορύβου (NF) για εφαρμογές χαμηλής ισχύος ήταν από νωρίς ευρέως διαθέσιμα, όμως τα συστήματα AESA δεν κατέστησαν εφικτά έως ότου η μικροκυματική τεχνολογία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (MMIC) έγινε αρκετά ώριμη, ώστε να συσκευάσει τον απαραίτητο όγκο ηλεκτρονικών μέσα σε μια μονάδα εκπομπής-λήψης (T/R), μεγέθους συμβατού για κρίσιμες εφαρμογές. Σε αυτό το σημείο, η τεχνολογία έφτασε πρώτα για τα συστήματα L-band και S-band και μετά για τις πιο απαιτητικές εφαρμογές X-band. Οι πρώτες υλοποιήσεις AESA X-band χρησιμοποιούσαν τετραπλά στοιχεία T/R (quad elements). Η συγκεκριμένη προσέγγιση παρουσίαζε επίμονα προβλήματα στην κατασκευαστική επαναληψιμότητα παραγωγής, καθώς ένα ελάττωμα σε οποιοδήποτε κανάλι αχρήστευε ολόκληρο το δομοστοιχείο (module). Τα πιο μοντέρνα συστήματα AESA χρησιμοποιούν μεμονωμένα στοιχεία T/R ενός καναλιού (single channel). Παρ’ όλα αυτά, μια υλοποίηση X-band παρουσιάζει περαιτέρω πολυπλοκότητα στο δίκτυο κατανομής τροφοδοσίας σήματος, λόγω της ανάγκης τμηματοποίησης της συστοιχίας για τη δημιουργία πολλαπλών κέντρων φάσης, που υποστηρίζουν τη μονοπαλμική παρακολούθηση σε δύο επίπεδα (2D) και την τεχνική μετατοπισμένων κέντρων φάσης DPCA (Displaced Phase Center Antenna)[8] στα συστήματα GMTI.

Σχήμα 6: Η ιστορική εξέλιξη τυπικών ναυτικών ραντάρ. Το παθητικής στοιχειοκεραίας AN/SPY-1 αναπτύχθηκε επιχειρησιακά τη δεκαετία του 1970 και εξακολουθεί να βρίσκεται σε υπηρεσία μέχρι σήμερα σε αρκετές παλαιότερες μονάδες επιφανείας του αμερικανικού και άλλων συμμαχικών ναυτικών. Σήμερα, αντικαθίσταται από το πολύ αναβαθμισμένων επιδόσεων ψηφιακό ραντάρ ενεργής στοιχειοκεραίας AN/SPY-6(V). Το παλαιότερο ενεργής στοιχειοκεραίας APAR είναι εγκατεστημένο στις ολλανδικές φρεγάτες LCF, ενώ το νεότερο SM400 SMILE φέρεται από κάποια βοηθητικά πλοία (περιπολικά ανοικτής θαλάσσης Holland και από το πλοίο υποστήριξης αμφιβίων επιχειρήσεων Karel Doorman). Ένα προφανές πλεονέκτημα των μοντέρνων ενεργών συστημάτων AESA ψηφιακού σχηματισμού λοβών, είναι ότι προσφέρουν μεγαλύτερη ισχύ εξόδου, πολλαπλές κατευθυνόμενες δέσμες και μεγαλύτερη ηλεκτρονική προστασία, σε σύγκριση με τα παλαιότερα παθητικά συστήματα PESA.

Κάθε μεμονωμένο κανάλι ή στοιχείο T/R μιας διάταξης AESA ενσωματώνει τις λειτουργίες ενίσχυσης ισχύος με τη φασική ολίσθηση / μετατόπιση του σήματος εκπομπής, μαζί με την προενίσχυση χαμηλού θορύβου (LNA στη διαδρομή λήψης) και τη φασική ολίσθηση / μετατόπιση του σήματος λήψης. Το γεγονός αυτό, μεταξύ των άλλων επιτρέπει και την αποτελεσματικότερη υλοποίηση τεχνικών ψηφιακού σχηματισμού λοβών (digital beamforming).[9] Οι εφαρμοζόμενες διασυνδέσεις είναι χαμηλών απωλειών, ταιριασμένες ως προς τη σύνθετη αντίσταση (εμπέδηση). Επίσης, μέσα σε ένα στοιχείο T/R ενσωματώνονται λειτουργίες ελέγχου απολαβής, απομόνωσης (buffer) RF, καθώς επίσης και όλα τα απαιτούμενα ψηφιακά κυκλώματα για τον έλεγχο λογικής και για τη μεταφορά των παραμέτρων απολαβής και φάσης, στα αντίστοιχα εξαρτήματα αλλαγής απολαβής και φάσης της μονάδας T/R. Κατά την εφαρμογή των φασικών ολισθήσεων εκπομπής και λήψης, δεν απαιτείται μηδενισμός (επαναφορά) φάσης μετά από κάθε εκπομπή, χαρακτηριστικό συμβατό με τα παλμικά ραντάρ Doppler, CW και FMCW. Επίσης, οι μοντέρνες μονάδες T/R των διατάξεων AESA περιλαμβάνουν κυκλώματα για την παρακολούθηση της ορθής λειτουργίας, Built-In-Test (BIT) και διακρίβωσης.[10]

Σε μια ενεργή στοιχειοκεραία, δεν υφίσταται η ανάγκη ύπαρξης κεντρικών ενισχυτών μεγάλης ισχύος εκπομπής (λυχνιών klystron ή TWT), αφού το σήμα RF εκπέμπεται και λαμβάνεται απευθείας από τα ίδια τα στοιχεία που συνθέτουν την κεραία, ελέγχοντας αποτελεσματικότερα τη φάση εκπομπής / λήψης, σύμφωνα με την επιθυμητή κατεύθυνση της δέσμης. Έτσι, ελαχιστοποιούνται οι σημαντικές μικροκυματικές απώλειες και οι ανεπιθύμητες ολισθήσεις συχνότητας, οι οποίες μειώνουν το κέρδος και την ακρίβεια σχηματισμού των λοβών (ενοχλητικά χαρακτηριστικά των παθητικών συστημάτων PESA). Ταυτόχρονα, βελτιώνεται η ευαισθησία λήψης (χαμηλότερος συντελεστής θορύβου NF). Επίσης, παρέχεται η δυνατότητα πλήρους ευελιξίας ελέγχου της κυματομορφής, ανάλογα με τις απαιτήσεις της τακτικής κατάστασης (διαφορετικές τιμές PRF, κ.τ.λ.). Τυπικά, μια ενεργή στοιχειοκεραία μερικών χιλιάδων δομοστοιχείων (modules)[11] και ισχύος εκπομπής μόλις 10 W ανά στοιχείο μπορεί να ισοδυναμεί σε αποτελεσματικότητα, με ένα σύστημα παθητικής στοιχειοκεραίας λυχνιών TWT ισχύος κορυφής της τάξης του MW. Πέραν των ανωτέρω, ελαχιστοποιούνται και οι ανάγκες συντήρησης, αφού το μόνο που απαιτείται κάθε φορά είναι η απλή αντικατάσταση των προβληματικών modules (“graceful degradation” και υψηλότερη αξιοπιστία από τα ραντάρ TWT).

Παραδοσιακά, τα χρησιμοποιούμενα στοιχεία T/R είναι μικροκυματικά FET ισχύος αρσενιούχου γαλλίου ή αρσενιδίου του γαλλίου (GaAs),[12] υπό τη μορφή μικρού μεγέθους μονολιθικών μικροκυματικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits). Η ιδέα των μονάδων T/R χρονολογείται τουλάχιστον από τη δεκαετία του 1970, αλλά έπρεπε να εξελιχθεί μέχρι την εμφάνιση των GaAs MMIC, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν σε πρακτικές υλοποιήσεις στις αρχές της δεκαετίας του 1980.[13] Η τεχνολογία GaAs MMIC ήταν αυτή που τελικά επέτρεψε την υλοποίηση διατάξεων AESA στην S-band και άνω, όπως επίσης ο λόγος για τον οποίο οι πρώτες AESA εναέριες εφαρμογές λειτουργούσαν στην L-band, καθώς αυτές παρουσίαζαν μικρότερη εξάρτηση από τις επιδόσεις (gain bandwidth) των παλαιότερων transistor (απόκρισης έως 2 GHz).

Σε χαμηλότερες συχνότητες RF (<10 GHz), όπου το μεγαλύτερο μήκος κύματος αυξάνει το μέγεθος και τις αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων της κεραίας, η δρομολόγηση σημάτων RF, ενδιάμεσης συχνότητας (IF) και βασικής ζώνης αντιμετωπίζεται με διακριτά στοιχεία και MMIC τεχνολογίας COTS, πάνω σε τυπωμένες ηλεκτρονικές πλακέτες κυκλωμάτων (PCB). Ο αντίκτυπος των μακρύτερων διαδρομών σήματος αντισταθμίζεται από τις χαμηλότερες απώλειες των πλακετών σε αυτές τις συχνότητες και η σύνδεση με την κεραία μπορεί να θεωρηθεί ανεξάρτητη από τις μονάδες IC, λόγω των σχετικά ευέλικτων απαιτήσεων συσκευασίας. Ωστόσο, στις χιλιοστομετρικές  συχνότητες (> 30 GHz), οι μικρές αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων (~λ/2 < 5mm), οι απώλειες συσκευασίας και οι κατασκευαστικές προκλήσεις με ελεγχόμενες από την εμπέδηση διασυνδέσεις συσκευασίας πολλαπλών επιπέδων καθιστούν πιο ελκυστικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC) υψηλής λειτουργικότητας και εξελιγμένα / εξειδικευμένα συστήματα ενσωμάτωσης.

Οι μέτριες θερμικές επιδόσεις των υποστρωμάτων GaAs, παρά την εξαιρετική κινητικότητα των φορέων αγωγιμότητας του υλικού, απετέλεσαν ένα επίμονο πρόβλημα, το οποίο οδήγησε στην επιτακτική ανάγκη χρήσης άλλων ημιαγωγών υλικών, όπως πχ SiGe ή GaN. Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του GaN, που σημαίνει ευκολότερη μετάδοση της θερμότητας στο εσωτερικό του υλικού, συμβάλει θετικά στις εφαρμογές υψηλής τάσης, διατηρώντας τη λειτουργία του ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι τεχνικές συσκευασίας έχουν επίσης εξελιχθεί δραματικά από τότε που κατασκευάστηκαν οι πρώτες X-band διατάξεις AESA. Η θεωρία σχεδίασης συστοιχιών υπαγορεύει απόσταση μισού μήκους κύματος ή μικρότερη, μεταξύ των στοιχείων, η οποία παρουσιάζει αυξανόμενες προκλήσεις πυκνότητας με αυξανόμενη τη συχνότητα. Μια τυπική τιμή αναφοράς για την πυκνότητα ισχύος υπερβαίνει τα 4 W/cm2 στην εμπρόσθια όψη της συστοιχίας.

Με την επιλογή της τεχνολογίας GaN ικανοποιούνται οι προδιαγραφές για την εφαρμογή υψηλής τάσης (υψηλό ενεργειακό διάκενο / τάση κατωφλίου), χωρίς το κύκλωμα να επηρεάζεται σημαντικά από την παργόμενη θερμότητα. Το υψηλό ενεργειακό διάκενο του GaN οδηγεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας, όμως λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας μειώνονται οι απαιτήσεις και το κόστος ψύξης. Επομένως, εξοικονομείται χώρος και βάρος από τη μείωση των εξαρτημάτων ψύξης (ψήκτρες). Επίσης η υψηλή θερμική αγωγιμότητα και η υψηλή πυκνότητα φορτίου βοηθά στην υψηλή πυκνότητα ρεύματος και ισχύος, με αποτέλεσμα τη μείωση του μεγέθους και του βάρους του ενισχυτή RF (T/R module), ενώ η υψηλή απόδοση και η υψηλή τάση λειτουργίας του GaN μειώνει την κατανάλωση ισχύος. Επιπρόσθετα, η υψηλή σύνθετη αντίσταση των ενισχυτών GaN απλουστεύει την κυκλωματική διάταξη (σε μία ή το πολύ δύο βαθμίδες), με λιγότερα εξαρτήματα προσαρμογής, γεγονός που συμβάλει και αυτό στη μείωση του κόστους, του μεγέθους και του βάρους των T/R modules, καθώς και στην εξαιρετική απόδοση όσον αφορά το κέρδος (υψηλότερη ισχύς εξόδου) και την ευρύτερη φασματική μπάντα RF και επακόλουθη δυνατότητα υποστήριξης πολλαπλών λειτουργιών / πρωτοκόλλων.

Σχήμα 7: Ισχύς εξόδου RF (Watts) ως προς τη συχνότητα (GHz), διαφόρων τεχνολογιών ημιαγωγών.

Ακόμη, η υψηλή ταχύτητα κορεσμού και η μέση τιμή κινητικότητας των ηλεκτρονίων αποτελούν πλεονέκτημα σε εφαρμογές υψηλών συχνοτήτων, όπως και η χαμηλή παρασιτική χωρητικότητα. H υψηλή ταχύτητα κορεσμού του GaN έχει ως αποτέλεσμα, όταν αυξάνεται η θερμοκρασία, οι φορείς αγωγιμότητας να ταλαντώνονται ταχύτερα, ώστε το ενισχυτικό στοιχείο να λειτουργεί σε υψηλότερες συχνότητες.

Γενικά, τα MMIC επιτελούν λειτουργίες όπως μίξη, ενίσχυση ισχύος, ενίσχυση ασθενών σημάτων χαμηλού θορύβου LNA (υψηλού κέρδους και χαμηλού θορύβου), κτλ, στην περιοχή συχνοτήτων από 300 MHz έως και 300 GHz, με τυπική εμπέδηση εισόδου-εξόδου τα 50 Ohm. Παράδειγμα αποτελούν οι μικρού φυσικού μεγέθους ενισχυτές MESFET (αρχικά) και αργότερα HBT και pHEMT, σε συχνότητες έως και 30 GHz (η συχνότητα αποκοπής ή μοναδιαίου κέρδους για ενισχυτές GaAs φθάνει έως και fτ ≈ 150 GHz). Κάθε στοιχείο της κεραίας είναι δυνατόν να οδηγείται/τροφοδοτείται από ένα MMIC. Όλα τα MMIC ελέγχονται ψηφιακά από τον υπολογιστή του ραντάρ, με τρόπο ώστε η υπέρθεση της ακτινοβολίας των στοιχείων να σχηματίζει κάθε φορά τα επιθυμητά διαγράμματα ακτινοβολίας.

Το GaAs διαθέτει πολλά πλεονεκτήματα συγκριτικά με το πυρίτιο, όπως πχ υψηλότερη ταχύτητα απόκρισης, πολύ μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων λειτουργίας (ευεργετικό για την αντοχή σε παρεμβολές και τη μείωση των ανεπιθύμητων επιδράσεων από multipath και ανώμαλη διάδοση, πχ ducting & lobing), χαμηλότερο θόρυβο, μεγαλύτερη αντοχή, κτλ. Τα MMICs αρσενιούχου γαλλίου διαθέτουν διπλάσιο φασματικό εύρος λειτουργίας από τις λυχνίες TWT των παθητικών στοιχειοκεραιών, χαρακτηριστικό απαραίτητο για την εφαρμογή τεχνικών αντιμετώπισης του clutter και του jamming ευρέως φάσματος.[15]

Πίνακας 1: Σύγκριση βασικών παραμέτρων ημιαγωγών FET διατάξεων AESA (~300 Κ)

 SiCSiGaAs
(AlGaAs / InGaAs)
GaN
(AlGaN / GaN)
Ενέργεια διακένου [eV]3.261.1-1.121.42-1.433.39-3.44
Ηλεκτρικό πεδίο διάσπασης [MV/cm]30.30.43.0-3.5 (3.3)
Μέγιστη ταχύτητα ηλεκτρονίων (saturation velocity) x107 [cm/sec]2.01.02.0-2.12.5 -2.7
Κινητικότητα ηλεκτρονίων [cm2/V sec]650-7001350-150085001000-2200
(1200-1700)
Θερμική αγωγιμότητα [W/cm K]3.3 – 4.91.3-1.50.43-0.51.3 – 2.1
Σχετική διηλεκτρική σταθερή (ε)9.7-10.111.8-11.912.8-13.19.0

Το GaN αποτελεί ημιαγωγό υλικό  με ευρύ ενεργειακό διάκενο (bandgap) 3.44 eV (διαφορά ζώνης αγωγιμότητας και ζώνης σθένους), μέσα στο οποίο δεν παραμένουν φορείς αγωγιμότητας, όπως ηλεκτρόνια ή οπές. Προέρχεται από ένα πολύ σκληρό υλικό, εξαγωνικής κρυσταλλικής δομής, του βουρτσίτη (Wurtzite), ένα θειούχο ορυκτό του ψευδαργύρου και του σιδήρου, το όνομα του οποίου αποδόθηκε προς τιμήν του Αλσατού χημικού Charles Adolphe Wurtz (1817–1884). Έχει ανθεκτικότητα στην ιονίζουσα ακτινοβολία και έτσι είναι το κατάλληλο υλικό για συστοιχίες ηλιακών κυττάρων σε δορυφόρους και σε άλλες διαστημικές και στρατιωτικές εφαρμογές. Ακόμη, τα transistors τεχνολογίας GaN μπορούν να λειτουργούν σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες και τάσεις (υψηλό πεδίο διάσπασης) στις μικροκυματικές συχνότητες.

Οι χρησιμοποιούμενοι ρυθμιστές των τάσεων τροφοδοσίας, που παρέχονται στις μονάδες T/R κάποιας συστοιχίας AESA, συνήθως περιλαμβάνουν μια τάση εκροής για τους ενισχυτές ισχύος εκπομπής, μια τάση εκροής για τους ενισχυτές LNA και μια τάση πύλης που χρησιμοποιείται από όλους τους ενισχυτές. Συνήθως, το παρεχόμενο συνεχές ρεύμα τροφοδοσίας είναι πολύ υψηλής τιμής και διανέμεται κατάλληλα στις μονάδες T/R. Τυπικά, η παρεχόμενη τάση πύλης είναι αρνητική και πολύ χαμηλού ρεύματος.

Οι μονάδες T/R θα πρέπει να εναλλάσσουν τη λειτουργία τους μεταξύ εκπομπής και λήψης, πολύ γρήγορα. Η διαδρομή του ενισχυτή εκπομπής απενεργοποιείται κατά τη λήψη, ενώ η διαδρομή του ενισχυτή λήψης απενεργοποιείται κατά την εκπομπή. Αυτό, υλοποιείται σχεδόν πάντα, από κάποιο κύκλωμα απενεργοποίησης του ρεύματος εκροής, στους αντίστοιχους ενισχυτές που θα πρέπει να απενεργοποιηθούν. Θεωρητικά, θα ήταν δυνατή η διαμόρφωση της λειτουργίας των ενισχυτών χρησιμοποιώντας την τάση πύλης, αλλά αυτό αποφεύγεται, επειδή οποιοσδήποτε θόρυβος στην πύλη, λόγω του χρόνου αποκατάστασης της κυματομορφής διαμόρφωσης, θα έχει πολύ μεγαλύτερη επίπτωση απ’ ότι ο κωδωνισμός της τάσης εκροής. Τα MOSFET καναλιού p χρησιμοποιούνται συνήθως για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των ενισχυτών. Αυτά, προσφέρουν ένα συνδυασμό χαμηλής αντίστασης ενεργοποίησης (μόλις μερικά mΩ) και δεν χρειάζονται πολύπλοκα τροφοδοτικά, όπως τα αντίστοιχα MOSFET καναλιού n.

Επειδή, η λειτουργία των μονάδων T/R πρέπει να εναλλάσσεται πολύ γρήγορα και η ηλεκτρική τους τροφοδοσία είναι σχετικά μακριά, χρησιμοποιούνται πυκνωτές αποθήκευσης φορτίου για τη διατήρηση των τάσεων πόλωσης του ενισχυτή κατά τη διάρκεια εκπομπής του παλμού.

Σχήμα 8: Συγκριτική διαφορά μεγέθους MMIC ενισχυτών GaAs και των υψηλότερης ισχύος νεότερων GaN (περί το 60% μικρότερα). Τα GaAs modules δεν ξεπερνούν εύκολα την ισχύ των 10-12 W (κάποια φθάνουν έως και 20-25W). Σήμερα, έχουν αναπτυχθεί ακόμη μεγαλύτερης ισχύος ενισχυτές τεχνολογίας GaN (έως και 100+ W), με τους οποίους επιτυγχάνονται επαυξημένες επιδόσεις εντοπισμού μικρότερων ιχνών σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Παρά τον υψηλότερο βαθμό απόδοσης και την αποτελεσματικότερη θερμική διαχείριση, το πρόβλημα απομάκρυνσης της παραγόμενης θερμότητας των ενισχυτών ισχύος, θα πρέπει κάθε φορά να αντιμετωπίζεται κατάλληλα.

Το περίβλημα μιας μονάδας T/R είναι συνήθως ερμητικό, ώστε να εξασφαλίζεται μεγάλη διάρκεια ζωής. Ταυτόχρονα, μπορεί να περιλαμβάνει κάποιο υλικό (getter), για την αποφυγή δηλητηρίασης από παραγωγή αερίων, όπως πχ υδρογόνο. Συνήθως, το επιλεγόμενο υλικό ταιριάζει με το συντελεστή θερμικής διαστολής των υπόλοιπων υλικών (GaAs, πυρίτιο, διάφορα κεραμικά). Το περίβλημα αποτελεί το μεγαλύτερο παράγοντα στη συνολική μάζα της μονάδας T/R. Αυτό δεν είναι πρόβλημα για συστήματα εδάφους, αλλά για αερομεταφερόμενες ή διαστημικές εφαρμογές θα πρέπει να εξετάζεται προσεκτικά. Σύνθετα υλικά, όπως το καρβίδιο του πυριτίου αλουμινίου (AlSiC) ήταν παλαιότερα στη μόδα.

Η παραγόμενη θερμότητα από τα εξαρτήματα ημιαγωγών των μονάδων T/R απαγάγεται / μεταφέρεται από την κεραία, χρησιμοποιώντας κάποιο σύστημα ψύξης. Τα X-band συστήματα AESA, συνήθως χρησιμοποιούν ψυκτικό υγρό πολυ-άλφα-ολεφίνη (συνθετικό λιπαντικό), που αποβάλλει την παραγόμενη θερμότητα είτε στο καύσιμο του αεροσκάφους είτε στον περιβάλλοντα αέρα, μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας (ψυγείου).

Σήμερα, τα χαμηλής στάθμης σήματος MMIC και οι χαμηλού θορύβου ενισχυτές LNA τεχνολογίας GaAs συναντώνται ευρέως σε εφαρμογές μικροκυματικών επικοινωνιών (radios, satellites), καλωδιακής τηλεόρασης CATV,[16] κτλ. Στην περίπτωση των συστημάτων ραντάρ και ηλεκτρονικού πολέμου AESA/MFR, μερικά παραδείγματα GaAs MMIC LNA ευρέως φάσματος της Analog Devices, είναι ο HMC1049LP5E (κέρδους 15 dB, με δείκτη θορύβου <4 dB σε φασματικό εύρος 0.3–20 GHz) και ο HMC-ALH445 (κέρδους 9 dB, με δείκτη θορύβου <5 dB σε φασματικό εύρος 18–40 GHz).

Οι ενισχυτές LNA, μαζί με τις απώλειες από την κεραία λήψης, καθορίζουν το συνολικό συντελεστή θορύβου NF του συστήματος.

Οι ενισχυτές LNA, μαζί με τις απώλειες από την κεραία λήψης, καθορίζουν το συνολικό συντελεστή θορύβου NF του συστήματος.[17] Τα επόμενης γενιάς LNA μεταβαίνουν από την τεχνολογία GaAs, στην επίσης χαμηλού θορύβου / υψηλής ευαισθησίας, αλλά και ανθεκτικότερη GaN (αντέχουν ισχύ αιχμής 10 Watt, αντί των 100 mW GaAs LNA), γεγονός που θα μπορούσε να εξαλείψει την ανάγκη χρήσης περιοριστή (limiter), στην είσοδο του δέκτη για την προστασία του LNA.

Πίνακας 2: Τυπικά χαρακτηριστικά ορισμένων ενισχυτών ισχύος MMIC HPA

HPAΦασματική περιοχή (GHz)Κέρδος (dB)Ισχύς εξόδου (W)PAE (%)IP3 (dbm)
Analog Devices HMC930A
(GaAs, pHEMT)
0–40130.251033.5
Analog Devices HMC1087F10
(GaN)
2–201172043.5
Analog Devices HMC8205
(GaN)
0.3–620 / 2235.5 / 4038 / 40 
Qorvo TGA2590
(GaN-on-SiC)
6–12>3530>25 
Qorvo TGA2813
(GaN-on-SiC)
3.1–3.6 (S-band)22>10055 
Qorvo TGM2635-CP
(GaN-on-SiC)
8–11 (X-band)>2610035 
Qorvo TGA2595
(GaN-on-SiC)
27.5–3123924 

 

Σχήμα 9(α): Διαγράμματα κέρδους (dB), ισχύος εξόδου (dBm) και βαθμού απόδοσης PAE (%) ενός τυπικού ενισχυτή GaN MMIC στα 9 GHz, ως προς την ισχύ εισόδου.

Για την αύξηση της ευαισθησίας λήψης και για την ελαχιστοποίηση των απωλειών της μονάδας T/R, τόσο ο ενισχυτής LNA, όσο και ο ενισχυτής ισχύος, θα πρέπει να βρίσκονται όσο το δυνατόν πιο κοντά στην κεραία.

Επίσης, κάποιες φορές, ο LNA είναι σχεδιασμένος ώστε να παρέχει ταιριασμένη εμπέδηση, όταν είναι εκτός λειτουργίας. Η συγκεκριμένη λειτουργία τερματισμού στο LNA εξαλείφει την ανάγκη χρήσης ανεξάρτητου απομονωτή (isolator), για να διασφαλίζει ότι ο ενισχυτής ισχύος βλέπει πάντοτε σταθερή εμπέδηση (πχ 50 Ω).

Το κέρδος των χρησιμοποιούμενων ενισχυτών ισχύος (HPA) μπορεί να φθάνει τα 30 dB ή ακόμη περισσότερο, ώστε να αντισταθμίζονται οι διάφορες απώλειες. Οι ενισχυτές ημιαγωγών αποδίδουν υψηλή μέση ισχύ εξόδου, αλλά σχετικά χαμηλή ισχύ κορυφής, οπότε οι χρησιμοποιούμενες κυματομορφές έχουν υψηλό κύκλο εργασίας (πχ 10-20%). Έτσι, προτιμάται η επιλογή υψηλότερης συμπίεσης παλμών και μεγαλύτερου φασματικού εύρους λειτουργίας για την καταπολέμηση των ηλεκτρονικών παρεμβολών, με αυξημένη επεξεργασία σήματος.

Ο βαθμός απόδοσης των ενισχυτών ισχύος (HPA) χαρακτηρίζεται από τη λεγόμενη παράμετρο προστιθέμενης ισχύος αποδοτικότητας PAE (Power Added Efficiency) % = 100 x (PRFoutPRFin) / PDCin, όπου PRFout είναι η μέγιστη ισχύς εξόδου RF, PRFin είναι η μέγιστη ισχύς εισόδου RF και PDCin είναι η ισχύς τροφοδοσίας DC. Η τιμή PAE αποτελεί την ποσοστιαία έκφραση μετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος τροφοδοσίας σε ωφέλιμη ισχύ εξόδου RF. Οι χαμηλότερου βαθμού απόδοσης ενισχυτές HPA οδηγούν στην ανάγκη υψηλότερης τάσης τροφοδοσίας και σε μεγαλύτερη απαίτηση ψύξης των διατάξεων AESA. Η ισχύς εξόδου και ο βαθμός απόδοσης μειώνονται με την αύξηση του φασματικού εύρους λειτουργίας.

Επίσης, πολύ συνηθισμένη εφαρμογή ενισχυτών χαμηλής ισχύος GaAs είναι στα κινητά τηλέφωνα, με ισχύ από 27.5 έως 28 dBm (0.4 έως 0.5 W). Εδώ χρησιμοποιούνται γραμμικοί ενισχυτές τάξης AB, με τιμή PAE = 20% έως 50%.

Ειδικότερα, ο τύπος GaAs pHEMT παρέχει τη δυνατότητα υλοποίησης RF ενισχυτών χαμηλού θορύβου, με αυστηρές προδιαγραφές γραμμικότητας. Επίσης, η τεχνολογία GaN HEMT παρουσιάζει χαμηλή και σχετικά ομαλή αντίσταση εξόδου μεταξύ πηγής και εκροής (από μερικά mΩ έως μερικά Ω), γεγονός το οποίο σημαίνει μικρότερη παραγόμενη παραμόρφωση.

Για την ικανοποίηση όλων των απαιτήσεων της κινητής τηλεφωνίας 4G και 5G, συμπεριλαμβανόμενης και της κορεσμένης γραμμικής απόδοσης, επιλέγονται ενισχυτές ισχύος HBT GaAs (βελτιωμένου κέρδους, ισχύος, βαθμού απόδοσης και ικανότητας θερμικής διαχείρισης).

 

Σχήμα 9(β): Διαγράμματα κέρδους (dB), ισχύος εξόδου (dBm) και βαθμού απόδοσης PAE (%) ενός τυπικού ενισχυτή GaN MMIC για ισχύ εισόδου 32 dBm, ως προς τη συχνότητα.

Σχήμα 10(β): Βασική αρχιτεκτονική ενεργής στοιχειοκεραίας (AESA) πλήρως ψηφιακού beamformer, για κάθε στοιχείο T/R. Η μετατροπή των ψηφιακών δεδομένων σε σήματα RF (DAC) και αντίστροφα (ADC), διεξάγεται μέσω των γεννητριών κυματομορφής και των δεκτών, που βρίσκονται μέσα σε ολοκληρωμένες μονάδες DREX, ακριβώς πίσω από κάθε T/R module. Κατά την εκπομπή, πρώτα διεξάγεται ισοστάθμιση των καναλιών, ακολουθεί η εφαρμογή ολίσθησης φάσης και ζύγισης των πλατών των ψηφιακών δεδομένων (DAC) κάθε καναλιού. Κατά τη λήψη χρησιμοποιούνται ADCs, ακολουθούμενοι από κατάλληλη επεξεργασία DSP, συνήθως FFT. Με τη συγκεκριμένη διάταξη διευκολύνεται η ταυτόχρονη δημιουργία πολλαπλών λοβών διαφορετικών λειτουργιών, στη βασική μπάντα (baseband), ενώ βελτιώνεται η διαχείριση χρόνου-ενέργειας και το κέρδος της συστοιχίας. Μερικά παραδείγματα συστημάτων AESA με ψηφιακό beamformer αποτελούν τα APAR Block 2, SAMPSON, CEAFAR, SEA MASTER 400, AN/SPY-6 (AMDR), AN/TPY-2 (THAAD), Giraffe, κ.τ.λ.

Σχήμα 11: Η εξέλιξη της τεχνολογίας των στοιχειοκεραιών, από τις μηχανικά περιστρεφόμενες κεραίες μέχρι τις πιο μοντέρνες, πλήρως ψηφιακά ελεγχόμενες, με ψηφιακή μορφοποίηση λοβών και ψηφιακούς δέκτες / διεγέρτες DREX (Digital Receive Exciters), μεγάλου φασματικού εύρους και υψηλής ανάλυσης.
Σχήμα 12(α): Διάταξη επίπεδης στοιχειοκεραίας, στην οποία απεικονίζονται οι μονάδες T/R και τα στοιχεία ακτινοβολίας, όπου κάθε οριζόντια γραμμή στοιχείων αποτελεί ομάδα που ελέγχεται από κοινό ολισθητή φάσης. Το γεγονός αυτό, παρέχει τη δυνατότητα στροφής του σχηματιζόμενου κύριου λοβού, μόνον καθ΄ ύψος (για την οριζόντια σάρωση απαιτείται μηχανική περιστροφή της κεραίας). Παράδειγμα, αποτελεί το μεγάλης εμβέλειας (έως 250 nm) ραντάρ έρευνας αέρος AN/FPS-117 της Lockheed Martin, με 44 οριζόντιες γραμμές (αναλογικού beamforming), ισχύος κορυφής περί τα 24.6 kW και μέσης ισχύος 4.5 kW, στην L-band (1215-1400 MHz).
Σχήμα 12(β): Διάταξη επίπεδης στοιχειοκεραίας, στην οποία απεικονίζονται οι μονάδες T/R και τα στοιχεία ακτινοβολίας, όπου κάθε στοιχείο έχει το δικό του ολισθητή φάσης. Το γεγονός αυτό, παρέχει τη δυνατότητα ηλεκτρονικής στροφής του σχηματιζόμενου κύριου λοβού, τόσο στο κατακόρυφο, όσο και στο οριζόντιο επίπεδο, χωρίς την απαίτηση μηχανικής σάρωσης.

Επίσης, πολύ συνηθισμένη εφαρμογή ενισχυτών χαμηλής ισχύος GaAs είναι στα κινητά τηλέφωνα, με ισχύ από 27.5 έως 28 dBm (0.4 έως 0.5 W). Εδώ χρησιμοποιούνται γραμμικοί ενισχυτές τάξης AB, με τιμή PAE = 20% έως 50%.

Ειδικότερα, ο τύπος GaAs pHEMT παρέχει τη δυνατότητα υλοποίησης RF ενισχυτών χαμηλού θορύβου, με αυστηρές προδιαγραφές γραμμικότητας. Επίσης, η τεχνολογία GaN HEMT παρουσιάζει χαμηλή και σχετικά ομαλή αντίσταση εξόδου (μεταξύ πηγής και εκροής), γεγονός το οποίο σημαίνει μικρότερη παραγόμενη παραμόρφωση (από μερικά mΩ έως μερικά Ω).

Για την ικανοποίηση όλων των απαιτήσεων της κινητής τηλεφωνίας 4G και 5G, συμπεριλαμβανόμενης και της κορεσμένης γραμμικής απόδοσης, επιλέγονται ενισχυτές ισχύος HBT GaAs (βελτιωμένου κέρδους, ισχύος, βαθμού απόδοσης και ικανότητας θερμικής διαχείρισης).

Συνήθως, ο ενισχυτής υψηλής ισχύος (HPA) είναι το μεγαλύτερο και πιο ακριβό εξάρτημα μιας μονάδας T/R (ο κυκλοφορητής/απομονωτής μπορεί επίσης να είναι ακριβός), ενώ αποτελεί και την κύρια πηγή απωλειών θερμότητας που θα πρέπει να αποβάλλεται με αποτελεσματικό τρόπο. Σε μια τυπική διάταξη, ο ενισχυτής ισχύος χρησιμοποιεί δύο τσιπ, τα οποία συνδυάζει με ορθογώνιους ή συμφασικούς ζεύκτες Wilkinson (equal-split Wilkinson power dividers). Ο εν λόγω συνδυασμός επιτυγχάνει ταιριασμένη αντίσταση, ενώ παρουσιάζει σημαντικό βαθμό ανοσίας σε μεταβολές του φορτίου οδήγησης (π.χ. προς διαφορετικές κατευθύνσεις του κύριου λοβού).

Μεμονωμένοι ενισχυτές ισχύος GaAs φθάνουν σε ισχύ εξόδου έως και τα 5 W, αφού δεν μπορούν να διαχειριστούν με ασφάλεια υψηλή τάση, μεγάλο ρεύμα ή μεγάλη παραγωγή θερμότητας, συγκριτικά με το πυρίτιο ή το GaN. Υψηλότερη ισχύς (πχ 20 έως 40 W) επιτυγχάνεται με την κατάλληλη σύνδεση πολλών ενισχυτικών στοιχείων (push-pull, παράλληλα ή με συνδυασμό εξόδων σε μετασχηματιστές και δίκτυα).

Σχήμα 13: Τυπική ενεργή στοιχειοκεραία μαχητικού αεροσκάφους, της Raytheon (πρώην Hughes). Οι μονάδες T/R έχουν μέγεθος ώστε να χωρούν στη συνολικά διατιθέμενη διάταξη, που αποτελεί συνάρτηση της συχνότητας. Ένας εμπειρικός κανόνας είναι ότι εντός του επιπέδου της συστοιχίας, οι μονάδες T/R πρέπει να στοιβάζονται σε μεταξύ τους αποστάσεις μισού μήκους κύματος (πχ στα 10 GHz έχουμε λ/2 = 1.5 cm). Ανάλογα με τη σχεδίαση του συστήματος, οι μονάδες μπορεί να απέχουν περίπου λ/2 στη μια διάσταση και πολύ λιγότερο στην άλλη. Συνήθως, η μονάδα τοποθετείται σε δομικό μέλος ή ψύκτρα, που καταλαμβάνει σημαντικό ποσοστό της επιφάνειας της διάταξης.

Σχήμα 14(α):   Η εσωτερική διάταξη τυπικών ημιαγωγών δομοστοιχείων εκπομπής/λήψης (solid-state T/R module), που συναντώνται σε στοιχειοκεραίες ενεργής σάρωσης. Στις δύο πρώτες περιπτώσεις (πάνω και κάτω αριστερά) χρησιμοποιούνται τα ίδια στοιχεία για εκπομπή και λήψη (T/R modules). Το κέρδος γύρω από σχηματιζόμενο βρόχο θα πρέπει να είναι μικρότερο της μονάδας, για τυην αποφυγή ταλαντώσεων. Στην τρίτη περίπτωση (κάτω δεξιά) χρησιμοποιούνται ανεξάρτητα στοιχεία εκπομπής και λήψης. Σε όλες τις περιπτώσεις εφαρμόζεται ελεγχόμενη ζύγιση του πλάτους και φάσης του σήματος για την κάθε λειτουργία, συνήθως μέσω λογισμικού. Η τεχνολογία MMIC (GaAs ή GaN) επιτρέπει την ολοκλήρωση μέσα σε ένα και μοναδικό module, του ενισχυτή ισχύος (εκπομπής) HPA (High Power Amplifier), του ενισχυτή/buffer χαμηλού θορύβου (λήψης) LNA (Low Noise Amplifier), του ελεγχόμενου ολισθητή φάσης, των μεταβαλλόμενων εξασθενητών σήματος (variable attenuators), του περιοριστή (limiter) και του κυκλοφορητή (διάταξη μεταγωγής μεταξύ εκπομπής και λήψης). Επισημαίνεται, ότι στις ενεργές στοιχειοκεραίες επιτυγχάνεται ακριβέστερος έλεγχος των χρονικών καθυστερήσεων ή φασικών ολισθήσεων του κάθε στοιχείου, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται υψηλότερης ακρίβειας διαγράμματα ακτινοβολίας. Στις παθητικές στοιχειοκεραίες, η αλληλεπίδραση στη σύνθετη αντίσταση μεταξύ των γειτονικών στοιχείων (mutual impedance effects), δεν επιτρέπει τον ακριβή σχηματισμό λοβών, αφού η ισχύς δεν μοιράζεται ακριβώς με τον επιθυμητό τρόπο σε όλα τα στοιχεία, ενώ οι συνολικές απώλειες σήματος κατά την εκπομπή και τη λήψη, είναι αυξημένες.

Η πιο πρόσφατη τεχνολογία ημιαγωγών ισχύος GaN, η οποία αρχικά αναπτύχθηκε για την κατασκευή ηλεκτρονικών παρεμβολέων αυτοσχέδιων εκρηκτικών μηχανισμών στο Ιράκ, σήμερα επεκτείνεται σε όλες τις νέες μικροκυματικές και χιλιοστομετρικές εφαρμογές (RF ενισχυτές ισχύος σε δορυφορικές επικοινωνίες, άλλες ραδιοζεύξεις, σταθμούς κινητής τηλεφωνίας, τηλεμετρίας, στοιχειοκεραίες ραντάρ, ενισχυτές ισχύος audio, κτλ). Οι ημιαγωγοί GaN που χρησιμοποιούνται σε δίκτυα 5G και μεγάλα ραντάρ έρευνας, περνούν σταδιακά και σε μικρότερα αερομεταφερόμενα συστήματα AESA. Ουσιαστικά, έχουμε πλέον μετάβαση προς νέα γενιά MMIC, από αρσενιδίου του γαλλίου (GaAs) σε νιτριδίου του γαλλίου (GaN).[18]

Σχήμα 14(β):   Σύγκριση τυπικών απωλειών σήματος, μεταξύ στοιχείων PESA και AESA. Και στις δύο περιπτώσεις, η τιμή συντελεστή θορύβου NF στο δέκτη ισούται με την τιμή NF στον ενισχυτή LNA συν τις συνολικές απώλειες από την κεραία μέχρι τον LNA. Στις διατάξεις AESA, οι δεύτερες είναι πολύ χαμηλότερες.

Τα MMIC νιτριδίου του γαλλίου επιτυγχάνουν πολύ μεγαλύτερες επιδόσεις πυκνότητας ισχύος εξόδου (>3 W/mm), πυκνότητας ρεύματος, κέρδους (20 dB), υψηλότερης τάσης τροφοδοσίας (>30 V), αποτελεσματικότερης θερμικής διαχείρισης (βαθμού απόδοσης περί το 33%), αυξημένης διάρκειας ζωής, σε μικρότερο όγκο και μάζα, ενώ  καθίστανται διαρκώς πιο αξιόπιστα, οικονομικότερα και πιο προσιτά (το κατασκευαστικό κόστος μειώνεται). Επίσης, διαθέτουν αρκετά υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων, δηλαδή ικανότητα ενίσχυσης σημάτων πολλών GHz (η συχνότητα αποκοπής ή μοναδιαίου κέρδους για ενισχυτές GaN φθάνει έως και fτ ≈ 200 GHz). Προσφέροντας υψηλότερη ισχύ εξόδου, μέσα σε μεγάλο φασματικό εύρος RF, είναι δυνατή η υποστήριξη πολλαπλών λειτουργιών και πρωτοκόλλων. Η βασική πυκνότητα ισχύος (ικανότητα αποβολής θερμότητας) των ημιαγωγών GaN κυμαίνεται από 5 έως 12 W/mm, ενώ των GaAs περί το 1.5 W/mm. Η υψηλότερη τάση διάσπασης (breakdown voltage) έως και τα 80 V του GaN, ως προς το GaAs, επιτρέπει την αύξηση της τάσης τροφοδοσίας, γεγονός που οδηγεί σε μικρότερο απαιτούμενο κέρδος και ρεύμα συστήματος, δηλαδή χαμηλότερες θερμικές απώλειες και θόρυβο (τιμή Johnson FOM = 27.5 αντί μόλις 2.7 του GaAs).[19]

Μεμονωμένοι ενισχυτές ισχύος GaΝ φθάνουν σε ισχύ εξόδου μερικών δεκάδων W στις μικροκυματικές συχνότητες (linear RF power amplifiers). Υψηλότερη ισχύς (εκατοντάδων ή και χιλιάδων W) μπορεί να επιτευχθεί με την κατάλληλη σύνδεση πολλών ενισχυτικών στοιχείων (push-pull, παράλληλα ή σε κυκλωματική τοπολογία Doherty).

Μια ενεργή διάταξη στοιχειοκεραίας μπορεί να περιλαμβάνει χιλιάδες ημιαγωγά δομοστοιχεία εκπομπής/λήψης (solid-state modules), διατεταγμένα πάνω στο ίδιο επίπεδο (σχήμα 13). Σε μια κεραία μαχητικού αεροσκάφους, τυπικά χρησιμοποιούνται 1500 – 2500 T/R modules, ενώ σε άλλες εφαρμογές μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολύ περισσότερα. Το καθένα από τα στοιχεία αυτά, μπορεί με κατάλληλη ψύξη να χειρίζεται με ασφάλεια μέγιστη ισχύ σήματος μέχρι και 20 Watts (peak power), μέσα στην περιοχή συχνοτήτων λειτουργίας του. Ένα πρόβλημα των κεραιών αυτών, αποτελεί η αυξημένη έκλυση θερμότητας από σχετικά μικρή επιφάνεια κεραίας (1 – 1.5 W/cm2). Πάντως, το κόστος ανάπτυξης και κατασκευής, μειώνεται δραστικά με τη μαζική παραγωγή και τους νέους τρόπους κατασκευής τέτοιων στοιχείων, προερχόμενων κυρίως από τον τομέα της κινητής τηλεφωνίας.

Σχετικά με τους χρησιμοποιούμενους κυκλοφορητές (circulators / duplexers), οι οποίοι εξυπηρετούν τη μετάπτωση των λειτουργικών μεταξύ εκπομπής και λήψης (λειτουργία διπλέκτη), αυτοί μπορεί να είναι συνήθη τρίθυρα φερρίτη (εφαρμογές GaAs) ή ενισχυμένοι διακόπτες SPDT / Single Pole Double Throw (εφαρμογές GaN). Αυτά, δεν αποτελούν εξαρτήματα στερεάς κατάστασης και επομένως μπορεί να μη βρίσκονται ενσωματωμένα, αλλά έξω από το ερμητικό περίβλημα της μονάδας T/R. Σε ακραίες γωνίες σάρωσης, η τιμή λόγου στασίμων VSWR της κεραίας μπορεί να αυξηθεί σημαντικά. Στις περιπτώσεις που ανεπιθύμητα ανακλώμενα σήματα εισέρχονται στον ενισχυτή ισχύος, η εξερχόμενη ισχύς του ενισχυτή υποβιβάζεται απότομα. Η χρήση μιας διάταξης απομονωτή (isolator) επιλύει το συγκεκριμένο πρόβλημα (επιτρέπει τη διέλευση του σήματος προς τη μια κατεύθυνση, ενώ προκαλεί μεγάλη εξασθένηση στο σήμα αντίθετης κατεύθυνσης), παρουσιάζοντας το απαραίτητο φορτίο στην κεραία και στον ενισχυτή ισχύος. Οι λειτουργίες του κυκλοφορητή και του απομονωτή είναι δυνατό να ενσωματωθούν σε ένα ενιαίο συγκρότημα, το οποίο συνήθως διαθέτει 4 θύρες, με την τέταρτη θύρα να τερματίζεται (κυκλοφορητής τεσσάρων θυρών). Όταν το βάρος αποτελεί σημαντικό σχεδιαστικό περιορισμό, τότε αντί κυκλοφορητών τύπου φερρίτη χρησιμοποιούνται διακοπτικές δίοδοι, με επιπρόσθετη κυκλωματική λογική.

Πρακτικά, σε κάθε T/R module μπορεί να ενσωματώνεται ένας ευρέως φάσματος κυκλοφορητής (wideband microstrip circulator), ο οποίος όμως δεν καταστέλλει απόλυτα τα διερχόμενα σήματα που οδεύουν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Τυπικά, η επιτυγχανόμενη καταπίεση (απομόνωση) των διατιθέμενης τεχνολογίας κυκλοφορητών δεν μπορεί να υπερβεί τα 20-30 dB μεταξύ των θυρών, μέσα σε φασματικό εύρος 0.5-4 GHz. Ο κινέζικης κατασκευής κυκλοφορητής UIY Model UIYBMC1212A διαθέτει ευρύτερη μπάντα λειτουργίας 8–18 GHz, με απομόνωση μόλις 13 dB. Διασυνδεδεμένοι κυκλοφορητές επιτυγχάνουν φασματικό εύρος λειτουργίας έως και 12 GHz, αλλά με απομόνωση 15 dB, ενώ είναι ογκώδεις για εφαρμογές AESA. Για τον κυκλοφορητή JC2S8000T12K0G2 της JQL Electronics, ο οποίος λειτουργεί στη μπάντα 8–12 GHz, η επιτυγχανόμενη καταπίεση είναι 30 dB. Η εν λόγω καταπίεση είναι επαρκής για τα επιστρεφόμενα σήματα προς τον ενισχυτή HPA, δεν επαρκεί όμως για την καταπίεση του σήματος εκπομπής προς τους ενισχυτές LNA. Για έναν τυπικό ενισχυτή χαμηλού θορύβου LNA ευρέως φάσματος, όπως ο HMC1049LP5E της Analog Devices, η ισχύς εισόδου που αντιστοιχεί σε συμπίεση κέρδους 1 dB (τυπικό σημείο έναρξης του κορεσμού λειτουργίας) είναι περίπου 1 mW. Αυτό σημαίνει, ότι για κυκλοφορητή των 30 dB απομόνωσης μεταξύ εκπομπής-λήψης, η ισχύς κορυφής της εξόδου των ενισχυτών HPA θα πρέπει να είναι χαμηλότερη του 1 W, προκειμένου να διασφαλιστεί χαμηλή διαρροή προς το κανάλι λήψης, ώστε να μην οδηγείται ο LNA στον κορεσμό, σε λειτουργίες που απαιτούν λήψη ταυτόχρονα με την εκπομπή. Πολλά ναυτικά ραντάρ MFR απαιτούν υψηλή τιμή EIRP για τη λειτουργία τους, με T/R modules ισχύος κορυφής τουλάχιστον 10 W. Η χρήση χαμηλότερης ισχύος T/R modules για την εξυπηρέτηση των λειτουργιών εκπομπής και λήψης ταυτόχρονα, οδηγεί στη χρήση πολύ περισσότερων T/R modules προκειμένου να επιτυγχάνεται η επιθυμητή τιμή EIRP, γεγονός που σημαίνει μεγαλύτερου μεγέθους, βάρους και κόστους συστοιχία.

Σοβαρή διαρροή μπορεί επίσης να προκύψει από την ανακλώμενη ισχύ εκπομπής από το ίδιο το στοιχείο ακτινοβολίας πίσω προς το κανάλι λήψης, λόγω της μη ικανοποιητικής προσαρμογής των εμπεδήσεων. Σε μια διάταξη AESA, η αμοιβαία ηλεκτρομαγνητική σύζευξη μεταξύ των στοιχείων ακτινοβολίας οδηγεί σε διαφοροποιήσεις των εμπεδήσεων προσαρμογής και των συντελεστών ανάκλασης RF έως και -6 dB, ως προς τη συχνότητα και τη γωνία σάρωσης (±60°). Για την αποφυγή κορεσμού των LNA από τις ανακλάσεις αυτές στην περίπτωση ταυτόχρονης λειτουργίας λήψης και εκπομπής, η ισχύς κορυφής της εξόδου των HPA θα πρέπει να είναι μικρότερη των 4 mW!!! Για ανεξάρτητες κεραίες εκπομπής και λήψης (χωρίς T/R modules), φυσικά διαχωρισμένες κατά μερικά μέτρα, η μεταξύ τους ηλεκτρομαγνητική σύζευξη μπορεί να μειωθεί σημαντικά, επιτυγχάνοντας καταπίεση άνω των 80 dB για ταυτόχρονη λειτουργία εκπομπής / λήψης, με υψηλή ισχύ HPA. Για τις συνδυασμένες κεραίες εκπομπής/λήψης με T/R modules, είναι δυνατή η διαμόρφωσή τους σε ανεξάρτητες φυσικά διαχωρισμένες υποσυστοιχίες εκπομπής ή λήψης, καταπιέζοντας σημαντικά τη μεταξύ τους ηλεκτρομαγνητική σύζευξη σε περίπτωση ταυτόχρονης λειτουργίας.

Επισημαίνεται, ότι η ανάγκη ταυτόχρονης λειτουργίας εκπομπής και λήψης σε κοινές συχνότητες, δεν προέρχεται από τις λειτουργίες ραντάρ ή των επικοινωνιακών ζεύξεων, αλλά από τις λειτουργίες του ηλεκτρονικού πολέμου (ES & EA). Μια λύση αποτελεί η χρήση συνδυασμένων κεραιών για τις λειτουργίες ραντάρ και επικοινωνιακών ζεύξεων, ταυτόχρονα με τη χρήση ανεξάρτητων και φυσικά διαχωρισμένων κεραιών εκπομπής και λήψης για τις λειτουργίες EA και ES, αντίστοιχα.

Όσον αφορά στις μέγιστες αποδεκτές γωνίες σάρωσης (±60°), αυτές οφείλονται στην αυξανόμενης δυσκολίας προσαρμογή των εμπεδήσεων σε μεγαλύτερες γωνίες, όπως επίσης στο μειούμενο κέρδος των κύριων λοβών (ανάλογο του cosθ0) και το αυξανόμενο γωνιακό τους εύρος (ανάλογο του (cosθ0)−1). Έτσι, σε γωνίες σάρωσης θ0 = ±60°, το κέρδος κεραίας μειώνεται κατά 3 dB, ενώ το γωνιακό εύρος των κύριων λοβών διπλασιάζεται. Επομένως, για την επαρκή κάλυψη του χώρου από ένα ναυτικό MFR απαιτούνται 3 ή 4 διατάξεις κεραιών τοποθετημένες περιμετρικά.

Παράδειγμα περιοριστή (limiter) για τον έλεγχο της υπερφόρτωσης στην είσοδο του LNA, είναι ο 1GC1–8053 της Keysight Technologies, ο οποίος αποτελεί ημιαγωγό δίοδο MMIC φασματικού εύρους 0–65 GHz, με δυνατότητα περιορισμού ισχύος από τα 10 mW.

Σχήμα 14(γ): Λειτουργικό διάγραμμα ενός ιδανικού T/R καναλιού ενεργής διάταξης AESA. Σε υλοποιήσεις στοιχείων ακτινοβολίας διπλής ορθογώνιας πόλωσης, η απεικονιζόμενη διάταξη είναι διπλή. Ο κυκλοφορητής λειτουργεί ως απομονωτής των τμημάτων εκπομπής/λήψης, πχ με βάση τις ιδιότητες κάποιων μαγνητικών υλικών (φερριτών). Ο περιοριστής (limiter) στην είσοδο του LNA εξασφαλίζει την αποφυγή υπερφόρτωσης, που θα μπορούσε να του προκαλέσει βλάβη ή ανεπιθύμητη μη γραμμική λειτουργία (αυξημένο ρυθμό σφαλμάτων στις επικοινωνιακές ζεύξεις, απομείωση της δυνατότητας αξιόπιστης εξαγωγής των χαρακτηριστικών διαμόρφωσης των υποκλεπτόμενων κυματομορφών σε λειτουργία ES, κτλ). Επίσης, ο περιοριστής παρέχει τερματισμό στον κυκλοφορητή κατά τη διάρκεια της εκπομπής, προκειμένου να απορροφά την ισχύ που ανακλάται από την κεραία και να ελαχιστοποιούνται τυχόν στάσιμα κύματα που είναι ανεπιθύμητα στην είσοδο του LNA (ο ενισχυτής ισχύος πρέπει να βλέπει τη σωστή αντίσταση, διαφορετικά η εξερχόμενη ισχύς μειώνεται απότομα). Τα χρησιμοποιούμενα T/R modules, όπως επίσης και τα αντίστοιχα στοιχεία ακτινοβολίας, θα πρέπει να διαθέτουν επαρκές φασματικό εύρος, ώστε να καλύπτουν ιδανικά όλες τις λειτουργίες, από 0.5 GHz έως και 40 GHz για τα ναυτικά συστήματα MFR. Για την αποφυγή δημιουργίας λοβών αντιγράφων (grating lobes) σε γωνίες σάρωσης έως και ±60°, τα στοιχεία ακτινοβολίας θα πρέπει να απέχουν μεταξύ τους 0.54λg, όπου λg είναι το μήκος κύματος της υψηλότερης συχνότητας λειτουργίας, πχ 0.4 cm για τα 40 GHz.

Όσον αφορά στην απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύ, αυτή καλύπτεται επαρκώς από τη συνεχώς αναπτυσσόμενη τεχνολογία τεχνητής νοημοσύνης, υπολογιστικού νέφους (cloud computing) και ηλεκτρονικών παιχνιδιών (Graphic Processing Units – GPUs), για την επίτευξη ογκώδους παράλληλης επεξεργασίας μεγάλης ποσότητας δεδομένων, χαμηλής καθυστέρησης.

Κατά την εκπομπή, η χρήση ανεξάρτητων γεννητριών κυματομορφών DWG (Digital Waveform Generators) για το κάθε T/R module παρέχει την υψηλότερη και ταχύτερη δυνατή λειτουργική ευελιξία της συστοιχίας, όπως πχ αποτελεσματικότερη καταπίεση πλευρικών λοβών, υψηλότερο κέρδος κεραίας, διεξαγωγή ηλεκτρονικών παρεμβολών (ΕΑ) μέσω ψηφιακού beamforming ευρέως φάσματος (στιγμιαίου εύρους έως και 1 GHz) πραγματικής χρονικής καθυστέρησης, κτλ. Μια τέτοια υλοποίηση προσεγγίζεται πχ από το ολοκληρωμένο AD9914 (3.5 GSamples/sec Direct Digital Synthesizer με 12-bit DAC) της Analog Devices, το οποίο υποστηρίζει φασματικό εύρος κυματομορφών εξόδου 1.4 GHz.

Στην πράξη όμως, συνηθίζεται να χρησιμοποιείται μια κοινή γεννήτρια DWG,υποστηριζόμενη από μια μνήμη DRFM (για τη διεξαγωγή σύμφωνων ηλεκτρονικών παρεμβολών), η οποία τροφοδοτεί το τμήμα εκπομπής ομάδας πολλών T/R modules. Η γεννήτρια DWG λαμβάνει τις παραμέτρους της κυματομορφής  από τον επεξεργαστή σήματος ώστε να παράγει την ψηφιακή της μορφή μέσω ενόςDDS (Direct Digital Synthesizer) ή να εξάγει τα ψηφιακά της δείγματα από τη μνήμη DRFM (Digital RF Memory). Τυπικά παραγόμενες κυματομορφές: CW, Pulse, LFM, Stepped Frequency Pulse & Stepped LFM. Ακολούθως, η ψηφιακή μετατρέπεται σε αναλογική κυματομορφή μέσω κάποιων DAC (I & Q) και μεταφέρεται στην απαιτούμενη συχνότητα εκπομπής μέσω αναλογικού κυκλώματος διαμόρφωσης.

Πίνακας 3: Τυπικά χαρακτηριστικά αντιπροσωπευτικών ADC (Texas Instruments)

ADCΑνάλυση
(bits)
Συχνότητα δειγματοληψίας
(GSamples/sec)
ADC12DJ3200126.4 – single channel
3.2 – dual channel
ADC32RF45143.0 – dual channel
ADS54J60161.0 – dual channel
ADS1675
(Delta-Sigma)
240.004 – single channel

Η χρήση ανεξάρτητου ψηφιακού δέκτη σε κάθε T/R module, ο οποίος περιλαμβάνει το δικό του μετατροπέα ADC επιτρέπει τον ψηφιακό σχηματισμό λοβών, χωρίς την ανάγκη χρήσης ολισθητών φάσης RF ή άλλων κυκλωμάτων χρονικής καθυστέρησης. Έτσι, είναι δυνατή η ταυτόχρονη δημιουργία πολλών λοβών λήψης από διαφορετικές κατευθύνσεις, μέσω των ίδιων στοιχείων ακτινοβολίας, για διαφορετικές λειτουργίες αναλόγως της διατιθέμενης επεξεργαστικής ισχύος. Με τον τρόπο αυτό, παρέχεται κατά τη λήψη η υψηλότερη και ταχύτερη δυνατή λειτουργική ευελιξία της συστοιχίας, όπως επίσης και το ευκολότερο ψηφιακό beamforming ευρέως φάσματος (στιγμιαίου εύρους έως και 1 GHz) πραγματικής χρονικής καθυστέρησης, μια πολύ σημαντική λειτουργία για τις ηλεκτρονικές υποκλοπές ES. Ως προς την τεχνική της χρονικής καθυστέρησης, η χρήση συμβατικών φασικών ολισθητών μειώνει το επιτυγχανόμενο κέρδος κεραίας σε μεγάλες γωνίες σάρωσης και για σήματα μέσα σε ευρύ φασματικό εύρος. Σε μια ιδανική υλοποίηση πλήρους ψηφιοποίησης των λαμβανόμενων σημάτων από κάθε στοιχείο ακτινοβολίας, όλες οι παραδοσιακές λειτουργίες, πχ φιλτράρισμα, αποδιαμόρφωση, κτλ, μπορούν να διεξαχθούν στο ψηφιακό πεδίο, όπως επίσης και όλες λοιπές λειτουργίες (ραντάρ, ES, κτλ), ταυτόχρονα.

Πρακτικά όμως, δεν είναι εφικτή η ανωτέρω ιδανική υλοποίηση, αφού η απαιτούμενη απευθείας ψηφιοποίηση (ADC) για τα λαμβανόμενα σήματα RF (0.5–40 GHz), θα πρέπει να γίνεται με συχνότητα δειγματοληψίας >40 GSamples/sec. Επίσης, το απαιτούμενο δυναμικό εύρος κάθε ψηφιακού δέκτη, θα πρέπει να προσεγγίζει τα 90 dB, που αντιστοιχεί σε 15 bits ανάλυση ψηφιοποίησης. Όμως, παρά τη διαρκή εξέλιξη της τεχνολογίας, δεν διατίθενται ακόμη ADC με χαρακτηριστικά ανάλυσης 15 bits και ταυτόχρονα συχνότητας δειγματοληψίας πχ 40 GSamples/sec (αυξανόμενης της συχνότητας δειγματοληψίας μειώνεται η ανάλυση bits και αντίστροφα), ώστε να είναι δυνατή η χρήση ανεξάρτητου ψηφιακού δέκτη σε κάθε T/R module, με τρόπο που να καλύπτεται ολόκληρο το φασματικό εύρος όλων των δυνατών λειτουργιών. Οι στενού φάσματος 24 bits ADC είναι κατάλληλοι για τις λειτουργίες των ναυτικών ραντάρ, οι 14-16 bits ADC είναι κατάλληλοι για επικοινωνιακές ζεύξεις RF, ενώ οι ευρύτερου φάσματος 12 bits ADC (χαμηλού δυναμικού εύρους 60 dB) είναι κατάλληλοι για εφαρμογές ηλεκτρονικών υποκλοπών (ES). Στην πράξη, ο ψηφιακός δέκτης περιλαμβάνει ένα αναλογικό συντονιζόμενο κύκλωμα (tuner) πριν από το μετατροπέα ADC, για τον υποβιβασμό του εισερχόμενου σήματος RF στη λεγόμενη ενδιάμεση συχνότητα IF, που βρίσκεται εντός του φασματικού εύρους του χρησιμοποιούμενου ADC. Έτσι, χρησιμοποιούνται πολλές διαφορετικές υποσυστοιχίες AESA, για διαφορετικές μπάντες λειτουργίας.

Στην πράξη, χρησιμοποιούνται κοινές γεννήτριες κυματομορφής και ψηφιακοί δέκτες, που υποστηρίζουν ομάδες (subarrays) πολλών στοιχείων ακτινοβολίας. Στην περίπτωση αυτή, χρησιμοποιούνται στοιχεία αναλογικού beamforming (BF) σε όλες τις διαδρομές εκπομπής/λήψης των T/R modules. Αυτά, μπορεί να είναι είτε απλοί παθητικοί φασικοί ολισθητές για κυματομορφές στενού φάσματος είτε πιο πολύπλοκα κυκλώματα πραγματικής χρονικής καθυστέρησης (TTD) για κυματομορφές ευρέως φάσματος. Ως κυματομορφές στενού φάσματος θεωρούνται αυτές για τις οποίες Ls ≪ c/2B, όπου Ls είναι η μέγιστη διάσταση της ομάδας στοιχείων ακτινοβολίας (subarray) και B το φασματικό εύρος της κυματομορφής. Επομένως, για τις λειτουργίες ηλεκτρονικού πολέμου ES/EA, η απαιτούμενη τιμή B = 1 GHz χρειάζεται μέγιστη διάσταση ομάδας στοιχείων <15 cm προκειμένου να χρησιμοποιηθούν φασικοί ολισθητές στενού φάσματος. Ωστόσο, οι διαστάσεις αυτές συγκρίνονται με τις πραγματικές αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων ακτινοβολίας για τις συχνότητες λειτουργίας των ναυτικών MFR, οπότε χρειάζονται μεγαλύτερες ομάδες με χρήση beamforming πραγματικής χρονικής καθυστέρησης, τόσο κατά την εκπομπή (εφαρμογή χρονικών καθυστερήσεων αρχικά στο ψηφιακό πεδίο μεταξύ των ομάδων και ακολούθως στο αναλογικό πεδίο μεταξύ των στοιχείων μιας ομάδας, για μέγιστο κέρδος κεραίας) όσο και κατά τη λήψη (εφαρμογή χρονικών καθυστερήσεων αρχικά στο αναλογικό πεδίο μεταξύ των στοιχείων μιας ομάδας και ακολούθως στο ψηφιακό πεδίο μεταξύ των ομάδων).

Σχήμα 15:  Διάταξη AESA κοινής χρήσης γεννητριών κυματομορφής και ψηφιακών δεκτών σε ομάδες (subarrays) που εξυπηρετούν δύο στοιχεία ακτινοβολίας.

Οι ενεργές στοιχειοκεραίες (AESA) διαθέτουν πολλά και σημαντικά πλεονεκτήματα, ως προς τις παλαιότερες παθητικές συστοιχίες (PESA):

  • Τόσο οι πομποί (ενισχυτές HPA) όσο και ενισχυτές χαμηλού θορύβου LNA του δέκτη βρίσκονται πλησιέστερα στα στοιχεία λήψης ακτινοβολίας, καταργώντας σχεδόν πλήρως την ανάγκη χρήσης κυματοδηγών, επιτυγχάνοντας υψηλότερες τιμές ευαισθησίας λήψης (SNR), χαμηλότερες απώλειες σήματος και μικρότερες τιμές συντελεστή θορύβου NF (κατά 6 dB ή περισσότερο). Όλα αυτά, συμβάλλουν στη βελτίωση της συνολικής τιμής NF ή θερμοκρασίας θορύβου επιπέδου συστήματος, οπότε σε συνδυασμό με την αύξηση της εκπεμπόμενης ισχύος (μεγάλο πλήθος T/R modules) επιτυγχάνουν μεγαλύτερες αποστάσεις εντοπισμού / αποκάλυψης και παρακολούθησης ιχνών. Επίσης, οι διατάξεις AESA με διάφραγμα υψηλότερης ισχύος έχουν σημαντικές δυνατότητες ως όπλα κατευθυνόμενης ενέργειας (DEW), στο να προκαλούν καταστροφικές βλάβες σε ηλεκτρονικά πυκνά συστήματα στόχων. Ακόμη, οι σταθερές διατάξεις AESA με την κατάλληλη γωνιακή κλίση, παρουσιάζουν μικρότερη δομική ραδιοδιατομή (RCS), ως προς τις περισσότερες γωνίες, γεγονός που τις καθιστά εγγενώς συμβατές για εγκατάσταση σε stealth εναέριες πλατφόρμες.
  • Η κατανεμημένη διάταξη των HPA και LNA αποσυσχετίζει τα εισαγόμενα σφάλματα από τους μετατροπείς ADC, τους υποβιβαστές των τοπικών ταλαντωτών LO, τους ενισχυτές HPA & LNA, καθώς και τους διεγέρτες-γεννήτριες κυματομορφής. Με τον τρόπο αυτό, καταπιέζονται (αλληλοεξουδετερώνονται) τα σφάλματα και ο θόρυβος μεταξύ διαδοχικών παλμών, γεγονός που οδηγεί σε βελτίωση της ικανότητας καταπίεσης του clutter.
  • Εξαιρετική δυνατότητα, σχεδόν απόλυτου ελέγχου και διαμόρφωσης των χαρακτηριστικών της εκπεμπόμενης / λαμβανόμενης ακτινοβολίας. Η επιθυμητή διαμόρφωση και η ευελιξία κατεύθυνσης των λοβών επιτρέπει την αλλαγή των παραμέτρων σε ρυθμούς έως και kHz. Αυτή ήταν και η αρχική επιτακτική ανάγκη στις πρώιμες εφαρμογές των παθητικών συστημάτων PESA, καθώς η κεραία έπρεπε να παρακολουθεί πολλούς στόχους, με πολύ υψηλούς ρυθμούς ενημέρωσης, κρίσιμους όταν αναχαιτίζονται ταχέως κινούμενοι στόχοι, όπως υπερηχητικά βλήματα και αεροσκάφη ή εισερχόμενες στην ατμόσφαιρα κεφαλές βαλλιστικών πυραύλων. Τα T/R modules μπορούν να εκπέμπουν και να λαμβάνουν δυναμικά ελεγχόμενες παλμοσειρές με διαφορετικές μεταξύ τους συχνότητες (μεγάλο φασματικό εύρος λειτουργίας), σχηματίζοντας ταυτόχρονα πολλούς ανεξάρτητους στενούς κύριους λοβούς 2° έως 3° (-3 dB), με δυνατότητα ακαριαίας στροφής (εντός μερικών nsec). Συνήθως, κάθε στοιχειοκεραία χωρίζεται σε μικρότερα υποσύνολα (subarrays / partitioning), με δυνατότητα ταυτόχρονης διεξαγωγής διαφορετικών λειτουργιών με διαφορετικές διαμορφώσεις / χαρακτηριστικά, ενώ επίσης βελτιώνονται οι δυνατότητες ECCM (EPM). Παράλληλα όμως, μπορεί να εφαρμόζεται και χρονικός καταμερισμός (timeshare, multiplex ή interleave), μεταξύ των διαφορετικών λειτουργιών της κεραίας. Έτσι, μπορεί να έχουμε την ταυτόχρονη παρακολούθηση ευρέως διαχωρισμένων στόχων, την αναζήτηση νέων ιχνών και την ενδιάμεση ή τερματική καθοδήγηση κατευθυνόμενων βλημάτων. Σε μαχητικά αεροσκάφη προσφέρεται η δυνατότητα συνθετικής χαρτογράφησης (SAR), παρακολούθησης / αποφυγής εδάφους (terrain following / avoidance), έρευνας / στοχοποίησης εναέριων ιχνών και επιφάνειας (TWS, GMTI/GMTT, κτλ), υποστήριξης επικοινωνιακών ζεύξεων δεδομένων (Gbytes/sec), προειδοποίησης απειλής (ES), κτλ. Η κατάλληλη διαμόρφωση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας επιτρέπει την ισχυρή καταστολή των ανεπιθύμητων πλευρικών λοβών, δυσκολεύοντας τις υποκλοπές RWR/ESM από τον αντίπαλο, ενώ ο συνδυασμός προηγμένης επεξεργασίας σήματος και χαμηλής ισχύος εκπομπών καθιστά το ραντάρ δύσκολο στόχο σε ηλεκτρονικές επιθέσεις (EA).[21] Η μεγάλη διαθέσιμη υπολογιστική ισχύς και οι συνεχώς εξελισσόμενοι αλγόριθμοι επεξεργασίας σήματος βελτιώνουν όλες τις λειτουργίες του ραντάρ σε πολύ μεγάλο βαθμό, μαζί με την αντοχή στις ηλεκτρονικές επιθέσεις (ΕΑ) ακόμη και από συστήματα παρεμβολέων προηγμένης γενιάς. Η ικανότητα λειτουργίας σε πολλές συχνότητες ταυτόχρονα, επιτρέπει επίσης και τη διεξαγωγή αποτελεσματικών ηλεκτρονικών παρεμβολών (jamming). Ωστόσο, επισημαίνεται ότι η δημιουργία πολλών λοβών ταυτόχρονα μειώνει την εμβέλεια του συστήματος.
Σχήμα 17: Αρχιτεκτονική τυπικής μονάδας T/R συστήματος AESA, με διπλό ενισχυτή ισχύος και διπλή είσοδο / έξοδο στην πλευρά των στοιχείων ακτινοβολίας.

  • Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των AESA, έναντι των PESA, είναι η δυνατότητα ανεξάρτητου ελέγχου του κέρδους και της φάσης, ανά στοιχείο, γεγονός που αποδίδει σημαντικά οφέλη στην τελική διαμόρφωση των λοβών, η οποία μπορεί να είναι πιο ακριβής, ως προς την επιθυμητή μορφή / λειτουργία σε διαφορετικούς λοβούς. Αυτό, παρέχει ακριβέστερα στοιχεία για τα παρακολουθούμενα ίχνη που επιτρέπουν την έγκαιρη εμπλοκή των όπλων. Επίσης,καταστέλλει αποτελεσματικότερα τους πλευρικούς λοβούς, απορρίπτοντας το clutter και τις ηλεκτρονικές παρεμβολές (EA), αλλά και επιτυγχάνοντας χαμηλή πιθανότητα υποκλοπών (LPI), καθώς οι πολύ χαμηλοί πλευρικοί λοβοί μειώνουν την πιθανότητα ανίχνευσης από δέκτες υποκλοπών (ES). Ταυτόχρονα, παρέχεται η δυνατότητα να πραγματοποιούνται σχεδιαστικοί συμβιβασμοί μεταξύ της επιπεδότητας των κυματικών μετώπων στον κύριο λοβό, έναντι του μεγέθους των πλευρικών λοβών ή τη δημιουργία μηδενισμών απόκρισης εντός του κύριου λοβού για την απόρριψη παρεμβολών. Ορισμένοι ακόμη λόγοι για τη μεγαλύτερη ικανότητα σχετικά εύκολης και αποτελεσματικότερης εφαρμογής τεχνικών χαμηλής πιθανότητας ανίχνευσης (LPI) των συστημάτων με ενεργές στοιχειοκεραίες, είναι οι εξής:
    • Μπορούν δυνητικά να κατασκευαστούν διατάξεις AESA, με πολύ μεγαλύτερο φασματικό εύρος λειτουργίας. Ο δυναμικός έλεγχος επί της συχνότητας λειτουργίας (διαφορετική συχνότητα σε κάθε παλμό με τυχαίο τρόπο ή πολλαπλές συχνότητες μέσα στον ίδιο παλμό) παρέχει τη δυνατότητα διεύρυνσης του φάσματος των εκπομπών, με ταυτόχρονη μείωση της μέγιστης εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, καθιστώντας το ραντάρ δυσκολότερα ανιχνεύσιμο από τα περισσότερα συστήματα RWR/ESM, αλλά και σχεδόν αδύνατη την ηλεκτρονική του παρεμβολή. Για παράδειγμα, ο έλεγχος της εκπεμπόμενης ενέργειας (energy ή signature management), μέσω της ταχείας αναπήδησης μεταξύ διαφορετικών συχνοτήτων FFH (Fast Frequency Hopping) μειώνει τη φασματική πυκνότητα ισχύος PSD (Power Spectral Density) και αποκρύπτει τις εκπομπές μέσα στο θόρυβο περιβάλλοντος. Με τον τρόπο αυτό, μειώνονται οι πιθανότητες εντοπισμού, παρακολούθησης και επακόλουθης διεξαγωγής παρεμβολών από τον αντίπαλο. Το μεγαλύτερο φασματικό εύρος διευκολύνει / επιτρέπει επίσης και την υλοποίηση λειτουργιών ηλεκτρονικής επίθεσης (ΕΑ).
    • Για τις ίδιες επιδόσεις εντοπισμού, τα συστήματα AESA διαθέτουν υψηλότερη τιμή duty cycle και χαμηλότερη ισχύ κορυφής. Επίσης, δεν έχουν σταθερή συχνότητα επανάληψης παλμών.
    • Τέλος, για δεδομένο στόχο και απόσταση είναι δυνατό να αυξομειώνεται αυτόματα η εκπεμπόμενη ισχύς κορυφής.
  • Η σημαντικά αυξημένη αξιοπιστία του συστήματος εκπομπής σημαίνει πολύ μεγαλύτερη διαθεσιμότητα του ραντάρ. Οι υψηλότερες τάσεις λειτουργίας που χρησιμοποιούν τα παλαιότερα ραντάρ (ακόμη και των παθητικών στοιχειοκεραιών), όσο και η μηχανική κίνηση της κεραίας (των συμβατικών συστημάτων) περιόριζαν σημαντικά την επιχειρησιακή τους διαθεσιμότητα. Σήμερα, οι αυξημένες δυνατότητες των ραντάρ AESA οφείλονται στη μεταφορά πολλών λειτουργιών από το φυσικό (υλικό) επίπεδο του συστήματος, στο λογισμικό, από το οποίο όμως οι απαιτήσεις είναι εξαιρετικά αυξημένες. Έτσι, θέματα αξιοπιστίας που παλαιότερα αφορούσαν αστοχίες και φθορές εξαρτημάτων (TWT, κυματοδηγοί, τροφοδοσία υψηλής τάσης, μηχανική κίνηση κεραίας, κτλ), τώρα έχουν μεταφερθεί κυρίως στο λογισμικό, μετατρέποντας το πρόβλημα διαθεσιμότητας του συστήματος λόγω αστοχιών υλικού, σε πρόβλημα αξιόπιστης λειτουργίας λογισμικού, το οποίο όμως εφόσον απαιτηθεί θεωρείται εύκολα αναβαθμιζόμενο. Η βλάβη / αστοχία αριθμού μονάδων T/R, απλά υποβαθμίζει τις επιδόσεις της διάταξης, σε αντίθεση με μια συστοιχία PESA όπου η αστοχία / βλάβη του πομπού θέτει ολόκληρο το σύστημα εκτός λειτουργίας. Καταστροφική βλάβη ενός συστήματος AESA, μπορεί να προκύψει μόνον όταν αποτύχει κάποιο κοινό υποσύστημα, όπως ένα τροφοδοτικό ή ένας ελεγκτής κατεύθυνσης δέσμης BSC (Beam Steering Controller).

Τα συστήματα AESA παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα στις περισσότερες εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων, αλλά δεν αποτελούν πανάκεια για όλες τις περιπτώσεις. Από τα μειονεκτήματα των AESA, είναι η πολυπλοκότητα και το κόστος ανάπτυξης. Επίσης, ανάλογα με την εφαρμογή, μπορεί το βάρος και ο όγκος να αποτελούν σημαντικές παραμέτρους, όπως επίσης η κατανάλωση ρεύματος και η ψύξη, σε βαθμό που τα εν λόγω συστήματα να μη μπορούν να ενσωματωθούν σε μικρότερες πλατφόρμες. Οι περιορισμοί πυκνότητας ισχύος των ημιαγωγών εξαρτημάτων και της ψύξης των μονάδων T/R, μπορεί να θέτουν αυστηρά όρια στην αύξηση των επιδόσεων των συστημάτων AESA. Τα AESA, από πλευράς λογισμικού και υλικού έχουν υψηλές απαιτήσεις επεξεργασίας σε πραγματικό χρόνο, παρουσιάζοντας πολλές μοναδικές προκλήσεις και ενδεχόμενες λειτουργικές αστοχίες.

Επίσης, από την άποψη των επιδόσεων μη επεξεργασμένου κέρδους (raw gain), τα συστήματα AESA αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της μείωσης του ενεργού διαφράγματος της κεραίας για στόχους που βρίσκονται πολύ πέραν του κεντρικού της άξονα, καθώς επίσης και τα σκληρά όρια ηλεκτρονικής κατεύθυνσης μέχρι γωνιακές κατευθύνσεις μεταξύ 45° και 70°. Τα εν λόγω συστήματα υποφέρουν επίσης από εγγενείς περιορισμούς, που προκύπτουν από φαινόμενα κάλυψης διαφράγματος (aperture fill) και κατεύθυνσης πλευρικών λοβών, τα οποία επηρεάζουν όλες τις εφαρμογές απαιτήσεων υψηλού εύρους μπάντας. Σε πολλές εφαρμογές, η μόνη λύση συμβατή επίσης και με την απαίτηση χαμηλής δομικής ραδιοδιατομής (RCS) της κεραίας, είναι η χρήση πολλαπλών διατάξεων AESA, με συνακόλουθες κυρώσεις σε κόστος, πολυπλοκότητα, βάρος, όγκο και ψύξη. Παράδειγμα αποτελούν οι πλευρικές συστοιχίες του μαχητικού Su-57 (T-50 PAK-FA) και οι προγραμματισμένες αλλά ποτέ τοποθετημένες του F-22A.

Σε μια πλήρως ψηφιακή αρχιτεκτονική μεγάλης στοιχειοκεραίας, κάθε T/R module διαθέτει το δικό του μετατροπέα ADC και DAC, οπότε η διάταξη ομοιάζει περισσότερο με πολύπλοκο ψηφιακό δίκτυο κατανομής σημάτων (δεδομένων και ελέγχου), βασιζόμενο σε δικτυακές τεχνολογίες όπως Gigabit Ethernet (1000BASE-T / IEEE 802.3ab), InfiniBand, κτλ (χιλιάδες διασυνδεδεμένα MMICs, σε ρυθμό πολυπλεξίας δεδομένων της τάξης του Gbps).[22] Τα T/R modules διεξάγουν αναλογικές λειτουργίες ενίσχυσης, φιλτραρίσματος και ενδεχομένως φασικής ολίσθησης, όμως η κύρια λειτουργία του κατάλληλου συνδυασμού των επιμέρους σημάτων, της διανομής τους και του σχηματισμού των επιθυμητών λοβών διεξάγονται στο ψηφιακό πεδίο, μέσω κυκλωμάτων FPGA (Field Programmable Gate Arrays) ή ASIC (Application Specific Integrated Circuits).

Σχήμα 18: Τυπικές λειτουργίες ενός ενεργού συστήματος MFR, με ανεξάρτητες κεραίες εκπομπής και λήψης (συνήθως για πρακτικούς λόγους χρησιμοποιείται κοινή κεραία). Η επιλογή χρήσης όμως ανεξάρτητων κεραιών διαφορετικού μεγέθους και κέρδους, για εκπομπή/λήψη παρέχει κάποια πλεονεκτήματα μεγαλύτερης ευελιξίας και βελτιστοποίησης της κάθε απεικονιζόμενης RF λειτουργίας (έρευνας & παρακολούθησης ραντάρ, επικοινωνιακών ζεύξεων, κτλ), ιδιαίτερα στην περίπτωση της απαίτησης ταυτόχρονης λειτουργίας ηλεκτρονικών υποκλοπών (ES) και ηλεκτρονικών παρεμβολών (EA), για τις οποίες απαιτείται σημαντική μεταξύ τους απομόνωση. Επίσης, θα μπορούσε να επιλεγεί κεραία λήψης τεχνολογίας GaAs, με χαμηλότερου θορύβου ευρέως φάσματος ενισχυτές LNA, ενώ για την εκπομπή μια ανεξάρτητη κεραία τεχνολογίας GaN, με ενισχυτές HPA πενταπλάσιας ισχύος εξόδου για παρόμοιου μεγέθους chip.

Η επιλογή λειτουργίας των στοιχείων ακτινοβολίας σε ομάδες (subarrays), ιδιαίτερα όταν αυτές είναι σχετικά μεγάλες, μειώνει την ευελιξία ταυτόχρονης και δυναμικά μεταβαλλόμενης ψηφιακής δημιουργίας πολλαπλών λοβών λήψης από διαφορετικές κατευθύνσεις για την υποστήριξη των διαφόρων λειτουργιών (κάθε ομάδα σχηματίζει έναν και μοναδικό λοβό λήψης). Η εφαρμογή υβριδικού beamforming αποτελεί εναλλακτική επιλογή, για βελτιωμένη ευελιξία με μειωμένο πλήθος γεννητριών κυματομορφών (DWG) και ψηφιακών δεκτών. Για παράδειγμα, η χρήση αναλογικού beamforming με βάση κάποιον πίνακα Butler κατά την εκπομπή επιτρέπει τη δυναμική κατεύθυνση των κύριων λοβών.

Τα ενεργά συστήματα AESA είναι περισσότερο συμβατά με τη λειτoυργία των παλμικών ραντάρ Doppler. Ειδικότερα, δεν χρησιμοποιούν φασικές ολισθήσεις, με τρόπο όπως στις αντίστοιχες διατάξεις παθητικής σάρωσης, όπου εισάγεται θόρυβος φάσης (FM) που υποβαθμίζει την επιδιωκόμενη καταπίεση του clutter από τη λειτουργία Doppler.

Σχήμα 19: Παράδειγμα αρχιτεκτονικής συστήματος MFR, με ενεργές στοιχειοκεραίες. Τα T/R στοιχεία διαθέτουν παράλληλα ζωνοπερατά φίλτρα σε 3 διαφορετικές συχνότητες μέσα στη μπάντα 2.7-2.9 GHz, στα οποία εφαρμόζονται διαφορετικοί συντελεστές ζύγισης πλάτους και φάσης για τον ανεξάρτητο σχηματισμό και στροφή τριών διαφορετικών ομάδων κυρίων λοβών. Οι δύο ομάδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την τρισδιάστατη επιτήρηση του χώρου, ενώ η τρίτη ομάδα για την παρακολούθηση και το χαρακτηρισμό των στόχων. Η επικαλυπτόμενη υποσυστοιχία συνδυάζει τα σήματα από τα T/R στοιχεία, με τρόπο ώστε οι έξοδοι να ψηφιοποιούνται και να επεξεργάζονται για να σχηματίζουν πολλαπλές παράλληλες δέσμες λήψης για κάθε συχνοτικό κανάλι. Σε γωνιακές περιοχές του χώρου στις οποίες δεν απαιτείται η μέγιστη ευαισθησία της συστοιχίας, το διάγραμμα εκπομπής μπορεί να φωτίσει πολλαπλής ανάλυσης τμήματα τα του χώρου. Οι παράλληλες ψηφιακές δέσμες λήψης μέγιστης ανάλυσης, μπορούν να υποστηρίξουν ταχύτερη σάρωση, διατηρώντας τη γωνιακή ανάλυση.

Σχήμα 20: Διάγραμμα του συστήματος διαχείρισης πόρων των AESA/MFR ραντάρ Kronos της Leonardo.

Ένα ενεργό σύστημα AESA/MFR υλοποιεί περίπλοκους μαθηματικούς αλγόριθμους επεξεργασίας σημάτων (σχηματισμού λοβών και χρονικού καταμερισμού της διατιθέμενης ενέργειας εκπομπής), ενώ διαθέτει υψηλή υπολογιστική ισχύ, ικανή να αντεπεξέρχεται στις πολλαπλές ταυτόχρονες λειτουργίες που απαιτούνται (πχ επιτήρηση, παρακολούθηση, καταπίεση jamming,[23] κ.τ.λ.), χωρίς το σύστημα να φθάνει σε υπερφόρτωση. Πάντως, τα συστήματα αυτά μπορούν να παρακολουθούν ταυτόχρονα πολλούς στόχους (ακόμη και ελικόπτερα σε αιώρηση), χωρίς ιδιαίτερη δυσκολία, καθώς επίσης να εντοπίζουν αποτελεσματικότερα κατευθυνόμενα βλήματα και χαμηλά ιπτάμενους στόχους με χαρακτηριστικά stealth (κυρίως λόγω της επιτυγχανόμενης υψηλής τιμής ERP). Η ανάπτυξη των ραντάρ έχει πλέον επικεντρωθεί στην τεχνολογία AESA, αφού μπορεί να υποστηρίξει αποτελεσματικότερα τη δυνατότητα σχηματισμού πολλαπλών ανεξάρτητων κύριων λοβών που επιτελούν πολλές διαφορετικές λειτουργίες, ταυτόχρονα. Το λογισμικό ενός συστήματος διαχείρισης πόρων RAM (Resource Allocation Manager) ελέγχει το διατιθέμενο hardware για τη βέλτιστη, αποδοτικότερη αξιοποίηση όλων των δυνατοτήτων και λειτουργιών, με βάση τις δυναμικά μεταβαλλόμενες προτεραιότητες, ανάλογα με το επιχειρησιακό σενάριο και το περιβάλλον.

Μια συστοιχία AESA μπορεί να χωριστεί σε υποσυστοιχίες (subarrays), με σκοπό  τον προσαρμοστικό σχηματισμό λοβών, όπως επίσης και τη δημιουργία πολλαπλών ανεξάρτητων λοβών, οι οποίοι μπορούν να παρεμβάλλονται μεταξύ τους χρονικά, επιτρέποντας την υποστήριξη πολλαπλών ταυτόχρονων λειτουργιών (modes), όπως έρευνα και παρακολούθηση στόχων αέρος και επιφανείας, παρακολούθησης κινούμενων στόχων εδάφους, χαρτογράφησης SAR, κτλ. Αυτό, για παράδειγμα σημαίνει, ότι σε ένα διθέσιο μαχητικό αεροσκάφος, όπως το F/A-18F Super Hornet της Boeing, ο πιλότος στο μπροστινό πιλοτήριο μπορεί να αναλάβει μια εργασία αέρος-αέρος, ενώ ο αξιωματικός οπλικών συστημάτων στο πίσω πιλοτήριο να διεξάγει ταυτόχρονα μια επίθεση αέρος-εδάφους, με το ραντάρ AESA του αεροσκάφους να υποστηρίζει και τα δύο έργα.

Το ραντάρ AESA ενός μαχητικού αεροσκάφους, συνήθως διεξάγει σάρωση τύπου ράστερ, χρησιμοποιώντας σχετικά στενό κύριο λοβό υψηλής ισχύος, με πολύ υψηλό ρυθμό σάρωσης και μειωμένη καθυστέρηση. Επειδή όμως μπορεί να παράγει πολλαπλούς λοβούς, δεν χρειάζεται να περιμένει τον ίδιο λοβό να επιστρέψει στον ίδιο στόχο, αλλά μπορεί να δώσει προτεραιότητα και να σαρώνει την περιοχή γύρω από την πρώτη ανίχνευση, δημιουργώντας γρήγορα πληροφορίες ίχνους υψηλότερης ποιότητας σε μεγαλύτερη εμβέλεια. Εναλλακτικά, μπορεί ένας λοβός να διατηρείται συνεχώς πάνω σε κάποιο στόχο αντί να επιστρέφει σε αυτόν με κάθε σάρωση ράστερ, ενώ άλλοι λοβοί σαρώνουν διαφορετικές περιοχές. Αυτό, βελτιώνει την ανάλυση και επιτρέπει τη συνεχή παρακολούθηση πολλαπλών στόχων ή την παρακολούθηση χωρικά διαχωρισμένων στόχων, χωρίς καμία υποβάθμιση των επιδόσεων του ραντάρ.

Οι παλαιότερες παθητικές συστοιχίες και ιδιαίτερα όσες εφάρμοζαν αναλογικές τεχνικές beamforming βασίζονται περισσότερο στην ύπαρξη αλγορίθμων χρονικού καταμερισμού (time multiplexing / sharing), τυπικά μιας και μοναδικής κύριας δέσμης (λοβού) για την αυτοματοποιημένη και προσαρμοζόμενη διεξαγωγή όλων των επιτελουμένων λειτουργιών (έρευνας, παρακολούθησης, midcourse guidance uplinks, κτλ), ανάλογα με την τακτική κατάσταση και με βάση τον περιοριστικό παράγοντα ισολογισμού / προϋπολογισμού χρόνου – ενέργειας TEB (Time – Energy Budget).

Στα μοντέρνα συστήματα MFR / AESA πολλαπλών λοβών, το πρόβλημα προγραμματισμού των εργασιών / λειτουργιών αφορά σε αυτές που ονομάζονται εργασίες περιορισμού αυστηρού χρόνου (hard time constraint), οι οποίες δεν μπορούν να καθυστερήσουν την επεξεργασία τους περισσότερο από κάποια θετική σταθερά και σε αυτές που ονομάζονται εργασίες περιορισμού ήπιου χρόνου (soft time constraint), που μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία ανά πάσα στιγμή.

Σχήμα 22: Στοιχείο ακτινοβολίας διπλής ορθογώνιας πόλωσης Vivaldi (flared notch). Τα δύο μεταλλικά χοανοστοιχεία είναι τυπωμένα πάνω σε διηλεκτρικό υπόστρωμα.

Πολλά συστήματα ραντάρ AESA/MFR έχουν τη δυνατότητα μετάδοσης δεδομένων με εξαιρετικά υψηλούς ρυθμούς διαμεταγωγής προς άλλα ραντάρ ή σταθμούς εδάφους, δημιουργώντας ένα δίκτυο επικοινωνιακών ζεύξεων υψηλής ταχύτητας. Διαθέτουν ακόμη και δυνατότητες ηλεκτρονικών υποκλοπών (ES) και ηλεκτρονικής επίθεσης (ΕΑ), όπου το ραντάρ συγκεντρώνει την ισχύ εκπομπής του εναντίον ενός αντίπαλου ραντάρ, δρώντας ως ισχυρός, κατευθυντικός ηλεκτρονικός παρεμβολέας.

Όσον αφορά στα ίδια τα στοιχεία ακτινοβολίας υπάρχει μεγάλη ποικιλία σχεδιαστικών επιλογών, με ιδιαίτερη προτίμηση στα διπλής πόλωσης και ευρέως φάσματος λειτουργίας. Χαρακτηριστικά της κατηγορίας είναι τα λεγόμενα στοιχεία Vivaldi (flared notch), τα οποία μεταξύ των άλλων επιτυγχάνουν και σχετικά ικανοποιητική προσαρμογή των εμπεδήσεων. Το φασματικό εύρος λειτουργίας των στοιχείων καθορίζεται κυρίως από τις διαστάσεις τους και ειδικότερα από το λόγο h/d, όπου d η απόσταση μεταξύ των στοιχείων. Το μέγιστο στιγμιαίο φασματικό εύρος 10:1 (πχ 2-20 GHz ή 4 – 40 GHz) επιτυγχάνεται για h/d ≈ 5. Ωστόσο, η απαίτηση συνολικής φασματικής κάλυψης 0.5–40 GHz για τις λειτουργίες των ναυτικών MFR, υποχρεώνει στη χρήση πολλαπλών διατάξεων AESA.

Με δεδομένους τους φασματικούς περιορισμούς των διαφόρων εξαρτημάτων (HPA, LNA, ADC, στοιχεία ακτινοβολίας, κτλ), μια εναλλακτική επιλογή είναι η χρήση διατάξεων AESA διπλής πόλωσης και διπλής μπάντας λειτουργίας (Dual Band Array), πχ S και X-band. Οι αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων ακτινοβολίας επιλέγονται με τρόπο ώστε να αποφεύγεται η δημιουργία λοβών αντιγράφων (grating lobes), στην κάθε μπάντα. Τα συγκεκριμένα στοιχεία αποτελούνται από μεταλλικά ελάσματα, τυπωμένα στις διαφορετικές πλευρές τεσσάρων στοιβαγμένων διηλεκτρικών υποστρωμάτων. Η απόσταση διαχωρισμού μεταξύ των στοιβαγμένων υποστρωμάτων επιλέγεται για τη βελτιστοποίηση του φασματικού εύρους λειτουργίας των στοιχείων. Κάθε στοιχείο X-band περιλαμβάνει δύο στοιβαγμένα ελάσματα ρομβοειδούς σχήματος, το ένα ενεργό και το άλλο παρασιτικό. Για την υλοποίηση της διπλής ορθογώνιας πόλωσης υπάρχουν δύο θύρες τροφοδοσίας στο ενεργό έλασμα στις γειτονικές γωνίες. Κάθε στοιχείο S-band αποτελείται από στοιβαγμένα ελάσματα που περιλαμβάνουν δύο τροποποιημένα στοιχεία σύζευξης τροφοδοσίας, το ένα ενεργό και το άλλο παρασιτικό. Και τα δύο αυτά ελάσματα φέρουν διατρήσεις, για την έκθεση των τεσσάρων ρομβοειδών στοιχείων X-band που βρίσκονται κάτω από κάθε στοιχείο S-band. Το φασματικό εύρος των στοιχείων S-band και X-band είναι 0.6 GHz και 2.7 GHz, σε συχνότητες λειτουργίας 2.8–3.4 GHz και 9.0–11.7 GHz, αντίστοιχα. Ο συντελεστής ανάκλασης RF των στοιχείων ακτινοβολίας είναι <−10 dB στις εν λόγω συχνότητες.

Σχήμα 23: Τυπική γεωμετρία διάταξης AESA διπλής μπάντας (Dual-Band Array).

Σχήμα 24: Γεωμετρία μιας πολυφασματικής συστοιχίας (wavelength scaled array) AESA, τριών φασματικών ζωνών, πχ από έξω προς τα μέσα, 2.14, 4.28 και 8.56 GHz. Η αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων είναι διπλάσια για την κάθε χαμηλότερη γειτονική ζώνη, ενώ ταυτόχρονα αποφεύγεται η δημιουργία λοβών αντιγράφων (grating lobes) σε κάθε ζώνη.

Για την αποφυγή δημιουργίας λοβών αντιγράφων (grating lobes) σε γωνίες σάρωσης έως και ±60°, τα στοιχεία ακτινοβολίας θα πρέπει να απέχουν μεταξύ τους 0.54λg, όπου λg είναι το μήκος κύματος της υψηλότερης συχνότητας λειτουργίας. Αυτό σημαίνει ότι για μια ευρείας μπάντας 10:1 συστοιχία AESA απαιτείται πολύ μεγαλύτερος αριθμός στοιχείων από τον πραγματικά απαιτούμενο για τις χαμηλότερες συχνότητες, έως και 10 φορές. Για την κάλυψη στιγμιαίας φασματικής μπάντας 10:1, μέσα στο εύρος 1 – 10 GHz, θα έχουμε μέγεθος πλευράς συστοιχίας 7.6 m για τη δημιουργία λοβού  γωνιακού εύρους 2° στο 1 GHz (L-band), σε λειτουργία έρευνας χώρου (VS). Για την αποφυγή δημιουργίας λοβών αντιγράφων στα 10 GHz απαιτούνται 220 χιλιάδες στοιχεία σε μεταξύ τους αποστάσεις 0.54λg. Επειδή ο αριθμός αυτός δεν είναι πρακτικά υλοποιήσιμος, είναι δυνατό το συνολικό φασματικό εύρος να υποδιαιρεθεί σε μικρότερες ζώνες με τη δική του συστοιχία AESA το καθένα (όπου οι διατάξεις χαμηλότερων συχνοτήτων θα διαθέτουν λιγότερα στοιχεία σε μεγαλύτερες μεταξύ τους αποστάσεις) ή μπορεί να εφαρμοσθεί μια γεωμετρία πολυφασματικής συστοιχίας (wavelength scaled array) με πολλές φασματικές ζώνες (όπου οι ζώνες χαμηλότερων συχνοτήτων θα διαθέτουν λιγότερα στοιχεία σε μεγαλύτερες μεταξύ τους αποστάσεις). Θεωρώντας για παράδειγμα τρεις φασματικές ζώνες μιας πολυφασματικής συστοιχίας, για την κάλυψη εύρους 1–10 GHz, 1–5 GHz και 1–2.5 GHz, το πλήθος των απαιτούμενων στοιχείων θα είναι 6 φορές μικρότερο.

Σε ένα σύγχρονο ναυτικό σύστημα ραντάρ απαιτείται η χρήση εξελιγμένων τεχνικών επεξεργασίας και η υποστήριξη πολλαπλών λειτουργιών (ναυτιλίας / πλοήγησης, ανίχνευσης και παρακολούθησης απειλών, κ.τ.λ.), σε διαφορετικές συχνότητες ή ακόμη και σε διαφορετικές μπάντες συχνοτήτων,  ταυτόχρονα. 

Για την υποστήριξη προηγμένων τεχνολογιών ψηφιακής επεξεργασίας, όπως πχ ψηφιακής διαμόρφωσης λοβών σε συστήματα AESA, απαιτούνται  κανάλια πολλαπλής εισόδου πολλαπλής εξόδου MIMO (Multiple-Input & Multiple-Output) και μεγάλο φασματικό εύρος. Στα περισσότερα συστήματα συμβατικών ραδιοεπικοινωνιών, μόνον ένας περιορισμένος αριθμός καναλιών είναι διαθέσιμος. Έτσι, η τεχνολογία MIMO SDR (Software Defined Radio) παρέχει πολλαπλά κανάλια επιτρέποντας την εύκολη εφαρμογή νέων και αναδυόμενων ψηφιακών τεχνικών επεξεργασίας, που είναι δύσκολο να υποστηριχθούν από τα παραδοσιακά συστήματα ραδιοεπικοινωνίας. Επίσης, οι πλατφόρμες SDR είναι εξαιρετικά ευέλικτες, χρησιμοποιούν επαναπροσδιορίσιμα στοιχεία που βασίζονται σε λογισμικό και μπορούν να αναβαθμίζονται χωρίς να χρειάζεται τροποποίηση το υφιστάμενο υλικό. Το γεγονός αυτό, τις καθιστά κατάλληλες για εφαρμογές, στις οποίες είναι απαραίτητο να ενσωματωθούν πολλαπλά παλαιού τύπου συστήματα.

Για την ψηφιακή διαμόρφωση των λοβών ακτινοβολίας και την εφαρμογή προηγμένων τεχνολογιών ψηφιακής επεξεργασίας, οι πλατφόρμες SDR προσφέρουν πολλαπλά κανάλια RF (τυπικά έως και 16). Επιπλέον, σε αντίθεση με τις συμβατικές λύσεις, οι πλατφόρμες SDR μπορούν να λειτουργούν σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων, πχ από DC έως 18 GHz. Η τεχνολογία SDR χρησιμοποιεί επαναδιαμορφώσιμα κυκλώματα FPGA (Field Programmable Gate Arrays) για την εκτέλεση υπολογισμών, καθιστώντας τα ευέλικτα και διαλειτουργικά με διαφορετικά συστήματα ραντάρ. Επιπλέον, επιτυγχάνονται υψηλές επιδόσεις με υψηλή ροή σε μηχανές υποδοχής (host machines) και εξαιρετικά γρήγορες ταχύτητες έως και 40 Gbps. Εκτός από ευελιξία, οι πλατφόρμες SDR προσφέρουν εξαιρετική ευαισθησία, εντυπωσιακό δυναμικό εύρος και σημείο IIP3 (third-order input intercept point).[24] Επιπλέον, προσφέρουν υψηλή αντοχή σε κραδασμούς, μεταβολές θερμοκρασίας και λοιπών καιρικών συνθηκών. Αν και η τεχνολογία SDR είναι εξαιρετικά ευέλικτη και κατάλληλη σε ευρύ φάσμα εφαρμογών, ορισμένες περίπλοκες διαδικασίες στις οποίες οι επιδόσεις έχουν μεγαλύτερη σημασία από την ευελιξία απαιτούν αποκλειστικό, εξειδικευμένο εξοπλισμό RF. Έτσι, πολλές φορές χρησιμοποιούνται ολοκληρωμένα κυκλώματα ειδικών εφαρμογών ASIC (Application Specific Integrated Circuits). Αν και τα ASIC είναι συνήθως υψηλότερου κόστους σε σύγκριση με τα FPGA, είναι όμως πιο γρήγορα και καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια.

Πίνακας 4: Τεχνικές και λειτουργικές παράμετροι τυπικού επίγειου συστήματος MFR / AESA

Για την ψηφιακή διαμόρφωση των λοβών ακτινοβολίας και την εφαρμογή προηγμένων τεχνολογιών ψηφιακής επεξεργασίας, οι πλατφόρμες SDR προσφέρουν πολλαπλά κανάλια RF (τυπικά έως και 16). Επιπλέον, σε αντίθεση με τις συμβατικές λύσεις, οι πλατφόρμες SDR μπορούν να λειτουργούν σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων, πχ από DC έως 18 GHz. Η τεχνολογία SDR χρησιμοποιεί επαναδιαμορφώσιμα κυκλώματα FPGA (Field Programmable Gate Arrays) για την εκτέλεση υπολογισμών, καθιστώντας τα ευέλικτα και διαλειτουργικά με διαφορετικά συστήματα ραντάρ. Επιπλέον, επιτυγχάνονται υψηλές επιδόσεις με υψηλή ροή σε μηχανές υποδοχής (host machines) και εξαιρετικά γρήγορες ταχύτητες έως και 40 Gbps. Εκτός από ευελιξία, οι πλατφόρμες SDR προσφέρουν εξαιρετική ευαισθησία, εντυπωσιακό δυναμικό εύρος και σημείο IIP3 (third-order input intercept point).[24] Επιπλέον, προσφέρουν υψηλή αντοχή σε κραδασμούς, μεταβολές θερμοκρασίας και λοιπών καιρικών συνθηκών.

Αν και η τεχνολογία SDR είναι εξαιρετικά ευέλικτη και κατάλληλη σε ευρύ φάσμα εφαρμογών, ορισμένες περίπλοκες διαδικασίες στις οποίες οι επιδόσεις έχουν μεγαλύτερη σημασία από την ευελιξία απαιτούν αποκλειστικό, εξειδικευμένο εξοπλισμό RF. Έτσι, πολλές φορές χρησιμοποιούνται ολοκληρωμένα κυκλώματα ειδικών εφαρμογών ASIC (Application Specific Integrated Circuits). Αν και τα ASIC είναι συνήθως υψηλότερου κόστους σε σύγκριση με τα FPGA, είναι όμως πιο γρήγορα και καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια.

Συμπερασματικά, η συνεχής πρόοδος σε προηγμένα υλικά, διαδικασίες και τεχνολογίες κατασκευής MMIC, η εξέλιξη της τεχνολογίας συσκευασίας και η εκθετική ανάπτυξη των ψηφιακών κυκλωμάτων παρέχουν πολλές δυνατότητες για τις μελλοντικές σχεδιάσεις συστημάτων AESA. Από τις πιο πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις που μεταξύ άλλων αφορούν και σε συστήματα φασικών στοιχειοκεραιών, είναι συνοπτικά οι ακόλουθες:

• Συστοιχίες που χρησιμοποιούν μετατοπιστές φάσης μικροηλεκτρομηχανικών στοιχείων MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).

• Τεχνολογία 3D micromachining για διασυνδέσεις και MEMS, χαμηλών απωλειών, κατανάλωσης (<1 mW) και κόστους.

• Ραντάρ πολύ χαμηλού κόστους, ενεργούς φασικής συστοιχίας 24 GHz, για αυτοκίνητα, UAV, κινητά τηλέφωνα ρολογιών.

• Ακραίων επιδόσεων κυκλώματα MMIC, για συστοιχίες έως και 256 στοιχείων μέσα σε μεμονωμένα τσιπ τεχνολογίας SiGe/BiCMOS, στα 60 GHz. Εφαρμογές στην κινητή τηλεφωνία 5G, κτλ.

• Ενιαία τσιπ SiGe χαμηλού κόστους, με βάση το πυρίτιο.

• Συστοιχίες με στιγμιαίο εύρος ζώνης από 10:1 έως 33:1. Χρήση μικρών κεραιών <λ/50, χαμηλού προφίλ, με φασματικό εύρος λειτουργίας 20:1.

• Αύξηση του δυναμικού εύρους των δεκτών, άνω των 20 dB, μέσω βελτιωμένης γραμμικότητας A/D και μειωμένης ενδοδιαμόρφωσης.

• Εκμετάλλευση χαμηλού κόστους μετα-υλικών, σε εξαρτήματα παθητικών στοιχειοκεραιών, σε δορυφορικές διαδικτυακές επικοινωνίες (στα 10-15 GHz), σε πύργους κινητής τηλεφωνίας, αυτοκίνητα και UAV ραντάρ. Μετα-υλικά, δηλαδή τεχνητά υλικά με ιδιότητες που δεν συναντώνται στη φύση, χρησιμοποιούνται για την απορρόφηση και απόκρυψη ευρείας φασματικής ζώνης.

• Πιθανή μελλοντική διατήρηση του νόμου του Moore (διπλασιασμός κάθε δύο χρόνια του πλήθους των transistors στα microchip), μέσω τεχνολογίας spintronics (spin transport electronics),[25] memristors (memory resistors),[26] χρήση γραφενίου (ταχύτητα ρολογιών THz)[27] και κβαντικών υπολογιστών.[28] Ως συνέπεια, τα κυκλώματα ραντάρ μειώνονται σε μέγεθος, γεγονός που επιτρέπει συγκριτικά μεγαλύτερη λειτουργικότητα και επιδόσεις σε συστήματα που έχουν σχεδιαστεί για μικρότερα σκάφη (κορβέτες και περιπολικά), από ό,τι αυτό θα μπορούσε να ήταν δυνατό πριν από μια δεκαετία.

• Η ανάπτυξη του hardware παράλληλης επεξεργασίας επηρεάζει τα ραντάρ όλων των κατηγοριών, παρέχοντας άφθονη ικανότητα εκτέλεσης υπολογισμών κινητής υποδιαστολής. Τα τσιπ γενικού σκοπού σε μονάδες επεξεργασίας γραφικών GPGPU (General-Purpose computing on Graphics Processing Units) έχουν εύρος ζώνης εσωτερικής μνήμης που υπερβαίνει τα 100 Gigabyte/sec και συχνά πάνω από 500 βελτιστοποιημένους πυρήνες επεξεργασίας κινητής υποδιαστολής (σε ένα μόνον τσιπ). Η αύξηση της πυκνότητας σε αυτήν την τεχνολογία θα αποφέρει μεγαλύτερους αριθμούς πυρήνων και υψηλότερα εύρους ζώνης μνήμης, επιτρέποντας αλγόριθμους επεξεργασίας σημάτων και δεδομένων που είναι επί του παρόντος υπολογιστικά ανέφικτοι σε εφαρμογές σε πραγματικό χρόνο.

• Υποστήριξη της λειτουργίας των κβαντικών ραντάρ, για την αντιμετώπιση στόχων stealth.

• Διάδοση γνωστικών τεχνικών Cognitive Adaptive Array Processing (CAAP), που παρέχουν πλήρη προσαρμοστική επεξεργασία, χωρίς μεγάλη υπολογιστική πολυπλοκότητα. Οι τεχνικές εφαρμόζονται σε προσαρμοζόμενες συστοιχίες χώρου-χρόνου STAP (Space-Time Adaptive Arrays), οι οποίες σχετίζονται και με την τεχνική μετατοπισμένων κέντρων φάσης DPCA (Displaced Phase Center Antenna), όπως επίσης και σε ηλεκτρονικούς παρεμβολείς. Οι νεότερης τεχνολογίας FPGAs βοηθούν σημαντικά προς την κατεύθυνση αυτή.

• Τεχνολογία GaN, υψηλότερης απόδοσης και δεκαπλάσιας ισχύος, η οποία θα επιτρέπει ισχύ κορυφής >1000 W σε πακέτα του ενός transistor.

• Χαμηλού κόστους, εκτυπωμένα μικροκυματικά ηλεκτρονικά, πχ ημιαγωγοί δίοδοι 1.6 GHz.

• Ηλεκτρικά και οπτικά σήματα μέσα στο ίδιο τσιπ, για τη μεταφορά δεδομένων με την ταχύτητα του φωτός.

• Βιοδιασπώμενες διατάξεις, ενσωματωμένες κάτω από το ανθρώπινο δέρμα, για την ανίχνευση καρκίνων ή χαμηλής γλυκόζης.

• Νέα ραντάρ πολλαπλών εισόδων και πολλαπλών εξόδων MIMO (Multiple Input Multiple Output), συνδυαζόμενα με υπάρχοντα ραντάρ, για αυξημένες επιδόσεις και πιθανές εφαρμογές OTH (Over-the-Horizon), εμπορικά ραντάρ αυτοκινήτων, κτλ. Οι φασικές στοιχειοκεραίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε τεχνικές MIMO, όπου τα ίδια δεδομένα μεταδίδονται με πολλές κεραίες, μέσω διαφορετικών διαδρομών στο ίδιο φασματικό εύρος. Με τον τρόπο αυτό, κάθε σήμα παίρνει μια ελαφρά διαφορετική διαδρομή προς τις κεραίες λήψης, επιτυγχάνοντας λιγότερες διαλλείψεις (fading) και μεγαλύτερη αξιοπιστία δεδομένων. Επίσης, η τεχνική MIMO πολλαπλασιάζει το ρυθμό δεδομένων ανάλογα με το πλήθος των κεραιών εκπομπής και λήψης.

Σχήμα 25: Ενεργή διάταξη κεραίας 5G (24-26 GHz). Το chip AWMF-0139 της Anokiwave περιέχει τέσσερις μονάδες κεραίας. Τα εν λόγω chip τοποθετούνται στο πίσω μέρος της πλακέτας (PCB), ενώ τη διάταξη κεραίας τυπωμένων στοιχείων (patch array) βρίσκεται στο μπροστινό μέρος. Εδώ, απεικονίζονται 64 από αυτά τα chips, τα οποία σχηματίζουν διάταξη 4 x 64 = 256 στοιχείων. Παρόμοιο ολοκληρωμένο είναι το ADAR1000 της Analog Devices.

Ως γενική αρχή, στις υψηλότερες συχνότητες οι κεραίες είναι μικρότερες. Οι συνδέσεις από τα αντίστοιχα ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC) με τις κεραίες προκαλούν προβλήματα μη προσαρμοσμένης ηλεκτρικής εμπέδησης (σύνθετης αντίστασης), μείωσης της απόδοσης και του φασματικού εύρους. Όσο μικρότερες και λιγότερο ανεκτικές είναι οι φυσικές δομές, τόσο πιο εύκολο είναι το ταίριασμα μιας κεραίας στο τσιπ, σε σύγκριση με μια κεραία σε πλακέτα (PCB).

Η σύνδεση εξωτερικών κεραιών σε συσκευασμένα πακέτα IC, ειδικά για τις πολύ υψηλές συχνότητες αποτελεί πρόκληση, αφού οι απώλειες μετάδοσης είναι μεγάλες (δεν συναντώνται εύκολα σε υλοποιήσεις άνω των 24 GHz).

Οι κεραίες μπορούν επίσης να σχεδιαστούν απευθείας πάνω σε πλακέτες (PCB) υψηλών συχνοτήτων (χιλιοστομετρικών), σε εφαρμογές έως τα 110 GHz, ενώ επιτυχημένες σχεδιάσεις συναντώνται ακόμη και σε υλοποιήσεις ISM 120 GHz, με σχετικά χαμηλές απώλειες και ικανοποιητική απόδοση. Η τεχνική δεν είναι κατάλληλη για εξαιρετικά υψηλά φασματικά εύρη.

Οι φασικές στοιχειοκεραίες μπορούν ακόμη να τοποθετηθούν απευθείας σε συσκευασμένα πακέτα IC υψηλών χιλιοστομετρικών συχνοτήτων. Επιτυχείς σχεδιάσεις είναι δυνατές από 60 GHz έως και άνω των 160 GHz (antenna in package) ή έως και στην περιοχή των ΤHz (antenna on chip). Η συγκεκριμένη επιλογή όμως δεν θεωρείται κατάλληλη για χαμηλότερες συχνότητες, όπως πχ στα 24 GHz. Η τεχνική είναι κατάλληλη για υψηλά φασματικά εύρη.

Σήμερα, διεξάγεται ευρεία τεχνολογική μετάβαση των φασικών συστοιχιών, από πρωτίστως αναλογικές μονάδες T/R GaAs, που αποτελούνται από διακριτούς ενισχυτές MMIC και τσιπ μετατόπισης φάσης, σε νεότερα, πιο προηγμένα εξαρτήματα, συμπεριλαμβανόμενων ενισχυτών ισχύος GaN, πολλαπλών καναλιών τσιπ μετατόπισης φάσης SiGe & εξασθένησης, μονάδων οδήγησης CMOS, ακόμη και τσιπ CMOS RF, σε ορισμένες περιπτώσεις άμεσης δειγματοληψίας RF. Όπου κάποτε κυριαρχούσε η κατασκευή chip-and-wire, χρησιμοποιώντας γυμνά δομικά στοιχεία για την υλοποίηση του λειτουργικού μπλοκ, τώρα προτιμάται η επιφανειακή τοποθέτηση και η ενσωμάτωση πολλαπλών τσιπ σε συστοιχία πλέγματος BGA (Ball Grid Array) ή LGA (Land Grid Array), για μείωση του κόστους συναρμολόγησης και αύξηση της αξιοπιστίας. Οι τεχνολογίες που κάποτε αφορούσαν αποκλειστικά σε συστήματα ραντάρ και ηλεκτρονικού πολέμου, τώρα συναντώνται σε διαδεδομένες εφαρμογές χαμηλού κόστους, σε ασύρματες συστοιχίες 5G, με τεράστιες διατάξεις MIMO, μη επανδρωμένους αισθητήρες, που πέον κατασκευάζονται σε όλο τον κόσμο. Πολλές ακόμη εφαρμογές πιέζουν επίσης προς τις συστοιχίες χιλιοστομετρικών κυμάτων, αυξημένου φασματικού εύρους και μειωμένου φυσικού μεγέθους.

3. Παραδείγματα συστημάτων AESA/MFR

Από τα πρώτα χαρακτηριστικά παραδείγματα εναέριων ραντάρ στοιχειοκεραίας ενεργής σάρωσης, πολλαπλών λειτουργιών, μεγάλης εμβέλειας, τεχνολογίας χαμηλής πιθανότητας υποκλοπής (LPI) και χαμηλής τιμής RCS αποτελεί το AN/APG-77 των Northrop Grumman και Raytheon (πρώην Westinghouse και Texas Instruments), εγκατεστημένο στο stealth μαχητικό αεροπορικής υπεροχής ATF (Advanced Tactical Fighter) F-22A Raptor της Northrop Grumman. Στη βελτιωμένη έκδοση AN/APG-77(V)1, το ραντάρ φέρει περί τα 1956 στοιχεία GaAs εκπομπής/λήψης (MMIC T/R modules) των 10 W ισχύος κορυφής το καθένα, συνολικά ~20 kW ισχύος κορυφής (παλαιότερα 1500 στοιχεία των 4 W το καθένα). Αναφέρεται ότι εντοπίζει στόχους 1 m2 σε αποστάσεις έως και 400 km (έναντι 160-240 km της αρχικής έκδοσης τεχνολογίας GaAs της δεκαετίας του 1990). Εφαρμόζει αναλογικό beamforming (κάθε T/R module διαθέτει το δικό του ολισθητή φάσης). Η ταχύτητα στροφής των λοβών είναι της τάξης των μερικών δεκάδων nsec (agile beam steering), μέσα σε γωνιακό εύρος 120° (αζιμουθιακό και καθ’ ύψος). Μεγάλο μέρος της τεχνολογίας του APG-77(V)1 έχει μεταφερθεί στο AN/APG-81 του μαχητικού F-35 Lightning II, όπως και αντίστροφα. Τέλος, το APG-77(V)1 διαθέτει δυνατότητες υψηλής ανάλυσης χαρτογράφησης SAR και ανίχνευσης / παρακολούθησης κινούμενων στόχων εδάφους GMTI/GMTT. Επίσης, διαθέτει δυνατότητα αναγνώρισης στόχων από τα περιστρεφόμενα πτερύγια των αεριοστροβίλων τους.

Παρόμοια εναέρια ραντάρ με GaAs MMICs της Raytheon είναι το AN/APG-63(V)2/3 AESA (Active Electronically Scanned Array) για τα αναβαθμισμένα μαχητικά F-15C/D Eagle[29] (8-20 GHz), καθώς επίσης το AN/APG-79 AESA των αναβαθμισμένων F/A-18E/F Super Hornet και EA-18G Growler (παρακολούθηση έως 20 στόχων 1 m2 σε αποστάσεις μέχρι 100 – 150 km (<80 nm) και δυνατότητα SAR υψηλής ανάλυσης, ανοικτής αρχιτεκτονικής, R-COTS). Τα συγκεκριμένα ραντάρ AESA προσδίδουν στα αεροσκάφη τη δυνατότητα ταυτόχρονης εμπλοκής αέρος-αέρος (με βλήματα AIM-120 AMRAAM) και αέρος-επιφάνειας (JDAM, AGM-154 JSOW & AGM-84H SLAM-ER). Το AN/APG-63(V)2 φέρει κεραία με περιπου 1.500 T/R modules (1.368 το APG-79), ενώ διαθέτει και κάποιες δυνατότητες NCTR. Η πιο σύγχρονη παραλλαγή AN/APG-63(V)3, βασισμένη στην τεχνολογία του APG-79, είναι ελαφρύτερη, με περαιτέρω βελτιωμένα T/R modules (single elements) και αναπτύχθηκε στα νέα αεροσκάφη F-15SG της Σιγκαπούρης και F-15SA της Σαουδικής Αραβίας.

Το AN/APG-79(V)4 της Raytheon αποτελεί μικρότερης διαμέτρου έκδοση AESA, υψηλότερης αξιοπιστίας και συμβατή κατά 90% με το βασικό ραντάρ APG-79 των F/A-18E/F Super Hornet. Αυτή η μικρότερη έκδοση προορίζεται να χωρέσει στο μικρότερο ρύγχος των αεροσκαφών F/A-18C/D Hornet, που χρησιμοποιούν οι Αμερικανοί πεζοναύτες (USMC). Διαθέτει μικρότερων διαστάσεων στοιχειοκεραία GaN (με λιγότερα στοιχεία εκπομπής-λήψης), μεγαλύτερου βαθμού απόδοσης και επομένως μικρότερες απαιτήσεις ηλεκτρικής τροφοδοσίας. Η απόσταση αποκάλυψης του μικρότερης κεραίας, αναβαθμισμένου ραντάρ (με στοιχεία GaN) είναι σχεδόν ίδια με αυτή του παλαιότερου και μεγαλύτερου APG-79. Όμως, λόγω της μεγαλύτερης ισχύος εκπομπής των στοιχείων, αναπτύσσονται υψηλότερες θερμοκρασίες και γι’ αυτό αναγκαστικά χρησιμοποιείται υδρόψυκτο κύκλωμα, αντί του αερόψυκτου των παλαιότερων εκδόσεων. Το AN/APG-79(V)4 διαθέτει δυνατότητα ταυτόχρονης λειτουργίας air-to-air και air-to-ground. Μια ενδεχόμενη αντικατάσταση της στοιχειοκεραίας των F/A-18E/F Super Hornet με αντίστοιχη τεχνολογίας GaN, θα μπορούσε να διπλασιάσει τις αποστάσεις εντοπισμού και παρακολούθησης στόχων, με τις ίδιες περίπου απαιτήσεις ηλεκτρικής τροφοδοσίας.

Σχήμα 26(α):   Το τρίτης γενιάς Χ-band (8-12 GHz) ραντάρ Captor-M (πρώην ECR-90) των BAE (πρώην GEC Marconi), FIAR (Ιταλία), Indra (πρώην Enosa, Ισπανία) και EADS (European Aeronautic Defense and Space Company), του μαχητικού αεροσκάφους Eurofighter Typhoon, μετά από σημαντικές καθυστερήσεις τέθηκε σε υπηρεσία το 1997. Αποτελεί σύμφωνο (coherent), multimode παλμικό Doppler σύστημα μηχανικής σάρωσης, που χρησιμοποιεί λυχνία ισχύος TWT. Έχει τη δυνατότητα έρευνας αέρος look-up/look-down (σε look-up με χαμηλές τιμές PRF εντοπίζει μαχητικά αεροσκάφη σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 160 km), έρευνας επιφανείας (ειδική λειτουργία ανίχνευσης GMTI – Ground Moving Target Identification), παρακολούθησης TWS και κατάδειξης CW για την κατεύθυνση των ημιενεργών βλημάτων. Διαθέτει ικανοποιητική επεξεργασία σήματος για εξαιρετική αντοχή σε περιβάλλον ηλεκτρονικών παρεμβολών (ενεργών και παθητικών). Επίσης, ενσωματώνει IFF με δυνατότητα απάντησης σε Mode-S και δυνατότητα SAR με ανάλυση 1 m.

                    

Επίσης, το σύστημα AMSAR (Airborne Multirole Solid-state Active phased Array Radar), γνωστό ως Captor-E αποτελεί το διάδοχο του Captor-M,[30] για το μαχητικό αεροσκάφος Eurofighter Typhoon. Αυτό, διαθέτει T/R modules (X-band) που περιλαμβάνουν την ενίσχυση των εκπεμπόμενων σημάτων (ισχύς εξόδου 8-10 watts), την ενίσχυση χαμηλού θορύβου των λαμβανόμενων σημάτων καθώς και τον έλεγχο φάσης των εκπεμπόμενων και λαμβανόμενων σημάτων (ψηφιακός ολισθητής 6-bits). Η εφαρμοζόμενη τεχνολογία των T/R modules είναι GaAs MMIC και συγκεκριμένα HBT (Heterojunction Bipolar Transistors) για τη διάταξη ενίσχυσης του σήματος εκπομπής και pHEMT (pseudomorphic High-Electron-Mobility Transistor) για τη διάταξη ενίσχυσης χαμηλού θορύβου του σήματος λήψης. Το ραντάρ είναι εξοπλισμένο με μηχανισμό επανατοποθέτησης διπλής πλάκας (swashplate), για βελτιωμένη γωνιακή κάλυψη και απόδοση. Στη μορφή ECRS Mk0 (European Common Radar System) εξοπλίζει τα Typhoon του Κουβέιτ και του Κατάρ. Το βελτιωμένο ECRS Mk1 θα εξοπλίσει τα αναβαθμισμένα γερμανικά και ισπανικά Typhoon,  με νέο πολυκάναλο δέκτη, μαζί με πρόσθετη επεξεργασία. Το Ηνωμένο Βασίλειο επιδιώκει μια εντελώς νέα προηγμένη αναβάθμιση ECRS Mk2, με νέες δυνατότητες ηλεκτρονικής επίθεσης και την κεραία να χρησιμοποιεί διαφορετικό τύπο επανατοποθέτησης, πιο κοντά στη σχεδίαση με του Raven ES-05.

Από το πρόγραμμα AMSAR προέκυψαν επίσης το RBE2-AA για τα νεότερα μαχητικά Rafale, το μικρότερο Vixen 500E  (φέρεται από τα Cessna C-550 Citation της υπηρεσίας τελωνείων και προστασίας συνόρων των ΗΠΑ), καθώς και το πολλαπλών ρόλων Vixen 1000E (με <1000 T/R modules), των Selex / Leonardo. Το τελευταίο, γνωστό ως Raven ES-05 στα μαχητικά Gripen E/F (NG) της Saab διαθέτει κεραία AESA με δυνατότητα μηχανικής επανατοποθέτησης, παρέχοντας ευρύ οπτικό πεδίο ±100º (Wide Field of Regard – WFoR), περίπου διπλάσιο από αυτό που παρέχουν οι σταθερές συστοιχίες. Αυτό, επιτρέπει στο αεροσκάφος να απομακρύνεται μετά από κάθε εκτόξευση βλήματος, ενώ εξακολουθεί να υποστηρίζει το βλήμα κατά την πτήση. Το σύστημα επανατοποθέτησης της κεραίας βασίζεται στη χρήση καινοτόμων συνδέσμων, οι οποίοι συναντώνται στην τεχνολογία των γεωτρήσεων πετρελαίου.

Το ακόμη νεότερο Grifo-E της Leonardo αποτελεί μια Χ-band συστοιχία AESA τεχνολογίας GaN, πολλαπλών λειτουργιών, με δέκτη πολλαπλών καναλιών, που παρέχει ένα ευρύτερο σύνολο προηγμένων δυνατοτήτων. Με τη σπονδυλωτή αρχιτεκτονική του, το εν λόγω παλμικό Doppler ραντάρ ελέγχου βολής διαφόρων τύπων βλημάτων, μπορεί να προσαρμοστεί και να ενσωματωθεί σε διαφορετικές πλατφόρμες.

Σχήμα 27: Το ενεργής στοιχειοκεραίας ραντάρ AN/APG-81 AESA (X-band) της Northrop Grumman, το οποίο φέρεται από τα μαχητικά F-35 Lightning II διαθέτει δυνατότητες υψηλής ανάλυσης SAR/GMTI (μερικών δεκάδων εκατοστών), αντίστοιχες ή και ανώτερες του APG-77. Το πλήθος των T/R modules (MMIC) είναι περί τα 1626 (αρχικά 1200), τεχνολογίας αρσενιδίου του γαλλίου (GaAs), ισχύος κορυφής 10 W το καθένα. Το ραντάρ θεωρείται ότι έχει περιορισμένο γωνιακό τομέα έρευνας, γεγονός το οποίο μπορεί να βελτιωθεί μέσω αναβάθμισης του λογισμικού. Ενδιαφέρουσα είναι η λειτουργία NCTR (Non Cooperative Target Recognition), που ίσως διαθέτει το APG-81, με βάση την οποία μπορεί να αναγνωρίζει κάποια χαρακτηριστικά ενός στόχου, έστω με περιορισμένα ποσοστά επιτυχίας, λαμβάνοντας υπόψη την ανάλυση micro-Doppler από την επιστροφή της πρώτης βαθμίδας του συμπιεστή χαμηλής πίεσης.

Για τα αεροσκάφη F-16E/F Block 60 των Ηνωμένων Αραβικών Εμιράτων, η Northrop Grumman έχει αναπτύξει το ενεργής διάταξης AN/APG-80 AESA με δυνατότητα ΑBR (AgileBeamRadar). Ειδικότερα,  παρακολουθεί ταυτόχρονα στόχους αέρος-αέρος και αέρος-εδάφους, με δυνατότητα λειτουργίας παρακολούθησης εδάφους (terrain-following mode). Το ραντάρ έχει ικανότητα παρακολούθησης 20 στόχων αέρος, με δυνατότητα αύξησης στους 50. Επίσης, υποστηρίζει ταυτόχρονη εμπλοκή με έως 6 στόχους. Επιτυγχάνει x1.5 μεγαλύτερη απόσταση ανίχνευσης, από το παλαιότερο μηχανικής σάρωσης AN/APG-68(V)9. Τυπική απόσταση εντοπισμού είναι περί τα 110 km (60 nm), για στόχους με RCS 1 m2. Περιλαμβάνει 1676 T/R modules (1020 παλαιότερα), τα οποία είναι κατανεμημένα σε περίπου 10 διαφορετικές δομικές ομάδες GaAs MMIC. Η βασική του τεχνολογία είναι κοινή με του AN/APG-81 (F-35 JSF) και του AN/APG-77 (F-22 Raptor).

Το μαχητικό F-35 Lightning II εξοπλίζεται με το ραντάρ AN/APG-81 AESA της Northrop Grumman, τεχνολογίας LPI, agile beam steering, υψηλής τιμής ERP, με κεραία 1626 στοιχείων εκπομπής/λήψης GaAs (των 16 W), διαμέτρου 70 cm, επεξεργαστές COTS και δυνατότητες υψηλής ανάλυσης SAR και GMTI. Τυπική απόσταση ανίχνευσης στόχων με RCS 1 m2 είναι περί τα 150 km. Η στοιχειοκεραία του ραντάρ, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ηλεκτρονική υποστήριξη (ES) και για την εκπομπή ισχυρών σημάτων ηλεκτρονικής παρεμβολής για ηλεκτρονική επίθεση (EA) μεγάλης ακρίβειας, επιτρέποντας στο μαχητικό F-35 να καταστείλει και να καταστρέψει προηγμένες αντιαεροπορικές άμυνες του εχθρού.

Οι νεότερες παρτίδες παραγωγής του F-35, οι οποίες διαθέτουν τη διαμόρφωση Block 4, φέρουν το νεότερο ραντάρ AN/APG-85. Αυτό, βασίζεται σε διάταξη μονάδων νιτριδίου του γαλλίου (GaN), αυξάνοντας την εμβέλεια και την ανάλυση (διακριτικότητα), όπως επίσης και την ικανότητα του ραντάρ να υποστηρίζει πιο δυναμικές τακτικές ηλεκτρονικού πολέμου.

Σχήμα 29(β): Μονάδα TR του X-band AESA συστήματος Zhuk AE τεσσάρων καναλιών (Quad Module) και μήτρες MMIC, που αναπτύχθηκαν το 2006-2007. Η τεχνολογία τετραπλών στοιχείων (quad elements) υστερεί έναντι της τρέχουσας τεχνολογίας μεμονωμένων στοιχείων T/R ενός καναλιού (single channel), που επιτρέπει μεγαλύτερη ευελιξία και επιδόσεις.
Σχήμα 29(γ): Επόμενη εξέλιξη για το αεροσκάφος Sukhoi Su-57 ή PAK-FA (T-50) αποτελεί το ενεργής στοιχειοκεραίας N036 Byelka / Squirrel (Χ-band, τεχνολογίας GaAs) του Tikhomirov-NIIP. Το ραντάρ φέρεται να βρίσκεται ακόμη σε φάση διόρθωσης σφαλμάτων για την αντιμετώπιση προβλημάτων σταθερότητας λειτουργίας (2022). Περιλαμβάνει 1514-1552 T/R modules στο ρύγχος και από 358-404 T/R modules σε δύο πλευρικές συστοιχίες N036B στη μάσκα της ατράκτου (Χ-band, 358 T/R modules), οι οποίες επιτρέπουν τη σύζευξη δεδομένων για την ενδιάμεση καθοδήγηση κατευθυνόμενων βλημάτων ακόμη και μετά από μεγάλη στροφή του αεροσκάφους. Οι πλευρικές συστοιχίες επιτρέπουν στο αεροσκάφος να εκτοξεύει βλήματα που απαιτούν τη λήψη στοιχείων / δεδομένων παρακολούθησης, ενώ εξακολουθεί να πετάει με κατεύθυνση κατά 90⁰ διαφορετική από τη διαδρομή του βλήματος. Χωρίς ένα πλευρικό ραντάρ, το αεροσκάφος θα πρέπει να συνεχίσει να βρίσκεται στραμμένο προς το στόχο, με αποτέλεσμα να προσεγγίζει το εχθρικό αεροσκάφος στο πεδίο εντοπισμού και βολής αυτού, καθιστώντας το ευάλωτο. Επιπρόσθετα, το συγκεκριμένο σύστημα περιλαμβάνει και δύο συστοιχίες N036L (L-band, 1-2 GHz) στην εμπρόσθια πλευρά των πτερύγων (στα αεροδυναμικά πηχάκια), για εντοπισμό και παρακολούθηση στόχων stealth, χρήση ηλεκτρονικής αναγνώρισης και ηλεκτρονικού πολέμου (παθητική παρακολούθηση και εντοπισμός πηγών εκπομπής Link-16/MIDS, ραντάρ που εκπέμπουν στην μπάντα L και εντοπισμός πηγών IFF αεροσκαφών, καθώς επίσης εκτέλεση ενεργών ηλεκτρονικών αντιμέτρων σε περιβάλλον ανταλλαγής δεδομένων Link-16, παρεμβολών σε δέκτες GPS και σε επίγεια ραντάρ μπάντας L). Οι θόλοι των συστοιχιών είναι επιλεκτικής διέλευσης, δηλαδή αφήνουν το δικό τους σήμα να περάσει και μπλοκάρουν τις άλλες συχνότητες. Επιπλέον, στις άκρες των διαμερισμάτων των συστοιχιών υπάρχουν απορροφητικές επιστρώσεις ραντάρ, οι οποίες απορροφούν τα κύματα που ενισχύονται μέσα στις κοιλότητες, μετά από πολλαπλές εσωτερικές ανακλάσεις. Το σύστημα διαθέτει δυνατότητα παρακολούθησης έως και 62 ιχνών, ενώ εμπλέκεται ταυτόχρονα με 16 στόχους αέρος και 4 επίγειους. Ονομαστική εμβέλεια εντοπισμού είναι 400 km για εναέριους στόχους 1 m2. Πρακτικά, το Byelka επιτυγχάνει τη μισή εμβέλεια ως προς το AN/APG-77 του μαχητικού F-22 Raptor. Ειδικότερα, το Su-57 θα πρέπει να πλησιάσει στα 20 nm, προκειμένου να εντοπίσει το F-22, ενώ το δεύτερο θα το έχει ήδη εντοπίσει από τα 80+ nm και θα έχει εκτοξεύσει τα βλήματα AIM-120 από τα 50+ nm.

Παράδειγμα αντίστοιχου ναυτικού συστήματος AESA/MFR είναι το παλαιό πλέον APAR (Active Phased Array Radar)των Thales Netherlands (πρώην Signaal), Deutsche Aerospace (DASA) και Northern Telecom (NORTEL). Από το 2002 είναι εγκατεστημένο στις Ολλανδικές φρεγάτες LCF (κλάση De Zeven Provinciën) και στις Γερμανικές φρεγάτες F-124 (κλάση Sachsen), ενώ ακολούθησαν και οι φρεγάτες κλάσης Iver Huitfeldt του ναυτικού της Δανίας. Το APAR σχεδιάστηκε για τις απαιτήσεις τερματικής καθοδήγησης (CW/ICWI) των βλημάτων SM-2 και ESSM. Περιλαμβάνει τέσσερις σταθερές επίπεδες κυκλικές διατάξεις, η κάθε μια από τις οποίες διαθέτει 3424 ενεργά στοιχεία εκπομπής/λήψης (T/R modules) MMIC, οργανωμένα σε 4 κύριες κεραίες των 792 στοιχείων και 4 βοηθητικές κεραίες των 64 στοιχείων. Η κάθε διάταξη καλύπτει 70° καθ’ ύψωση μέσα σε ένα αζιμουθιακό εύρος >100°-120°. Το κάθε ενεργό στοιχείο αποτελείται από τέσσερα υποστοιχεία GaAs εκπομπής/λήψης (MMIC), ισχύος εξόδου ~7 watts.

Ελαφρύτερη, μειωμένων δυνατοτήτων έκδοση, για την εκμετάλλευση μόνον του φακέλου των βλημάτων ESSM απετέλεσε το SEAPAR (Scaled ESSM Active Phased Array Radar). Το μονοπαλμικό αυτό ραντάρ Doppler (SEAPAR) λειτουργεί στη NATO I/J-band με κατακόρυφη πόλωση, ERP>100 dBm και τέσσερις επίπεδες κυκλικές διατάξεις κεραιών (antenna faces), η κάθε μια από τις οποίες περιλαμβάνει 1024 ενεργά στοιχεία εκπομπής/λήψης (T/R modules). Κάθε επίπεδη διάταξη έχει κατακόρυφη κλίση 15° και καλύπτει τομέα 70° καθ’ ύψωση και 100°-120° στο οριζόντιο επίπεδο. Μεταξύ των δυνατοτήτων του SEAPAR, είναι η TWS παρακολούθηση >200 στόχων αέρος και >100 στόχων επιφανείας ταυτόχρονα, kill assessment (με βάση την ολίσθηση Doppler των θραυσμάτων του στόχου ως προς την απόσταση), limited volume search σε κάποιο επιλεγόμενο τομέα του χώρου, ενδιάμεση (μέσω FSK uplink) και τερματική καθοδήγηση βλημάτων ESSM, μέσω συνεχούς CW ή διακοπτόμενης κατάδειξης ICWI (Interrupted Continuous Wave Illumination).[31] Στην τερματική φάση καθοδήγησης του βλήματος απαιτείται συνεχής κατάδειξη του στόχου για τουλάχιστον 4 sec. Σύμφωνα με τον κατασκευαστή, το SEAPAR θα είχε δυνατότητα για κατ’ ελάχιστο 8 ταυτόχρονες εμπλοκές με εναέριους στόχους (και αντίστοιχα βλήματα στον αέρα), 4 από τα οποία στο τελικό στάδιο καθοδήγησης (terminal illumination).

Την επόμενη εξέλιξη του APAR αποτελεί το APAR Block 2, ένα X-band πολλαπλού ρόλου MFR, για την υποστήριξη multibeam volume search (VS), έρευνα ορίζοντα (HS), παρακολούθηση στόχων, έλεγχο βολών πυροβολικού και κατεύθυνση ενεργών και ημιενεργών κατευθυνόμενων βλημάτων με χρήση ICWI. Διαθέτει στοιχεία / ενισχυτές νιτριδίου γαλίου (GaN) και πλήρη ψηφιακή μορφοποίηση λοβών. Η κάθε διάταξη καλύπτει τομέα 70° καθ’ ύψωση μέσα σε ένα αζιμουθιακό εύρος >100°-120°. Η ονομαστική εμβέλεια του συστήματος διατηρείται στα 150 km, με δυνατότητα παρακολούθησης άνω ρων 1000 ιχνών, ταυτόχρονα. Το ραντάρ υποστηρίζει την αμφίδρομη επικοινωνία με τα βλήματα ESSM (Evolved Sea Sparrow Missiles) Block2 και SM-2/3 (Standard Missiles), μέσω της ζεύξης δεδομένων JUWL (Joint Universal Waveform Link), η οποία εφαρμόζεται και στο AN/SPY-3, όπως επίσης και τη διακοπτόμενου φωτισμού τερματική καθοδήγηση ICWI. Το APAR Block 2 είναι εξοπλισμένο με Suite Processing, που επιτρέπει τη συγχώνευση με το ραντάρ επιτήρησης SM400 Block 2 σε ένα ενιαίο σύστημα ραντάρ με 4 πάνελ μπάντας X και 4 πάνελ μπάντας S (XS-Suite). Τα εντυπωσιακά οφέλη είναι η άμεση αντίδραση έναντι υψηλότερου φάσματος απειλών, αποφεύγοντας χρονικές καθυστερήσεις, η υψηλής λειτουργικότητα μεταξύ των δύο ζωνών ρανταρ και η ευκολότερη προσαρμογή σε μεταβαλλόμενες καταστάσεις. Το APAR Block 2 αναμένεται να εγκατασταθεί στις νέες γερμανικές φρεγάτες F-126.

Η περιοχή συχνοτήτων της X-band ή NATO I/J-band (8-12 GHz) των APAR, AN/SPY-3, κτλ, θεωρείται ότι πλεονεκτεί κατά τη λειτουργία έρευνας ορίζοντα (HS), ως προς τις S/C-bands (2-8 GHz) των AN/SPY1, AN/SPY-6, Héraklès, Kronos, Sea Fire, κ.τ.λ., και ακόμη περισσότερο έναντι των χαμηλότερων συχνοτήτων της μπάντας L, κατά τη λειτουργία έρευνας ορίζοντα (HS). Η εν λόγω λειτουργία, αφορά σε χαμηλές γωνίες ύψωσης, η οποία στοχεύει στην έγκαιρη ανίχνευση μικρότερων στόχων επιφανείας και χαμηλά ιπτάμενων στόχων αέρος, συμπεριλαμβανόμενων και των χαμηλά ιπτάμενων βλημάτων (sea skimmers) μικρής ραδιοδιατομής (RCS). Ειδικότερα, η X-band υπερτερεί σε τομείς όπως είναι η ακρίβεια εντοπισμού και παρακολούθησης των εν λόγω χαμηλής ύψωσης ιχνών και γενικότερα στη διακριτική ικανότητα μεταξύ των διαφόρων στόχων, περισκοπίων υποβρυχίων και decoys (στενότεροι λοβοί και μεγαλύτερο φασματικό εύρος λειτουργίας), ιδιαίτερα σε περιβάλλον ήπιου κυματισμού (low-angle sea clutter). Οι λόγοι υπεροχής της X-band είναι κυρίως ο μεγαλύτερος συντελεστής διάδοσης, οι πυκνότεροι κατακόρυφοι λοβοί από το φαινόμενο συνδυασμού του απευθείας και ανακλώμενου στο έδαφος/θάλασσα κύματος,[32] καθώς επίσης οι μικρότερες / ελαφρύτερες διατάξεις κεραιών που παρέχουν τη δυνατότητα τοποθέτησης σε υψηλότερο σημείο των ιστών (μεγαλύτερος ραδιο-ορίζοντας).

Σχήμα 31: Καθοδήγηση ημιενεργού κατευθυνόμενου βλήματος εναντίον εναέριου στόχου, με τις μεθόδους (α) της παραδοσιακής συνεχόμενης κατάδειξης/ φωτισμού CW καθόλη τη διάρκεια της διαδρομής του βλήματος (πάνω) και (β) της διακοπτόμενης κατάδειξης/φωτισμού ICWI (κάτω). Η λειτουργία ICWI εισήχθη πρώτη φορά με τα βλήματα SM-2 Block IIIA (1997-2000). Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει σε ένα μόνο ραντάρ ελέγχου βολής να καθοδηγεί πολλά ημιενεργά βλήματα ταυτόχρονα, ενισχύοντας έτσι σημαντικά τις αμυντικές δυνατότητες του πλοίου.

Η μπάντα X μειονεκτεί όμως σε επιδόσεις εμβέλειας εντοπισμού σε μεγάλες γωνίες ύψωσης, όπως επίσης σε περιβάλλον βροχής και χαλαζιού (precipitation), λόγω αυξημένων απωλειών απορρόφησης και σκέδασης, καθώς επίσης παρουσιάζει υψηλότερο sea clutter (σε δυσμενή κατάσταση θαλάσσης μέτριου ή ισχυρού κυματισμού) κατά την έρευνα χαμηλά ιπτάμενων στόχων, Το τελευταίο αντιμετωπίζεται (καταπιέζεται) σε κάποιο βαθμό μέσω εφαρμογής τεχνικών επεξεργασίας Doppler/FFT, φασματική ανάλυση της ηχούς και ειδικούς αλγορίθμους ανίχνευσης. Ουσιαστικά, τα συστήματα MFR στη μπάντα S αποτελούν μια ενδιάμεση επιλογή, ώστε να μην απαιτείται η αναγκαστική παρουσία ενός μεγάλου ανεξάρτητου ραντάρ έρευνας VSR (Volume Search ή Surveillance Radar).[33]

 

                                                                                                 

Σχήμα 33: Οι διαμορφώσεις του κατακόρυφου εκτοξευτήρα SYLVER (SYstème de Lancement VERtical) της Naval Group (πρώην DCNS). Διατίθεται σε διαμόρφωση 8 κελιών, σε δύο τετράδες με τους αυλούς εξαγωγής ανάμεσά τους, παρουσιάζοντας μικρότερο βάρος και μέγεθος, ως προς τον αντίστοιχο Mk-41 VLS. Ο SYLVER, αν και δεν έχει πιστοποιηθεί ακόμη, φέρεται ότι θα μπορεί επίσης να υποδέχεται τα μεσαίου βεληνεκούς CAMM-ER (εμβέλειας 45 km / 24.2 nm) και τα υπό ανάπτυξη VL Mica NG (Missile d’Interception, de Combat et d’Auto-défense New Generation), μέσης εμβέλειας 40 km (21.6 nm) και ταχύτητας Mach 4. Έχει πιστοποιηθεί για τα μικρού βεληνεκούς Crotale Naval VT1-VL (εμβέλειας 15 km στην έκδοση Mk3).

Το SAMPSON ολοκληρώνεται τόσο με τα ενεργής κατεύθυνσης βλήματα ASTER 15/30 της MBDA[34] όσο και με τα ημιενεργού κατεύθυνσης βλήματα ESSM & SM-2 της Raytheon.[35] Στη δεύτερη περίπτωση απαιτείται κάποια ανεξάρτητη κεραία, όπως π.χ. η μηχανικά περιστρεφόμενη ενεργή στοιχειοκεραία ενδιάμεσης καθοδήγησης (uplink) των βλημάτων και συνεχούς ή διακοπτόμενου φωτισμού CEAMOUNT[36] της CEA Technologies (I/J-band, ύψωση -45° έως +120°, λειτουργία CWI ή ICWI για την ταυτόχρονη εμπλοκή στην τερματική φάση με έως και 6 στόχους). Το SAMPSON εξοπλίζει τα αντιτορπιλικά Type-45 του Βρετανικού ναυτικού.

Μειωμένων δυνατοτήτων έκδοση, για μικρότερα πλοία μεγέθους κορβέτας 1500 τόνων, αποτελεί το σύστημα Spectar με μια μόνο περιστρεφόμενη επίπεδη διάταξη και μέση ισχύ εκπομπής 600 watts.

Σχήμα 34: Ο σφαιρικός θόλος από ανθρακονήματα, μέσα στον οποίο βρίσκεται προστατευμένη η μηχανικά περιστρεφόμενη (30 rpm) ενεργή στοιχειοκεραία του ναυτικού συστήματος ραντάρ SAMPSON της BAE Systems. Αποτελεί μέρος του συστήματος αεράμυνας Sea Viper (πρώην PAAMS). Στη βασική της μορφή, η κεραία διαθέτει δύο επίπεδες, ανεξάρτητες διατάξεις στοιχείων εκπομπής/λήψης. Επειδή είναι σχετικά ελαφριά και αερόψυκτη, μπορεί να τοποθετηθεί στην υψηλότερη δυνατή θέση, επαυξάνοντας σημαντικά τη δυνατότητα εντοπισμού χαμηλά ιπτάμενων στόχων (η τοποθέτησή της σε ύψος >34 m παρέχει πλεονέκτημα 7 km), ως προς τo 16-18 m ύψος εγκατάστασης των διατάξεων SPY-1 των αντιτορπιλικών Arleigh Burke. Τα 4 «μουστάκια» που προεξέχουν από την επιφάνειά του θόλου είναι σχεδιασμένα να απαγάγουν τα φορτία από κεραυνούς, μακριά από την ευαίσθητη διάταξη.

Επίσης, το Type 997 ARTISAN (Advanced Radar Target Indication Situational Awareness and Navigation) αποτελεί ένα τρισδιάστατο ραντάρ επιτήρησης αέρα και επιφανείας, μεσαίας εμβέλειας, στη μπάντα S (E/F). Aναπτύχθηκε και κατασκευάστηκε από την BAE Systems, χρησιμοποιώντας κάποια τεχνολογία που προέρχεται από το SAMPSON, όσον αφορά στις χαμηλού κόστους ηλεκτρονικά σταθεροποιημένες τρισδιάστατες επιδόσεις. Τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν έναν πομπό στερεάς κατάστασης 16 στοιχείων, που στεγάζεται στην κεραία, μια γεννήτρια κυματομορφών ουσιαστικά πανομοιότυπη με αυτήν του SAMPSON, τους ψηφιακούς εμπρόσθιους δέκτες του SAMPSON και μια αρχιτεκτονική επεξεργασίας σήματος που προέρχεται από το μακράς εμβέλειας ραντάρ Commander της BAE Systems. Το ARTISAN εφαρμόζει ψηφιακή συμπίεση παλμών και επεξεργασία Doppler. Σχεδιάστηκε, ως σύστημα με επίκεντρο το λογισμικό (software driven), για ενισχυμένη ικανότητα αναβαθμίσεων, χωρίς δαπανηρές αλλαγές υλικού. Έχει τοποθετηθεί και στις 13 φρεγάτες Type 23, όπως επίσης στα HMS Ocean, HMS Bulwark, HMS Albion, HMS Queen Elizabeth και HMS Prince of Wales. Η Βραζιλία έγινε η δεύτερη χώρα που χρησιμοποιεί το ραντάρ, με την αγορά του LPH PHM Atlântico από το Βασιλικό Ναυτικό, το 2018. Το ραντάρ έχει εμβέλεια 200 m – 200 km, με μηχανική περιστροφή κεραίας 30 rpm, καθ’ ύψος κάλυψη άνω των 70°, ενώ μπορεί να παρακολουθεί περισσότερους από 900 στόχους, ταυτόχρονα. Η BAE Systems δηλώνει ότι το ραντάρ είναι ικανό να ανιχνεύει και να παρακολουθεί στόχους μεγέθους μικρών πουλιών ή μπάλες του τένις που κινούνται με ταχύτητα 3 Mach, σε αποστάσεις 25 km και ηλεκτρονικά μέτρα προστασίας ενάντια ακόμη και στους πιο περίπλοκους παρεμβολείς. Διαθέτει πολλαπλούς λοβούς, γωνιακού εύρους <2.5°. Στην πιο μικρή έκδοση ARTISAN 100 έχει εμβέλεια ανίχνευσης >110 km έναντι μεγάλων αεροσκαφών και >35 km έναντι κατευθυνόμενων βλημάτων. Η αμέσως πιο ικανή έκδοση ARTISAN 200 έχει ακρίβεια 3D που επιτρέπει την υπόδειξη ενεργών πυραυλικών συστημάτων, με δηλωμένη εμβέλεια παρακολούθησης >135 km έναντι μεγάλων αεροσκαφών και >45 km έναντι κατευθυνόμενων βλημάτων.

Οι εταιρείες Raytheon, Northrop Grumman και Lockheed Martin μετείχαν στην ανάπτυξη ενός ναυτικού συστήματος DBR (Dual Band Radar), για τα μελλοντικά πλοία επιφανείας του αμερικανικού ναυτικού. Αυτό, αποτελεί συνδυασμένο σύστημα ενεργών στοιχειοκεραιών, ελεγχόμενο από κάποιοresource manager, για την αυτόματη διεξαγωγή διαφόρων λειτουργιών και τη βελτιωμένη μαχητική ικανότητα του πλοίου. Το εν λόγω DBR περιλαμβάνει ένα MFR στη ΝΑΤΟ I/J-band, το οποίο είναι το AN/SPY-3 (X-band) της Raytheon (για έρευνα ορίζοντα και διάκριση χαμηλά ιπτάμενων στόχων, όπως και ενδιάμεση/τελική καθοδήγηση των βλημάτων ESSM/SM-2), καθώς επίσης ένα υψηλής ισχύος και παντός καιρού VSR (Volume Search ή Surveillance Radar) στην S-band,[37] όπως πχ το AN/SPY-6(V), πρώην AMDR (Air & Missile Defense Radar), το οποίο εγκαθίσταται και στην τελευταία γενιά DDG-51 Flight III (κλάση Arleigh Burke), ως συνδυασμένο σύστημα I/J και S-band. Ο σκοπός είναι η ενιαία ροή δεδομένων προς το σύστημα μάχης, για την ταχύτερη δυνατή απόκριση σε τακτικό επίπεδο, μέσω ενός και μοναδικού συστήματος προσαρμοζόμενης διαχείρισης πόρων RAM (Resource Allocation Manager).

Σχήμα 35(α): Oι βασικές λειτουργίες του X-band ναυτικού συστήματος ενεργών στοιχειοκεραιών AN/SPY-3 της Raytheon, όπως, surface search, horizon search, (limited) volume search, high angle search, target classification/confirmation, παρακολούθηση στόχων, ενδιάμεση καθοδήγηση βλημάτων, τερματική καθοδήγηση βλημάτων / illumination, κ.τ.λ., είναι τυπικές για τα περισσότερα ναυτικά συστήματα αυτής της κατηγορίας.
Σχήμα 35(β): Τρισδιάστατο διάγραμμα των κατακόρυφων λοβών ενός AN/SPY-3 στη μπάντα X (8 – 12 GHz), η οποία θεωρείται βέλτιστη για την ελαχιστοποίηση των δυσμενών επιδράσεων της ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης κατά την έρευνα σε χαμηλά ύψη, την ακριβέστερη παρακολούθηση λόγω στενότερων λοβών, την ευκολότερη διάκριση των στόχων (ακόμη και περισκοπίων υποβρυχίων) λόγω ευρύτερου φασματικού εύρους, καθώς επίσης για τον ακριβέστερο φωτισμό / κατάδειξή για την καθοδήγηση των ημιενεργών βλημάτων SM-2 και ESSM (Evolved Sea Sparrow Missiles). Το σύστημα χρησιμοποιεί υπολογιστές COTS (IBM Regatta series symmetric multiprocessor – SMP servers). Αρχικά, το AN/SPY-3 επρόκειτο να συνδυαστεί με ένα ραντάρ DBR (Dual Band Radar), S μπάντας, επί των αντιτορπιλικών κλάσης Zumwalt (DDG-1000) και των αεροπλανοφόρων κλάσης Ford (CVN-78). Τελικά, λόγω του πολύ υψηλού κόστους, το Zumwalt παρέμεινε με μόνον ένα τροποποιημένο MFR SPY-3, επιφορτισμένο να διεξάγει επιλεγόμενη έρευνα ορίζοντα HS ή 3D (volume search), υπό περιορισμούς.

Το ναυτικό MFR σύστημα AN/SPY-3 είναι κατάλληλο για παράκτια ύδατα και ανοικτές θάλασσες. Διαθέτει 5000 ενεργά στοιχεία εκπομπής/λήψης ανά κεραία (τυπικά τρία πάνελ), τροφοδοτούμενα από 625 T/R modules (8 καναλιών το καθένα), τεχνολογίας GaAs και ελεγχόμενα από επεξεργαστή COTS.[38] Επίσημα, το SPY-3 τέθηκε σε υπηρεσία στο αμερικάνικο αντιτορπιλικό ηλεκτρικής πρόωσης DD(Χ) (multi-mission destroyer)[39] των Northrop Grumman & Raytheon (‘Gold’ team). Μια μικρότερη έκδοση AN/SPY-3(V) φέρεται να έχει δυνατότητα παρακολούθησης TWS έως και 500 στόχων ταυτόχρονα. Επίσης, μπορεί να διεξάγει κατ’ ελάχιστο 8 ταυτόχρονες εμπλοκές με εναέριους στόχους (και αντίστοιχα βλήματα στον αέρα), 4 από τα οποία θα βρίσκονται στο τελικό στάδιο καθοδήγησης (terminal illumination). Το AN/SPY-3(V) έχει εγκατασταθεί και σε άλλες κατασκευές του USN, όπως το νέο αεροπλανοφόρο CVN-78 (πρώην CVN-21), ενώ επρόκειτο να εγκατασταθεί και σε άλλες πλατφόρμες, όπως κάποια παλαιότερα αεροπλανοφόρα και πλοία αμφιβίων επιχειρήσεων (όλα αποτελούν φορείς βλημάτων ESSM).

Η Lockheed Martin είχε αναλάβει την ανάπτυξη ενός υποψήφιου ναυτικού συστήματος VSR, τριών ενεργών στοιχειοκεραιών, γνωστού ως AN/SPY-4 (S/C-bands), για το DD(X), το CVN(78) (πρώην CVN-21 ή CV(X)) και για το λεγόμενο καταδρομικό του 21ου αιώνα CG(X) (πρώην CG-21).[40] Η αρχική προσέγγιση για το VSR ήταν βασισμένη σε ένα συνδυασμό ενεργών στοιχείων τεχνολογίας GaAs για την εκπομπή χαμηλής ισχύος στην X-band, και τεχνολογίας διπολικών transistor πυριτίου (Si) για την εκπομπή υψηλής ισχύος στην S-band. Το πρόγραμμα τελικά ακυρώθηκε.

Σχήμα 36(α): Το υπερ-υψηλού κόστους (περί τα 7 δις USD) αμερικάνικο αντιτορπιλικό stealth, ηλεκτρικής πρόωσης DD(Χ) φέρει στην υπερκατασκευή του, το MFR (Multi-Function Radar) AN/SPY-3 της Raytheon. Αυτό, επρόκειτο να συμπληρωθεί από ένα S-band ραντάρ 3D έρευνας VSR. Το πρόγραμμα τερματίστηκε μετά από την παράδοση τριών σκαφών.
Σχήμα 36(β):   Οι θέσεις των στοιχειοκεραιών ΑΝ/SPY-3 MFR και ΑΝ/SPY-4 VSR. Το δεύτερο ραντάρ δεν εγκαταστάθηκε ποτέ.

Επισημαίνεται, ότι η C-band θεωρείται ότι υπερτερεί στην ακρίβεια εντοπισμού και παρακολούθησης χαμηλά ιπτάμενων απειλών (sea skimmers), ενώ η S-band επιτυγχάνει μεγαλύτερη εμβέλεια αποκάλυψης σε μεγαλύτερες γωνίες ύψωσης, καθώς και ανώτερες επιδόσεις σε περιβάλλον βροχής, χαλαζιού και clutter επιφανείας. Προκειμένου η τεχνολογία των ενεργών στοιχειοκεραιών να επιτυγχάνει την απαιτούμενη υψηλή ισχύ εξόδου στις μπάντες S/C, έτσι ώστε να καλύπτονται μεγάλες εμβέλειες, ταυτόχρονα με υψηλότερο βαθμό απόδοσης (χαμηλότερες απαιτήσεις ψύξης), αλλά και χαμηλότερο όγκο και βάρος, αναπτύσσονται νέες γενιές chip ενισχυτών (T/R modules) νιτριδίου του γαλλίου (GaN) και καρβιδίου του πυριτίου (SiC).[41] Η τεχνολογία GaN έχει υιοθετηθεί και στο ναυτικό σύστημα AN/SPY-6 (πρώην AMDR).

Το πρώτο LCS (Littoral Combat Ship) της Lockheed Martin τέθηκε σε υπηρεσία το 2008 (single/mono-hull, 2840 tons, 45 knots, waterjets). Σχεδιάστηκε να φέρει ειδικό εξοπλισμό, πολλαπλών και διαφορετικών επιχειρησιακών δυνατοτήτων (modular / interchangeable mission payloads), ανάλογα με την αποστολή, πχ MCM, ASW & ASuW (εναντίον ταχέων σκαφών), γεγονός το οποίο στην πράξη αποδείχθηκε προβληματικό. Για την ελαχιστοποίηση του κινδύνου του προγράμματος η Lockheed Martin αρχικά επέλεξε την εγκατάσταση του τρισδιάστατου NATO G-band (C-band) multimode radar TRS-3D της Hensoldt, πρώην Airbus/EADS (ή AN/SPS-75), για τις λειτουργίες surveillance & weapons assignment (LCS 1 έως 16). Το TRS-3D εξοπλίζει επίσης και την πρώτη παρτίδα γερμανικών κορβετών K130. Το συγκεκριμένο ραντάρ διαθέτει επίπεδη φασική στοιχειοκεραία (PESA), μηχανικά περιστρεφόμενη κατά το αζιμούθιο. Η έκδοση TRS-3D/16-ES, εμβέλειας 150-200 km περιλαμβάνει κεραία οριζόντιας πόλωσης, με 16 σειρές των 46 στοιχείων η καθεμία. Η συγκεκριμένη διάταξη δημιουργεί στενό λοβό (pencil beam) που εκτελεί ηλεκτρονική σάρωση καθ’ ύψος μέχρι γωνία 60°, μέσω ολισθητών φάσης (PESA). Η ακρίβεια μέτρησης απόστασης είναι <20 m, αζιμουθίου <0.24° και ύψωσης 1.3°. Παρακολουθεί μέχρι και 300 στόχους επιφανείας και αέρος, εφαρμόζοντας αλγορίθμους Kalman, σε συνδυασμό με ανιχνευτή ελιγμών. Τα νεότερα από το LCS 17 σκάφη, όπως επίσης και τα αντίστοιχα Multi-Mission Surface Combatants (MMSC) εξοπλίζονται με το AN/SPS-80, το οποίο αποτελεί το βελτιωμένο τρισδιάστατο NATO G-band (C-band) multifunction ραντάρ TRS-4D της Hensoldt (πρώην Airbus/Cassidian). Το ραντάρ ρυθμίζεται / καθορίζεται από λογισμικό (software defined), για την προσαρμογή σε αναδυόμενες μελλοντικές απειλές. Η μηχανικά περιστρεφόμενη στοιχειοκεραία, ηλεκτρονικής σταθεροποίσης και ενεργής ηλεκτρονικής σάρωσης (AESA) φέρει T/R modules τεχνολογίας GaN. Το TRS-4D εξοπλίζει επίσης και τη δεύτερη παρτίδα γερμανικών κορβετών K130. Υπάρχει και η επιλογή με τέσσερεις σταθερές διατάξεις, με την οποία εξοπλίζονται οι 4 γερμανικές φρεγάτες F-125 (κλάση Baden-Württemberg), όπως επίσης προγραμματίζεται να εξοπλιστούν οι νεότερες φρεγάτες F-126.

Η General Dynamics, για το παράκτιο πλοίο LCS που τέθηκε σε υπηρεσία το 2010 (trimaran κλάσης Independence, μέγιστης ταχύτητας 47 knots fully loaded) επέλεξε το πολύ διαδεδομένο και συνεχώς αναβαθμιζόμενο τρισδιάστατο (3D) πολλαπλών ρόλων (multimode) ραντάρ Sea Giraffe AMB (Agile Multiple Beams) ή AN/SPS-77(V) της Saab (πρώην Ericsson). Αυτό, είναι ραντάρ μέσης εμβέλειας 180 km (ταχύτητας περιστροφής κεραίας 60 & 30 rpm), που αρχικά είχε εγκατασταθέι στις σουηδικές κορβέτες κλάσης Visby. Αποτελεί ελαφρύ ραντάρ επιτήρησης και παρακολούθησης ιχνών αέρα και επιφανείας, καθώς επίσης υποστήριξης πυρών πυροβολικού. Διαθέτει κεραία κατακόρυφης πόλωσης με 18 σειρές των 48 στοιχείων η κάθε μια (PESA), οι οποίες όλες μαζί παράγουν ταυτόχρονα 12 λοβούς λήψης μέσα σε κατακόρυφο εύρος 70° (stacked beams), ενώ η εκπομπή διεξάγεται σε έναν ευρύ κατακόρυφο λοβό (fan beam). Ο σχηματισμός λοβών είναι ψηφιακός (digital beamforming) και τα λαμβανόμενα σήματα επεξεργάζονται σε πολλά κανάλια παράλληλης επεξεργασίας. Το ραντάρ λειτουργεί στη G-band (5.4-5.9 GHz), με ισχύ κορυφής 25 kW (λυχνία TWT) και μήκη παλμού 0.32-20.5 μsec. Η επεξεργασία MTI και μη MTI διεξάγεται παράλληλα, για τη βελτιστοποίηση των επιδόσεων σε βεβαρημένο περιβάλλον clutter. Τέλος, εφαρμόζει τεχνολογία LPI.

Σχήμα 37(α): Το μηχανικά περιστρεφόμενης ενεργής στοιχειοκεραίας τρισδιάστατο NATO G-band multifunction ραντάρ TRS-4D Rotator της Hensoldt εξοπλίζει τις αμερικανικές LCS Freedom Class, αλλά και τις σαουδαραβικές φρεγάτες MMSC (Multi-Mission Surface Combatants). Ρυθμός περιστροφής κεραίας 15 rpm ή 30 rpm. Η ονομαστική εμβέλεια είναι 250 km (για μεγάλα αεροσκάφη), ενώ η εκτιμώμενη πρακτική εμβέλεια αποκάλυψης και παρακολούθησης μικρότερων μαχητικών αεροσκαφών είναι 100-120 km (για RCS = 1 m2), δηλαδή χαμηλότερη των αντίστοιχων επιδόσεων του Sea Fire της Thales. Η ακρίβεια μέτρησης απόστασης είναι 15 m, αζιμουθίου 0.2° και ύψωσης 0.5°. Μέσω uplink μπορεί να κατευθύνει έως και 8 αντιαεροπορικά βλήματα. Για την καθοδήγηση των ημιενεργής κατεύθυνσης βλημάτων ESSM Block I και SM-2 Block IIIA/Β χρειάζεται ένα ή δυο ανεξάρτητα συστήματα ελέγχου βολής (FCS), πχ STIR 2.4HP. Ο συνδυασμός TRS-4D Rotator με FCS θεωρείται χαμηλότερου κόστους από το TRS-4D Fixed. Επίσης, η έκδοση TRS-4D/LR ROT  των Hensoldt και Elta, μέγιστου βεληνεκούς 400 km για μεγάλα αεροσκάφη, πρόκειται να αντικαταστήσει το SMART-L στις τρεις γερμανικές φρεγάτες τύπου F-124 (κλάσης Sachsen). Το τελευταίο, έχει δυνατότητα παρακολούθησης βαλλιστικών πυραύλων και μικρών αντικειμένων σε γήινη τροχιά σε αποστάσεις έως και 2000 km.

H Saab κατασκευάζει επίσης το S-band ναυτικό AESA σύστημα ραντάρ Sea Giraffe 4A FF (Fixed Face), τεχνολογίας GaN, ονομαστικής εμβέλειας 350 km, ικανότητας ανίχνευσης και ταυτόχρονης παρακολούθησης άνω των 1000 εναέριων ιχνών (μέσα σε κατακόρυφο εύρος 70°) και 500 ιχνών επιφανείας. Στις παλαιές γερμανικές φρεγάτες F-123, πρόκειται να αντικατασταθεί το ραντάρ έρευνας LW-08 από το Sea Giraffe 4A,[42]το SMART-S από το Sea Giraffe 1X,[43] ενώ τα ραντάρ διεύθυνσης βολής / καταύγασης STIR 1.8 από τα CEROS 200.

Η κορβέτα INS Lahav (Sa’ar 5), όπως επίσης και οι νεότερες Sa’ar 6 του Ισραηλινού πολεμικού ναυτικού, οι οποίες βασίζονται σχεδιαστικά στη γερμανική κορβέτα K130 Braunschweig, χρησιμοποιούν το S-band σύστημα 3D πολλαπλών λειτουργιών EL/M-2248 MFSTAR (MultiFunction Surveillance, Track And Guidance Radar) των IAI / Elta. Το εν λόγω ραντάρ χρησιμοποιεί 4 πάνελ στοιχειοκεραιών ενεργής σάρωσης (AESA), με T/R modules τεχνολογίας GaAs.  Κάθε πάνελ βασίζεται σε μια αρθρωτή αρχιτεκτονική πλακιδίων (των 16 T/R modules) και οπτική δικτύωση που επιτρέπει την επεκτασιμότητα, ανάλογα με το επιθυμητό / επιτρεπόμενο μέγεθος κεραίας και βάρους. Για πλοία μεγέθους φρεγάτας προσφέρεται η μεγαλύτερη έκδοση με πάνελ διαστάσεων 3×3 m, ονομαστικής εμβέλειας ανίχνευσης μεγάλων αεροσκαφών στα 450 km (250 km για τη μικρότερη έκδοση των κορβετών, με πάνελ διαστάσεων 1×2 m). Το ραντάρ ρυθμίζεται / καθορίζεται από λογισμικό (software defined), για την προσαρμογή σε αναδυόμενες μελλοντικές απειλές.

Παρόμοιων χαρακτηριστικών (S-band) είναι το ελαφρύ, μηχανικά περιστρεφόμενης κεραίας νεότερο ναυτικό σύστημα EL/M-2258 ALPHA (Advanced Lightweight Phased Array). Αυτό, αποτελεί ένα ραντάρ στερεάς κατάστασης πολλαπλών ρόλων S-band, η οποία χρησιμοποιεί μια ενιαία περιστρεφόμενη διάταξη AESA, που αξιοποιεί τις ίδιες τεχνολογίες που εφαρμόζονται στις σταθερές διατάξεις του EL/M-2248 MF-STAR. Τα κύρια χαρακτηριστικά του EL/M-2258 περιλαμβάνουν 2D ηλεκτρονική κατεύθυνση δέσμης (σάρωση σε καθ’ ύψος τομέα έως 70°), πολύ υψηλό ρυθμό ενημέρωσης ιχνών, αυτόματη ανίχνευση και μέτρηση πτώσεων για υποστήριξη πυροβόλων και προηγμένες τεχνικές διαμόρφωσης δέσμης για καταστολή πολλαπλών διαδρομών διάδοσης και ECCM. Στη βασική διαμόρφωση έχει ονομαστική εμβέλεια 200 km.

Ακόμη, από τις IAI / Elta παράγεται το νέο, συμπαγές σύστημα ραντάρ επιτήρησης πλοίων STAR-X (ELM-2238X), ειδικά σχεδιασμένο για περιπολικά ανοικτής θάλασσας (OPV), αλλά ικανό να χρησιμεύσει και ως δευτερεύον ραντάρ αναζήτησης για μεγαλύτερα σκάφη. Λειτουργεί στη μπάντα X και εφαρμόζει ψηφιακή διαμόρφωση δέσμης καθ’ ύψος (AESA, με T/R modules τεχνολογίας GaN). Το ραντάρ εκτελεί τρισδιάστατη ταυτόχρονη επιτήρηση επιφάνειας και αέρα, προσφέροντας ανώτερες δυνατότητες ανίχνευσης, παρακολούθησης και ταξινόμησης σκαφών επιφανείας καθώς και εναέριες απειλές, όπως αεροσκάφη, ελικόπτερα και στόχοι χαμηλού RCS (drones και κατευθυνόμενα βλήματα). Επίσης, υποστηρίζει τον έλεγχο πυροβολικού, ανίχνευση πτώσεων βολών, ενώ ρυθμίζεται / καθορίζεται από λογισμικό (software defined), για την προσαρμογή σε αναδυόμενες μελλοντικές απειλές. Διαθέτει χαμηλή πιθανότητα υποκλοπών (LPI), καθώς και προηγμένες δυνατότητες ECCM. Το σύστημα εφαρμόζει προηγμένους αλγόριθμους για να διακρίνει με ακρίβεια τις απειλές, όταν λειτουργεί σε πυκνό ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον ή βεβαρημένο από clutter. Η κεραία περιστρέφεται μηχανικά με 6, 15, 30 ή 60 rpm, καλύπτοντας κατακόρυφο τομέα 0°-70°, με ηλεκτρονική σταθεροποίηση και μέγιστη ονομαστική εμβέλεια ανίχνευσης 150 km (>25 km έναντι κατευθυνόμενων βλημάτων sea skimmers και >60 km έναντι μαχητικών αεροσκαφών που πετούν ψηλά). Με ικανότητα παρακολούθησης άνω των 1.000 στόχων και τρία παράθυρα ελέγχου πυρός για υποστήριξη πυροβόλων, το STAR-X μπορεί να ενσωματωθεί απρόσκοπτα στο CMS και στο σύστημα αεράμυνας του σκάφους.

Το σχετικά χαμηλότερου κόστους ναυτικό τρισδιάστατο σύστημα Héraklès της Thales αναπτύχθηκε με τη φιλοσοφία της υποκατάστασης δύο διαφορετικών συστημάτων VSR και MFR, από ένα και μοναδικό ραντάρ που να ικανοποιεί επαρκώς τις λειτουργίες των δύο. Έτσι, το Héraklès διαθέτει δυνατότητα πλήρους τρισδιάστατης έρευνας (θεωρητική εμβέλεια ανίχνευσης 250 km για μεγάλα αεροσκάφη, 130-150 km για συμβατικά μαχητικά αεροσκάφη, 20-40 km για κατευθυνόμενα βλήματα και έως 80 km για στόχους επιφανείας).[44] Χωρίς να είναι πάντοτε αναγκαίο, μπορεί να συνεργάζεται ταυτόχρονα με κάποιο μεγάλο ραντάρ επιτήρησης μακράς εμβέλειας, πχ SMART-L ή S1850M.[45] Η αξιολόγηση των απειλών (threat evaluation) και ο έλεγχος εμπλοκής διεξάγονται σε συνεργασία με το κεντρικό σύστημα μάχης CMS (Combat Management System) του πλοίου (ταυτόχρονη παρακολούθηση 500+ ιχνών αέρος και επιφανείας) και το σύστημα ελέγχου των βλημάτων ASTER. Διεξάγει την ενδιάμεση καθοδήγηση (midcourse guidance) των ενεργών αντιαεροπορικών βλημάτων ASTER 15/30 της MBDA (έως 12 ταυτόχρονα κατανεμημένα ανά τρία σε κάθε τεταρτημόριο ή έως και 16 με τα οκτώ όμως να βρίσκονται στο ίδιο τεταρτημόριο). Για τα ημιενεργού κατεύθυνσης βλήματα SM-2 Block IIIA/Β και ESSM απαιτείται η προσθήκη κάποιου ανεξάρτητου συστήματος (I/J-band), τόσο για την κατάδειξη των στόχων όσο και για το uplink της ενδιάμεσης καθοδήγησης των βλημάτων. Επισημαίνεται, ότι οι λειτουργίες 3D έρευνας & ιχνηλάτησης αέρος, jamming & surface situation, missile detection (SSM & ARM) και weapon deployment (κατευθυνόμενων βλημάτων & πυροβολικού) διεξάγονται σχεδόν ταυτόχρονα, με χρονικό καταμερισμό (κάθε ίχνος ενημερώνεται ανά 1 έως 4 sec ανάλογα με την απειλή). Εφαρμόζει ψηφιακή συμπίεση παλμών, η απόδοσή του είναι βελτιστοποιημένη για παράκτιες περιοχές, ενώ ενσωματώνει τη λειτουργία IFF (mode 1, 2, 3/A, C, 4 ή NSM, mode 5 και mode S). Για την απόρριψη του clutter εφαρμόζει επεξεργασία Doppler (FIR Doppler filtering). Επίσης, χρησιμοποιεί διαφορετικές κυματομορφές αναλόγως του στόχου (ελικόπτερα, βλήματα, αεροσκάφη), γεγονός που παρέχει δυνατότητα κατηγοριοποίησης μέσω μη συνεργατικής αναγνώρισης ιχνών NCTR (Non Cooperative Target Recognition). Υπό ανάπτυξη βρίσκεται μια χαμηλού κόστους έκδοση που χρησιμοποιεί μικροσκοπικά T/R modules, τεχνολογίας GaAs.

Το βελτιωμένο concept των φρεγατών FREMM-ER, με δυνατότητες εναντίον βαλλιστικών πυραύλων, αντικαθιστά το υβριδικό σύστημα Héraklès με το νεότερο ενεργό AESA MFR σύστημα Sea Fire της Thales. Αυτό, παρέχει περιμετρική κάλυψη με 4 σταθερές, υδρόψυκτες, ενεργές στοιχειοκεραίες ημιαγωγών GaN (T/R modules), στην S-band (2-4 GHz). Στη βασική του μορφή, κάθε πάνελ της στοιχειοκεραίας αποτελείται από 12 modules των 8 υπομονάδων έκαστο  (96 υπομονάδες συνολικά). Επίσης, κάθε module περιλαμβάνει 8×8 = 64 ανεξάρτητα κανάλια εκπομπής / λήψης και επομένως κάθε πάνελ έχει 12×64 = 768 κανάλια, πλήρως ψηφιακά, με δυνατότητα σχηματισμού περισσότερων από 100 λοβούς, ταυτόχρονα. Ο σκοπός είναι η αντιμετώπιση των μοντέρνων απειλών (έρευνα αέρος & επιφανείας, ανίχνευση / εντοπισμός, παρακολούθηση, αναγνώριση, ενδιάμεση καθοδήγηση βλημάτων ASTER 15/30 (Ku-band) & 30 Βlock1 ΝΤ (New Technology) (Ka-band), κατεύθυνση βολών πυροβολικού, αντιμετώπιση βαλλιστικών βλημάτων, UAV, κτλ), με ιδιαίτερα αυξημένες επιδόσεις σε παράκτιο περιβάλλον. Παρέχει περιφερειακή κάλυψη 360° και καθ’ ύψος 90°. Δεν ενσωματώνει όμως λειτουργίες ηλεκτρονικών υποκλοπών (ES) και ηλεκτρονικών παρεμβολών (EA). Σύμφωνα με ανοικτές πηγές έχει ονομαστική εμβέλεια αποκάλυψης μεγάλων μαχητικών αεροσκαφών (5 m2) έως 300-350 km, εναέριων στόχων 1 m2 έως 200 km, εναέριων στόχων 0.1 m2 έως 120 km, ενώ στόχων επιφανείας έως και 80+ km.  Ο ρυθμός ανανέωσης των ιχνών φθάνει έως και 10 Hz. Τέλος, έχει δυνατότητα ταυτόχρονης παρακολούθησης >800 ιχνών αέρος και επιφανείας, καθώς επίσης ικανότητα ταυτόχρονης εμπλοκής με έως και 16 εναέριους στόχους, με τα κατευθυνόμενα βλήματα ASTER.

Σχήμα 40(α): Η ιδέα λειτουργίας (concept) του ενεργού ναυτικού ψηφιακού συστήματος Sea Fire της Thales. Τα τέσσερα σταθερά πάνελ είναι τοποθετημένα περιμετρικά του κυρίου ιστού αισθητήρων, ενώ διαθέτει ικανότητα εντοπισμού στόχων stealth, καθώς επίσης αντιμετώπισης πολλαπλών επιθέσεων κορεσμού. Μεταξύ των πλοίων που εγκαθίσταται είναι οι μεσαίου μεγέθους stealth φρεγάτες FDI / FTI (Frégate de Taille Intermédiaire or Intermediate Size Frigate). Καθώς επίσης η εξαγωγική τους έκδοση BELH@RRA.

Γενικά, η χρήση κατευθυνόμενων βλημάτων ενεργής καθοδήγησης (active homing), δηλαδή με ενεργό ραντάρ στην κεφαλή του βλήματος, λόγω της παρεχόμενης αυτονομίας, επιτρέπει στο σύστημα MFR την πολλαπλή και ταυτόχρονη εμπλοκή με περισσότερους εναέριους στόχους και σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Επίσης, διαθέτει πιστότερη ακρίβεια παρακολούθησης του στόχου. Όμως, υπάρχει σχετικά περιορισμένη εμβέλεια εγκλωβισμού του στόχου από το ραντάρ του βλήματος, ως προς την περίπτωση των ημιενεργού κατεύθυνσης βλημάτων.

Σχήμα 40(β): Το γαλλο-ιταλικό αντιαεροπορικό βλήμα ASTER 30 Block1 NT (μήκους 4.9 m, διαμέτρου 18 cm και βάρους 430 – 450 kg) εξοπλίζεται με ενεργό ερευνητή AD4A (παλμικό ραντάρ Doppler με υπερετερόδυνο δέκτη) στην Ka-band (27-40 GHz), γεγονός που σημαίνει πολύ στενότερο λοβό ακτινοβολίας, ως προς τον ερευνητή Ku-band (12-18 GHz) των παλαιότερων βλημάτων ASTER 30. Αυτό, επιτυγχάνει πολύ μεγαλύτερη απόσταση εντοπισμού και αντοχή στα ηλεκτρονικά αντίμετρα, καθώς επίσης ικανότητα αναχαίτισης πολύ ταχύτερων στόχων, όπως πχ βαλλιστικών βλημάτων SRBM βεληνεκούς μέχρι 1500 km (ευρύτερες δυνατότητες αντιβαλλιστικής άμυνας ATBM, έναντι των ASTER 30 Block1). Επιπρόσθετα, λόγω της υψηλότερης γωνιακής ακρίβειας επιτυγχάνει πιστότερη παρακολούθηση των κινήσεων του στόχου και επαύξηση της πιθανότητας Pkill, ακόμη και μέσω απευθείας σύγκρουσης (hit-to-kill). Η μέγιστη ταχύτητα του βλήματος είναι 4.5 Mach, η μέγιστη εμβέλεια 120 km (65 nm) και η επιχειρησιακή του οροφή περί τα 20 km (65.600 ft). Τέλος, η μικρού βάρους 15 kg θραυσματογενής κεφαλή μάχης είναι κατευθυντική, δηλαδή δημιουργεί ωστικό κύμα που δεν διαχέεται, αλλά εστιάζεται προς την πλευρά του στόχου.

Σχήμα 40(γ): Τα κατευθυνόμενα βλήματα ASTER είναι ιδιαίτερα ευέλικτα στην τερματική φάση καθοδήγησης (δυνατότητα εκτέλεσης ελιγμών έως και 62 g), μέσω ελέγχου του διανύσματος πλευρικής ώσης TVC (thrust vectoring) ή PIF (Pilotage Induit en Force) κοντά στο κέντρο βάρους (12 g), σε συνδυασμό με τον έλεγχο των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών (50 g) του ουραίου τμήματοςPAF (Pilotage Aérodynamique en Force). Στις μεγαλύτερες αποστάσεις, όπου χάνεται η κινητική ενέργεια του βλήματος, μειώνεται και η αρχική δυνατότητα εκτέλεσης απότομων ελιγμών.

Σχήμα 41: Το Poliment 5P-20K αποτελεί τρισδιάστατο AESA πολλαπλών ρόλων (MFR) τεσσάρων σταθερών στοιχειοκεραιών (S-band), εγκατεστημένο επί των ρωσικών φρεγατών της κλάσης Admiral Gorshkov (Project 22350). Το συγκεκριμένο σύστημα διεξάγει έρευνα και παρακολούθηση στόχων αέρος και επιφανείας, ενώ επίσης παρέχει την απαραίτητη καθοδήγηση σε αντιαεροπορικά βλήματα 9M96, 9M96M και 9M96D/9M96DM(M2).

Σχήμα 42: Ο ταυτόχρονος σχηματισμός λοβών λήψης στο οριζόντιο και στο κατακόρυφο επίπεδο (επεξεργασία σάρωσης dual axis multibeam ή 2D digital beamforming) αυξάνει το χρόνο παραμονής στο στόχο (dwell time), συντομεύει το χρόνο ανανέωσης ιχνών και αντίδρασης, καθώς επίσης βελτιώνει τη γωνιακή ακρίβεια μέτρησης (αζιμουθίου & ύψωσης). Με τον τρόπο αυτό, βελτιώνονται σημαντικά οι επιδόσεις της επιτήρησης αέρος σε παράκτιο περιβάλλον.

Το μηχανικά περιστρεφόμενης κεραίας (15 ή 30 rpm), τεχνολογίας GaN ραντάρ AESA επιτήρησης αέρος και επιφανείας NS100 της Thales Netherlands (S ή E/F-band) εφαρμόζει επεξεργασία dual axis multibeam (ή 2D digital beamforming), γεγονός που βελτιώνει σημαντικά τις επιδόσεις επιτήρησης σε παράκτιο περιβάλλον. Ως ονομαστική εμβέλεια (μέγιστη θεωρητική) αναφέρεται 280 km για μεγάλους εναέριους στόχους και 80 km για στόχους επιφανείας (πρακτικά μικρότερη). Χρόνος ανανέωσης ιχνών αέρος <4 sec. Δυνατότητα παρακολούθησης ≥1000 ιχνών, συνολικά. Επίσης, ενσωματώνει τη λειτουργία του ραντάρ χαμηλής πιθανότητας υποκλοπών SCOUT Mk 3 (FMCW). Στην περίπτωσή του μεγαλύτερου NS200, η ονομαστική εμβέλεια με την ειδική λειτουργία / κυματομορφή ELR (Extended Long Range) είναι 400 km για μεγάλους εναέριους στόχους.

Το τεχνολογίας GaN ραντάρ επιτήρησης AESA SEA MASTER 400 (SM400) Block 2 της Thales Netherlands (με 4 σταθερές στοιχειοκεραίες S ή E/F-band) εφαρμόζει επεξεργασία dual axis multibeam (2D digital beamforming). Είναι βελτιστοποιημένο για εγκατάσταση σε ολοκληρωμένο ιστό (I-Mast). Αναφερόμενη ονομαστική εμβέλεια 400 km για το Block 2 για μεγάλους εναέριους στόχους (250 km η αρχική έκδοση) και 80 km για στόχους επιφανείας (πρακτικά μικρότερη). Καθ’ ύψος γωνία κάλυψης 90⁰ (70⁰ η αρχική έκδοση). Δυνατότητα παρακολούθησης ≥1000 ιχνών, συνολικά. Χρόνος ανανέωσης ιχνών μεταβαλλόμενος <2 sec. Συνεργάζεται με το πολλαπλών λειτουργιών ραντάρ APAR Block 2.

Σχήμα 43: Διάταξη DBR (Dual-Band Radar) πάνω σε ενιαίο ιστό (πχ I-mast 400), ο οποίος περιλαμβάνει τα τεχνολογίας GaN ραντάρ VSR SM400 (S-band)και MFR APAR Block 2 (Χ-band)της Thales.

Σχήμα 44: Διάφοροι συνδυασμοί ταυτόχρονου σχηματισμού λοβών λήψης (dual axis multibeam), όπως πχ εφαρμόζονται στο ραντάρ NS100 της Thales.

Όσον αφορά στο AN/SPY-6(V), πρώην AMDR(Air and Missile Defense Radar), είναι ένα 3D σύστημα ραντάρ ενεργής στοιχειοκεραίας της Raytheon, για τα αντιτορπιλικά Arleigh Burke Flight III του αμερικανικού ναυτικού. Με βασικό ρόλο την αεράμυνα και την προστασία από τα κατευθυνόμενα βλήματα, περιλαμβάνει επίσης πολλές ακόμη λειτουργίες, όπως πχ τον εντοπισμό στόχων επιφανείας και περισκοπίων υποβρυχίων. Ουσιαστικά, το SPY-6(V) αντικαθιστά το παλαιότερο AN/SPY-1D(V) του οπλικού συστήματος Aegis Mk7 της Lockheed Martin. Ως προς το AN/SPY-1D(V) είναι 32 φορές πιο ευαίσθητο και μπορεί να χειρίζεται πάνω από 30 φορές περισσότερους στόχους ταυτόχρονα. Περιλαμβάνει δύο πρωτεύοντα ραντάρ, S-band (2.3-2.5 GHz / 2.7-3.7 GHz) & X-band (8-12 GHz), καθώς επίσης και έναν ελεγκτή RSC (Radar Suite Controller) για το συντονισμό μεταξύ των αισθητήρων. Το S-band ραντάρ παρέχει τις λειτουργίες volume search, παρακολούθηση (ακόμη και στόχων hypersonic), διάκριση βαλλιστικών πυραύλων (ballistic missile defense discrimination) και επικοινωνία των αντιαεροπορικών βλημάτων. Το X-band ραντάρ διεξάγει έρευνα ορίζοντα HS, παρακολούθηση ακριβείας, επικοινωνία βλημάτων και τερματικό φωτισμό των στόχων. Και τα δύο ραντάρ (S & X-band) μοιράζονται μεταξύ τους λειτουργίες, όπως ναυτιλία, ανίχνευση περισκοπίων, κατεύθυνση βλημάτων και επικοινωνία.[46] Το σύστημα διαθέτει εξαιρετική ικανότητα σε περιβάλλον clutter και παρεμβολών, ενώ προγραμματίζεται και προσαρμόζεται σε νέες αποστολές και απειλές.

Το SPY-6(V) αποτελεί ένα τμηματικά / κλιμακούμενα αναβαθμιζόμενο σύστημα (scalable), πχ η έκδοση με διάσταση 14 ft (4.3 m) είναι αυτή που προορίζεται για τα αντιτορπιλικά Arleigh Burke Flight III (ως προς τα παλαιότερα των 12 ft), ενώ σε μελλοντικά καταδρομικά μπορεί να εγκατασταθούν εκδόσεις των 20 ft (6 m) ή ακόμη μεγαλύτερες για την αντιμετώπιση της απειλής των βαλλιστικών πυραύλων. Το σύστημα βασίζεται σε τμηματικές / μεμονωμένες κυβικές μονάδες ραντάρ-κεραίας, τις λεγόμενες RMA (Radar Modular Assemblies), διαστάσεων 60.9 cm x 60.9 cm x 60.9 cm. Στην έκδοση SPY-6(V)1 των Arleigh Burke Flight III διαθέτει 4 σταθερές στοιχειοκεραίες των 37 μονάδων RMA η κάθε μια (διαστάσεων 4.27 m x 4.27 m), που ισοδυναμούν με την ευαισθησία του AN/SPY-1D(V) + 15 dB (32 φορές περίπου υψηλότερη ευαισθησία – τιμή SNR).[47] Αυτό σημαίνει, ότι το SPY-6(V) ανιχνεύει στόχο μισού μεγέθους RCS στη διπλάσια απόσταση από το SPY-1D(V). Είναι πιθανό, το SPY-6(V)1 να παρέχει περίπου τετραπλάσια ισχύ εξόδου ακτινοβολίας από την παθητική συστοιχία SPY-1D(V).

Σχήμα 45(α):  Οι τμηματικές διατάξεις RMA, στις οποίες βασίζεται το σύστημα AMDR διατίθεται στις ακόλουθες κλιμακούμενες διαμορφώσεις:
9 RMA για το EASR (στο ίδιο επίπεδο ευαισθησίας του AN/SPY-1D(V), αλλά σε μικρότερο φυσικό μέγεθος). Η έκδοση μιας μηχανικά περιστρεφόμενης κεραίας AN/SPY-6(V)2 αφορά σε μεγάλα πλοία αμφιβίων επιχειρήσεων και σε αεροπλανοφόρα κλάσης Nimitz. Η έκδοση τριών σταθερών κεραιών AN/SPY-6(V)3 απευθύνεται στα αεροπλανοφόρα κλάσης Ford (στα οποία λειτουργεί ως VSR που συμπληρώνει το AN/SPY-3), καθώς και στις νέες φρεγάτες FFG(X), κλάσης Constellation.
  24 RMA για το SPY-6(V)4, τεσσάρων σταθερών κεραιών, για τα παλαιότερα Arleigh Burke Flight IIΑ, κατά τη διάρκεια μιας αναβάθμισης μέσης διάρκειας ζωής.
  37 RMA για το SPY-6(V)1, τεσσάρων σταθερών κεραιών, για τα Arleigh Burke Flight III (επίπεδο ευαισθησίας AN/SPY-1D(V) + 15 dB, οπότε ανιχνεύει στόχο μισού μεγέθους στη διπλάσια απόσταση). Είναι κατάλληλο για αντιμετώπιση βαλλιστικών πυραύλων, βλημάτων cruise και άλλων απειλών αέρος και επιφανείας, όπως επίσης και για τη διεξαγωγή ηλεκτρονικού πολέμου (εκτέλεση παρεμβολών).
   69 RMA πρόταση για τα μεγαλύτερα συστήματα μελλοντικών καταδρομικών (επίπεδο ευαισθησίας AN/SPY-1D(V) + 25 dB, οπότε ανιχνεύει στόχο μισού μεγέθους στην τετραπλάσια απόσταση).

Για μείωση του κόστους, τα συστήματα SPY-6(V) βασίζουν την X-band λειτουργία (8-12 GHz) στο υφιστάμενο υψηλής ανάλυσης TWS (200+ ιχνών) ραντάρ AN/SPQ-9B (8.5-10.68 GHz) της Northrop Grumman, με μηχανικά περιστρεφόμενη κεραία δύο αντιδιαμετρικών επίπεδων επιφανειών (30 rpm), τριπλής δέσμης (μια κύρια και δύο “look back”). Tο συγκεκριμένο  παλμικό ραντάρ Doppler είναι 2D (δεν παρέχει το στοιχείο του ύψους) και αποσκοπεί στον εντοπισμό και παρακολούθηση στόχων επιφανείας και χαμηλά ιπτάμενων ιχνών αέρος, συμπεριλαμβανόμενων των κατευθυνόμενων βλημάτων (HS – Horizon Search). Tο ραντάρ, μπορεί να υποστηρίξει ένα επιπλέον κανάλι κατεύθυνσης βλημάτων SM-2MR.

Οι μονάδες RMA του SPY-6(V), μεταξύ άλλων περιέχουν τις μονάδες T/R νεότερης τεχνολογίας νιτριδίου του γαλλίου (GaN), οι οποίες είναι μεγαλύτερης αξιοπιστίας, 34% χαμηλότερου κόστους και προσφέρουν μια τάξη μεγέθους υψηλότερη ισχύ εξόδου (υψηλότερη πυκνότητα ισχύος), ως προς τις προηγούμενες μονάδες αρσενιούχου γαλλίου (GaA), αυξάνοντας έτσι την εμβέλεια ανίχνευσης του συστήματος. Επίσης, το SPY-6(V) απαιτεί τη διπλάσια ηλεκτρική ισχύ τροφοδοσίας, για παραγωγή 35 φορές υψηλότερης ισχύος ακτινοβολίας, με χαμηλότερες απαιτήσεις ψύξης, ως προς το παλαιότερο SPY-1D(V).

Σχήμα 45(β): Μια κυβική διάταξη RMA αποτελεί ολοκληρωμένο αυτοδύναμο ραντάρ (διαστάσεων 61 cm x 61 cm x 61 cm). Κάθε RMA περιλαμβάνει 24 TRIMM (T/R Integrated Microwave Modules) ημιαγωγών GaN, με 6 T/R modules, όπως επίσης και έναν ψηφιακό δέκτη / διεγέρτη DREX (Digital Receiver Exciters) τέταρτης γενιάς (με δύο κανάλια μετατροπής, ένα συνθέτη συχνοτήτων και έναν ελεγκτή βοηθητικής ισχύος τροφοδοσίας).

Το σύστημα υποστηρίζει λειτουργία μη συνεργατικής αναγνώρισης ιχνών NCTR (Non Cooperative Target Recognition) και εφαρμόζει προσαρμοζόμενο ψηφιακό σχηματισμό λοβών (adaptive digital beamforming), με βάση επεξεργαστές x86 του εμπορίου.

Επίσης, μπορεί να διεξάγει ηλεκτρονικές παρεμβολές (jamming) μέσω των στοιχειοκεραιών, όπως συμβαίνει και με τα αντίστοιχα εναέρια συστήματα AESA (APG-77 των F-22 Raptor, APG-81 των F-35 Lightning II, καθώς επίσης APG-79 των F/A-18 Super Hornet και EA-18G Growler). Το πρόγραμμα ανάπτυξης του μελλοντικού παρεμβολέα ηλεκτρονικού πολέμου NGJ (Next Generation Jammer) των αεροσκαφών του αμερικανικού ναυτικού (προς αντικατάσταση του AN/ALQ-99 των EA-18G) βασίζεται και αυτό σε T/R modules νιτριδίου του γαλλίου (GaN), για υψηλότερη ισχύ εκπομπής και ακριβέστερη ηλεκτρονική κατεύθυνση της ακτινοβολίας.

Σχήμα 45(γ): Μια στοιχειοκεραία AMDR αποτελείται από πολλές διατάξεις RMA.

Η διαμόρφωση ραντάρ ενεργής στοιχειοκεραίας EASR (Enterprise Air Surveillance Radar) της Raytheon βασίζεται και αυτή στην ίδια τεχνολογία και περιλαμβάνει τις λειτουργίες του AN/SPY-6. Προορίζεται για τα νέα αεροπλανοφόρα και μεγάλα πλοία αμφιβίων επιχειρήσεων του αμερικανικού ναυτικού, στα οποία θα παρέχει ταυτόχρονα ικανότητες αντιαεροπορικές, αντιεπιφανείας, ηλεκτρονικού πολέμου και ελέγχου εναέριας κυκλοφορίας. Ειδικότερα, διαδέχεται / αντικαθιστά το 3D ραντάρ επιτήρησης αέρος AN/SPS-48, αλλά και το 2D ραντάρ επιτήρησης αέρος AN/SPS-49. Διαθέτει 9 RMA είτε σε μια μηχανικά οριζόντια περιστρεφόμενη κεραία είτε σε τρεις ίδιες σταθερές στοιχειοκεραίες (προς αντικατάσταση του AN/SPY-4 Volume Search Radar). Αυτά ισοδυναμούν με την ευαισθησία του υφιστάμενου AN/SPY-1D(V), στο 20% του μεγέθους του AN/SPS-48. Τέλος, ως AN/SPY-6(V)3 EASR, με μόλις τρεις σταθερές κεραίες των 9 RMA η κάθε μια, προβλέπεται να εγκατασταθεί και στις νέες φρεγάτες FFG(X), της κλάσης Constellation, η οποία πρόκειται να διαδεχθεί το πρόγραμμα LCS.

Σχήμα 45(δ): Γενική απεικόνιση του συστήματος AMDR της Raytheon, επί του αντιτορπιλικού Arleigh Burke Flight III. Εκτός από στόχους επιφανείας και αέρος, εντοπίζει επίσης και απειλές από βαλλιστικούς πυραύλους.

4. Επίλογος

Καθώς η τεχνολογία των στοιχειοκεραιών ενεργής σάρωσης (AESA) βελτιώνεται και σμικρύνεται συνεχώς, ταυτόχρονα γίνεται όλο και πιο προσιτή σε περισσότερους χρήστες. Αυτό, επιτρέπει σε πολλές χώρες να ενσωματώνουν τη συγκεκριμένη τεχνολογία σε συστήματα ξηράς, θάλασσας, αέρα, ακόμη και σε δορυφορικά. Όλα αυτά, σε μια χρονική περίοδο κατά την οποία η διάδοση των τεχνολογιών stealth αμφισβητεί τις δυνατότητες των ραντάρ, μειώνοντας τις αποστάσεις ανίχνευσης/παρακολούθησής, περίπου στο ένα τρίτο των συνηθισμένων, ιδιαίτερα σε ραντάρ που λειτουργούν στις υψηλότερες μπάντες συχνοτήτων.

Τα ραντάρ AESA, συνήθως είναι πολλαπλών λειτουργιών (MFR), με κλιμακούμενη αρχιτεκτονική, η οποία μπορεί να προσαρμόζεται σε διάφορους τύπους φορέων. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης τεχνολογίας περιλαμβάνουν ευρεία φασματική απόκριση λειτουργίας, εξαιρετικά ταχεία απόκριση, χαμηλούς πλευρικούς λοβούς, ευελιξία συχνότητας και κυματομορφών, καταστολή παρεμβολών, χαμηλή πιθανότητα υποκλοπών και μη συνεργατική αναγνώριση στόχων (NCTR). Επίσης, είναι σε θέση να παρακολουθούν και να εμπλέκονται ταυτόχρονα με πολλούς στόχους αέρος και εδάφους / επιφανείας, με υψηλή ακρίβεια, με πολλαπλές παρεμβαλλόμενες λειτουργίες, ραντάρ, ηλεκτρονικού πολέμου και επικοινωνιών, σε ένα ενιαίο σύστημα.

Η τεχνολογία AESA καθιστά ιδιαίτερα δύσκολη υπόθεση την ηλεκτρονική παρεμβολή (jamming), στην περίπτωση ηλεκτρονικών επιθέσεων (ECM/EA). Ένα μοντέρνο ραντάρ AESA έχει μεγάλο φασματικό εύρος λειτουργίας και αλλάζει τα χαρακτηριστικά του σε κάθε παλμό έως και χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο, καθιστώντας εξαιρετικά περίπλοκη τη δουλειά του ηλεκτρονικού παρεμβολέα.

Η υιοθέτηση της τεχνολογίας AESA επιτρέπει την εκμετάλλευση σημαντικών δυνατοτήτων, ακόμη και από παλαιότερες πλατφόρμες, ώστε αυτές να παραμείνουν βιώσιμες σε ένα περιβάλλον όπου ο ηλεκτρονικός πόλεμος γίνεται όλο και πιο σημαντικός. Με απλά λόγια, χωρίς συστήματα AESA τελευταίας τεχνολογίας, οι ένοπλες δυνάμεις είναι παρωχημένες μπροστά στις σύγχρονες προκλήσεις.


[1] Η ψηφιακή διαμόρφωση λοβών κατά την εκπομπή επιτρέπει την τοποθέτηση μηδενισμών στο διάγραμμα ακτινοβολίας προς την κατεύθυνση, πχ μιας απειλής ARM ή όπου υπάρχουν υψηλές παρασιτικές επιστροφές περιβάλλοντος (clutter).

[2] Το μεγαλύτερο δυναμικό εύρος βοηθά στην καταπίεση του clutter σε παράκτιες επιχειρήσεις κοντά σε ξηρές, για την ανίχνευση στόχων μικρής ραδιοδιατομής.

[3] Σύμφωνα με κάποια άλλη λιγότερο ευέλικτη τεχνική εφαρμόζεται χωρικός μετασχηματισμός FFT κατά μήκος και πλάτος της στοιχειοκεραίας, σχηματίζοντας ταυτόχρονα πολλαπλούς σταθερούς λοβούς στο χώρο.

[4] Παραδείγματα ραντάρ επιτήρησης ψηφιακού beamformer αποτελούν το ολλανδικό ναυτικό σύστημα SMART-L, όπως επίσης και τα 10 τελευταίας γενιάς τεράστια ραντάρ Voronezh (VHF/UHF), με τα οποία η Ρωσία προσπαθεί να επιτηρήσει τα αχανή της εναέρια σύνορα, από τις καθημερινές παραβιάσεις διαφόρων κατασκοπευτικών αεροσκαφών και UAVs.

[5] Το πρώτο AESA ραντάρ σε μαχητικά αεροσκάφη ήταν το  J/APG-1 (τεχνολογίας GaAs), εγκατεστημένο στα ιαπωνικά Mitsubishi F-2A/B (παράγωγα του F-16), από το 1995. Αργότερα, το εν λόγω ραντάρ αναβαθμίστηκε σε J/APG-2, τεχνολογίας GaN.

Ο πρώτος AESA seeker ήταν εγκατεστημένος στην κεφαλή του κατευθυνόμενου βλήματος αέρος-αέρος AAM-4B, των μαχητικών Mitsubishi F-2 και McDonnell-Douglas F-15J.

[6] Το πρώτο ναυτικό σύστημα AESA παραγωγής, ήταν το L-band 3D ραντάρ επιτήρησης αέρος OPS-24, εγκατεστημένο σε Ιαπωνικά αντιτορπιλικά, από το 1988.

[7] Κάποιες πρώιμες υλοποιήσεις επίγειων συστημάτων AESA για αντιβαλλιστική άμυνα (BMD), υπήρξαν κατά τις δεκαετίες του 1960 και 1970, από ΗΠΑ και Σοβιετική Ένωση.

[8] Η τεχνική DPCA αποτελεί εξειδικευμένη επεξεργασία χώρου-χρόνου (STAP), η οποία εφαρμόζεται για τη βελτίωση των επιδόσεων εναέριων ή διαστημικών συστημάτων επιτήρησης MTI ραντάρ, όσον αφορά στην καταπολέμηση του clutter.

[9] Οι τρεις βασικές λειτουργίες των T/R modules αφορούν (α) στην ενίσχυση της ισχύος εξόδου του μεταδιδόμενου σήματος μέχρι την τελική ακτινοβολούμενη ισχύ του, (β) στην ελαχιστοποίηση του συντελεστή θορύβου (NF) του συστήματος κατά τη λήψη και (γ) στην παροχή της δυνατότητας ηλεκτρονικού ελέγχου κατεύθυνσης του κύριου λοβού.

[10] Υπάρχουν διάφορες τεχνικές διακρίβωσης μιας στοιχειοκεραίας AESA, ο οποία είναι απαραίτητο να διεξάγεται περιοδικά, για την επαναφορά των παραμέτρων (εύρος κύριων λοβών, επίπεδο πλευρικών λοβών, κ.τ.λ.), στις εργοστασιακές τους τιμές,

[11] Η χρήση μεγάλου πλήθους στοιχείων σε μια διάταξη AESA στενεύει τις παραγόμενες δέσμες ακτινοβολίας, καθιστώντας ευκρινέστερους τους εντοπισμούς μικρών στόχων. Οι μοντέρνες διατάξεις AESA περιλαμβάνουν χιλιάδες μεμονωμένα στοιχεία, ηλεκτρικά διασυνδεδεμένα μέσω περίπλοκων δομών, σχεδιασμένων για μειωμένο μέγεθος και βάρος, καθώς και για αυξημένη απόδοση (χαμηλότερες απώλειες).

[12] Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα πυριτίου (Si) παρουσιάζουν μεγάλες απώλειες σε συχνότητες >2 GHz και γι’ αυτό δεν συναντώνται σε εφαρμογές υψηλών συχνοτήτων.

[13] Η πρώτη γενιά T/R modules (GaAs) των αρχών της δεκαετίας του 1990 αφορούσε σε ισχύ εξόδου 0.5 W, η οποία μέχρι τα τέλη της ίδιας δεκαετίας βελτιώθηκε στο 1 W. Σε αυτά, εφαρμόσθηκε υβριδική τεχνολογία, δηλαδή MMIC σε συνδυασμό με παραδοσιακές κοιλότητες RF, ενώ οι ολισθητές φάσης αποτελούσαν υλοποιήσεις διακριτών εξαρτημάτων. Για τη μεταγωγή TR χρησιμοποιούσαν διακόπτη διόδου, ενώ απουσίαζε κάποιος πίνακας ελέγχου με προγραμματιζόμενη λογική.

Η δεύτερη γενιά T/R modules (GaAs) των αρχών της δεκαετίας του 2000 βελτίωσε την ισχύ εξόδου στα 4 W, ενώ εφάρμοζε τεχνολογία υψηλής ολοκλήρωσης (multichip micro-package), για τη στέγαση του MMIC chipset. Σε ναυτικές εφαρμογές ραντάρ χρησιμοποιούσαν τεχνολογία ASIC για τον πίνακα ελέγχου και φασικούς ολισθητές τεχνολογίας MMIC. Επίσης, χρησιμοποιούσαν δύο κυκλοφορητές (6-18 GHz) για την απομόνωση μεταξύ εκπομπής / λήψης και διπλή πόλωση. Σε αεροπορικές εφαρμογές, για τον πίνακα ελέγχου χρησιμοποιούσαν τεχνολογίες PLD (Programmable Logic Devices) και E2PROM με εξωτερικούς DAC. Η πλακέτα, πέραν της προγραμματιζόμενης λογικής διέθετε και έλεγχο θερμοκρασίας. Επίσης, χρησιμοποιούσε κυκλοφορητή (6-18 GHz) για την απομόνωση μεταξύ εκπομπής / λήψης.

Η τρίτη γενιά T/R modules (GaAs) του 2009 εφάρμοσε τεχνολογία πολλαπλών στρωμάτων, με τα RF και ψηφιακά κυκλώματα να ολοκληρώνονται στο ίδιο υπόστρωμα. Μέχρι το 2012, η ισχύς εξόδου αυξήθηκε στα 8 W.

Η τέταρτη γενιά T/R modules εισήγαγε την αποδοτικότερη και υψηλότερης ισχύος τεχνολογία GaN.

[14] Ο υψηλότερος βαθμός απόδοσης των ενισχυτικών στοιχείων, ως προς άλλους παραδοσιακούς ημιαγωγούς (Si, κτλ), καθώς επίσης ότι διατηρούν τη λειτουργία τους ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες, καθιστούν το συγκεκριμένο ημαιγωγό κατάλληλο σε πολλές εφαρμογές RF υψηλών θερμοκρασιών, όπως πχ φούρνους μικροκυμάτων.

[15] Οι παθητικές στοιχειοκεραίες (PESA) χρησιμοποιούν, πχ έναν ή δύο ενισχυτές υψηλής ισχύος HPA (συνήθως klystron ή TWT), για ένα και μοναδικό σήμα εκπομπής, το οποίο διακλαδίζεται σε χιλιάδες διαδρομές-ολισθητές φάσης και στοιχεία-κεραίες. Παρομοίως, κατά τη λήψη χρησιμοποιούν έναν και μοναδικό ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA)

[16] CATV: υποστηρίζει σήμα ψηφιακής τηλεόρασης και υψηλής ταχύτητας Internet, φασματικού εύρους από 40 MHz έως >1 GHz, μέσω μεγάλου μήκους οπτικών ινών και ομοαξονικών καλωδίων.

[17] Περισσότερες βαθμίδες ενισχυτών LNA μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε σειρά, για αποτελεσματικότερο φιλτράρισμα του θορύβου. Κατά τη σχεδίαση των LNA, αρχικά εξετάζεται η dc πόλωση των transistors, στη συνέχεια εξετάζονται θέματα ευστάθειας του ενισχυτή και τέλος οι προσαρμογές εμπεδήσεων στις θύρες εισόδου και εξόδου.

[18] Γενικά, η τεχνολογία GaN αντικαθιστά σταδιακά τις παλαιότερες τεχνολογίες GaAs και πυριτίου LDMOS  (Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor) της κινητής τηλεφωνίας, εξέλιξη των DMOS (double-diffused MOSFET) της δεκαετίας του 1960. Ειδικότερα στα ραντάρ, συνηθίζεται η τεχνολογία GaN-on-SiC (silicon carbide), έναντι της GaN-on-Si σε άλλες εφαρμογές RF. Η συγκεκριμένες τεχνικές επιτρέπουν τη διατήρηση παρόμοιου κόστους με τα MOSFET πυριτίου, αλλά με την πολύ υψηλότερη απόδοση του GaN.

[19] Ο δείκτης Johnson FOM αποτελεί μέτρο καταλληλότητας ενός ημιαγωγού υλικού για εφαρμογές και απαιτήσεις transistors ισχύος υψηλής συχνότητας. Πιο συγκεκριμένα, είναι ανάλογη του γινομένου της ταχύτητας κορεσμού των φορέων αγωγιμότητας στο υλικό επί το ηλεκτρικό πεδίο διάσπασης, υπό τις ίδιες συνθήκες. Προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Edward O. Johnson της RCA, το 1965.

[20] Ως περιοριστές, συνήθως χρησιμοποιούνται δίοδοι PIN, ενώ έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί δίοδοι Schottky, FET και άλλοι τύποι εξαρτημάτων.

[21] Η ηλεκτρονική υποκλοπή και παρεμβολή των μοντέρνων ραντάρ AESA αποτελούν δύσκολες διαδικασίες, καθόσον τα εν λόγω συστήματα χρησιμοποιούν πολύπλοκες διαμορφώσεις, μη προβλέψιμα προγράμματα λειτουργίας (σάρωσης, ισχύος, διαμόρφωσης, κτλ), πολλαπλούς λοβούς και πολλαπλές συχνότητες, ταυτόχρονα.

[22] Για τη μεταφορά των δεδομένων από τους διάφορους αισθητήρες (ραντάρ, IRST, ES, κτλ) σε κεντρικούς επεξεργαστές για υπολογισμούς χρησιμοποιούνται δίαυλοι δεδομένων υψηλού φασματικού εύρους, όπως PCI Express Gen 3, 40GbE (40 Gigabit Ethernet), 100GbE (100 Gigabit Ethernet), Fiber Channel και Xilinx Aurora.

[23] Για την αντιμετώπιση των ηλεκτρονικών παρεμβολών (jamming) από πολλές διαφορετικές διευθύνσεις, αλλά και ενδεχόμενων ανεπιθύμητων ανακλάσεων, οι ενεργές στοιχειοκεραίες εφαρμόζουν τεχνικές προσαρμοζόμενου σχηματισμού λοβών (adaptive beamforming), οι οποίες ενισχύουν την πιθανότητα εντοπισμού των επιθυμητών σημάτων και περιορίζουν την αποτελεσματικότητα των παρεμβολών. Οι ψηφιακές αυτές τεχνικές επιτρέπουν την προσαρμογή του σχήματος και της συμπεριφοράς των λοβών στο εκάστοτε επιχειρησιακό/τακτικό/φυσικό περιβάλλον.

[24] Το σημείο IΙP3 ή IP3 (ή TOI) αποτελεί δείκτη γραμμικότητας, που σχετίζεται με την παραμόρφωση ενδοδιαμόρφωσης τρίτης τάξης (IMD3) ασθενώς μη γραμμικών συστημάτων RF, όπως δέκτες, ενισχυτές, ανιχνευτές και μίκτες. Αποτελεί το σημείο συνάντησης της ισχύος / πλάτους των συνιστωσών τρίτης τάξης με της θεμελιώδους συχνότητας, σε κατάσταση μη γραμμικής λειτουργίας. Tο συγκεκριμένο σημείο τομής μπορεί να είναι νοητό και να μην αντιστοιχεί σε πρακτικό επίπεδο ισχύος. Σε πολλές περιπτώσεις βρίσκεται πάνω από το όριο βλάβης του συστήματος. Βασίζεται στην ιδέα ότι η μη γραμμικότητα μιας διάταξης RF, μπορεί να μοντελοποιηθεί χρησιμοποιώντας ένα πολυώνυμο χαμηλής τάξης που προέρχεται μέσα από το ανάπτυγμα της σειράς Taylor.

[25] Η σπιντρονική (spintronics) είναι μια ηλεκτρονική τεχνολογία, η οποία αξιοποιεί την ιδιοστροφορμή (spin) των ηλεκτρονίων και τη μαγνητική τους ροπή. Σημαντικό χαρακτηριστικό της τεχνολογίας είναι ότι η ιδιοστροφορμή μπορεί να διατηρείται χωρίς την παροχή ρεύματος, γεγονός που μπορεί να μειώσει σημαντικά την κατανάλωση ρεύματος σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα / συσκευές. Η διαφοροποίηση από την παλαιότερη μαγνητοηλεκτρονική, είναι ότι η μεταβολή του spin γίνεται και με ηλεκτρική μέθοδο και όχι μόνο με μαγνητική.

[26] Τα memristors είναι μη γραμμικά ηλεκτρικά εξαρτήματα δύο τερματικών άκρων, που σχετίζονται με το ηλεκτρικό φορτίο και τη σύνδεση μαγνητικής ροής [Weber / Coulomb].

[27] Το γραφένιο είναι αλλότροπο του άνθρακα, που αποτελείται από ενιαίο στρώμα ατόμων, διατεταγμένων σε δισδιάστατο πλέγμα νανοδομής κηρήθρας.

[28] Οι λειτουργίες των κβαντικών υπολογιστών αξιοποιούν τα φαινόμενα της κβαντικής μηχανικής, όπως η υπέρθεση, η συμβολή και η διεμπλοκή.

[29] Πιο πρόσφατη αναβάθμιση αποτελεί το AN/APG-82(V)1 της Raytheon, για τα αμερικανικά αεροσκάφη F-15E Strike Eagle και F-15EX, όπως επίσης για τα ισραηλινά F-15I και ιαπωνικά F-15J. Το συγκεκριμένο ραντάρ χρησιμοποιεί τον αναβαθμισμένο δέκτη / επεξεργαστή του AN/APG-79 AESA των F/A-18 Super Hornet και την τροφοδοσία με την κεραία των 1500 T/R modules του AN/APG-63(V)3 AESA των F-15C. Αυτές οι αναβαθμίσεις εξασφάλισαν μεγαλύτερη εμβέλεια, δυνατότητες εμπλοκής ακριβείας και αποτελεσματικότερη παρακολούθηση πολλαπλών στόχων. Επίσης, νέα συντονιζόμενα φίλτρα επιτρέπουν την ταυτόχρονη χρήση του συγκεκριμένου ραντάρ με το σύστημα αυτοπροστασίας (ηλεκτρονικού πολέμου) του αεροσκάφους.

[30] Η παλαιότερη ονομασία του Captor-M στο πειραματικό στάδιο ανάπτυξης, ήταν ECR-90 (European Collaborative Radar). Το μηχανικής σάρωσης ραντάρ Captor διαθέτει ελαφριά κεραία, μεγάλους, ισχυρούς κινητήρες και στιβαρά αντίζυγα, που του επιτρέπουν να επανατοποθετηθείται σχετικά γρήγορα και με μεγάλη ακρίβεια. Μπορεί να διακόπτει το σχέδιο έρευνας για να παρακολουθεί στόχους υψηλής προτεραιότητας, αντί να διατηρεί σταθερό σχέδιο σάρωσης ράστερ, όπως πολλά συμβατικά ραντάρ με μηχανική σάρωση. Παρ’ όλα αυτά, θεωρείται ότι υστερεί ως προς τα μοντέρνα συστήματα AESA, αφού παρουσιάζει εγγενώς μεγαλύτερη ευπάθεια σε μηχανικές βλάβες και υποφέρει από αδυναμία πλήρους εκμετάλλευσης των δυνατοτήτων νέων όπλων, όπως των βλημάτων Meteor BVRAAM.

[31] Στην πραγματικότητα, το SEAPAR δεν εκτελεί ταυτόχρονα όλες τις αναφερθείσες λειτουργίες, ιδιαίτερα σε περιόδους μεγάλης απασχόλησης (ο ρυθμός ανανέωσης του κάθε ίχνους είναι μεταβαλλόμενος), ενώ η εμβέλειά του είναι σχετικά περιορισμένη. Γι’ αυτό, η συνεργασία με άλλες πηγές πληροφοριών (sensors) είναι επιβεβλημένη (πχ SMART-S Mk2).

[32] Η μπάντα Χ καλύπτει χαμηλότερα την έρευνα πλησίον της θαλάσσιας επιφάνειας (δημιουργία λοβών μικρότερης ύψωσης) και επιτυγχάνει αποτελεσματικότερη εκμετάλλευση του φαινομένου διάδοσης ducting, όταν υπάρχει.

Ο συντελεστής διάδοσης (propagation factor) στη ΝΑΤΟ I-band είναι μεγαλύτερος κατά 10 dB από τη C-band και κατά 17 dB από την S-band. Για να αντισταθμιστεί το μειονέκτημα αυτό στην S-band, χρησιμοποιείται αυξημένη ισχύς εκπομπής, μεγαλύτερη ενεργή διατομή της κεραίας (έως και 50 φορές) και τοποθέτηση της κεραίας σε όσο το δυνατό μεγαλύτερο ύψος είναι εφικτό.

[33] Η χρήση ανεξάρτητου ραντάρ έρευνας όγκου VSR (Volume Search Radar), τυπικά στην L ή στην S-band, βελτιώνει σημαντικά στην τρισδιάστατη έρευνα μέσης και μεγάλης εμβέλειας (χαμηλότερες απώλειες διάδοσης), ενώ χρησιμεύει τόσο στον εντοπισμό και όσο στην παρακολούθηση ιχνών και δεδομένων IFF, σε όλες τις καιρικές συνθήκες (βροχόπτωση, κτλ). Ο συνδυασμός χρήσης ραντάρ MFR και VSR σε διαφορετικές μπάντες συχνοτήτων παρέχει δυνατότητα συγχώνευσης ιχνών (data fusion), αποτελεσματικότερη αντιμετώπιση επιθέσεων κορεσμού, αυξημένη ακρίβεια ιχνηλάτησης, μείωση του χρόνου εμπλοκής και ενισχυμένη ανθεκτικότητα σε ηλεκτρονικά αντίμετρα.

[34] Στην περίπτωση αυτή, χρησιμοποιείται ο κατακόρυφος εκτοξευτήρας (VLS) SYLVER (Système de Lancement Vertical) / PAAMS(E) των Naval Group / MBDA και συγκεκριμένα ο SYLVER A43 για τα ASTER 15 και ο SYLVER A50 (tactical) για τα ASTER 15 & 30. Οι εκτοξευτήρες SYLVER έχουν δυνατότητα βολής έως 6 βλημάτων ανά sec, λόγω της σχεδίασης με έναν αυλό εξαγωγής καυσαερίων ανά κελί (cell). Η έκδοση SYLVER A70 (deep strike) χρησιμοποιείται για την κατακόρυφη εκτόξευση και των land attack βλημάτων SCALP NAVAL από τις Γαλλικές φρεγάτες FREMM (European FRigates Multi-Mission).

[35] Στην περίπτωση αυτή, χρησιμοποιείται ο εκτοξευτήρας MK-41 VLS, χαμηλότερου ρυθμού εκτόξευσης βλημάτων από τον SYLVER VLS.

[36] Για την καθοδήγηση (ενδιάμεσο uplink + τερματικός φωτισμός) των ημιενεργής κατεύθυνσης βλημάτων ESSM/SM-2MR, το CEAMOUNT συνεργάζεται είτε με το SAMPSON της BAE είτε με το CEAFAR, ένα ενεργό MFR της CEA Technologies (S-band, 2.7-3.1 GHz, με καθ’ ύψος κάλυψη >60°, 6 επίπεδες στοιχειοκεραίες για την ελαχιστοποίηση της παραμόρφωσης των λοβών σε μεγάλες γωνίες κλίσης, ταυτόχρονη παρακολούθηση έως 200 στόχων αέρος, 200 στόχων επιφανείας και 10 εμπλοκές με στόχους αέρος). Το CEAMOUNT χρησιμοποιείται αποκλειστικά για το φωτισμό των στόχων κατά την τερματική κατεύθυνση των βλημάτων ESSM/SM-2MR και η φιλοσοφία σχεδίασης του θεωρείται ότι αντιμετωπίζει αποτελεσματικότερα την επίδραση του θορύβου φάσης των φασικών στοιχειοκεραιών που εισάγεται κατά τη λειτουργία του φωτισμού CW. Στην περίπτωση χρήσης τεσσάρων ανεξάρτητων σταθερών στοιχειοκεραιών CEAMOUNT για περιφερειακή κάλυψη 360º, είναι δυνατή η ταυτόχρονη κατεύθυνση έως και 10 βλημάτων στον αέρα (uplink/ενδιάμεση καθοδήγηση + τερματική φάση). Ο συνδυασμός CEAFAR & CEAMOUNT έχει εφαρμοσθεί στην αναβάθμιση των φρεγατών κλάσης ANZAC του ναυτικού της Αυστραλίας.

[37] Επισημαίνεται ότι η λειτουργία έρευνας στην S-band αντί της L-band, περιορίζει σε κάποιο βαθμό τις δυνατότητες (εμβέλεια αποκάλυψης) της αντιβαλλιστικής άμυνας (ballistic missile defense), ενώ επηρεάζεται περισσότερο και από το clutter. Επιτυγχάνει όμως υψηλότερη ακρίβεια παρακολούθησης.

[38] Η μικρότερη έκδοση AN/SPY-3(V) για την κατεύθυνση μόνο βλημάτων ESSM περιλαμβάνει 2000 ή 1328 ενεργά στοιχεία (250 ή 166 T/R modules αντίστοιχα) ανά κεραία.

[39] Πρόκειται για αναθεώρηση του προηγούμενου σχεδίου DD-21 (land attack destroyer), το οποίο έχει τις ρίζες του στην ακόμη παλαιότερη ιδέα του Arsenal Ship (μία σύλληψη της δεκαετίας του 1990, της οποίας η ανάπτυξη ακυρώθηκε το 1998). Το υφιστάμενο USS Zumwalt τέθηκε σε λειτουργία το 2016 και έχει τη δυνατότητα διεξαγωγής επιχειρήσεων προβολής ισχύος, αποτροπής, θαλάσσιου ελέγχου και διοίκησης.

[40] Αρχικά, το CG(X) είχε προγραμματιστεί να αντικαταστήσει σταδιακά την κλάση Ticonderoga CG-47. Όμως, το πρόγραμμα ακυρώθηκε το 2010 και η αποστολή των καταδρομικών ανατέθηκε στην τελευταία κλάση Arleigh Burke DDG-51 Flight III, εξοπλισμένων με το ναυτικό σύστημα ΑΝ/SPY-6(V)1, πρώην AMDR (Air Missile Defense Radar).

[41] Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) αποτελεί σκληρό κρυσταλλικό υλικό, όπως το διαμάντι, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ηλεκτρονικά κυκλώματα ισχύος που λειτουργούν ταχύτερα, αποδοτικότερα (με έως και 70% μικρότερη κατανάλωση) ως προς τα αντίστοιχα chip πυριτίου, και τα οποία θα είναι απρόσβλητα στη θερμότητα και στην ακτινοβολία. Κατασκευάζεται με συμπύκνωση εξαερωμένου καρβιδίου, διαδικασία η οποία βρίσκεται υπό διαρκή βελτιστοποίηση.

[42] Το ραντάρ επιτήρησης Sea Giraffe 4A κατηγορίας AESA (μπάντας S), μπορεί να ανιχνεύει και να παρακολουθεί ταυτόχρονα πάνω από 1.000 εναέριους στόχους και 500 επιφανείας, ενώ στην ονομαστική εμβέλεια των 350 km, η μέγιστη απόκλιση απόστασης είναι μικρότερη των 15 m και η μέγιστη απόκλιση ταχύτητας είναι μικρότερη των 15 m/sec.

[43] Το Sea Giraffe 1X αποτελεί ελαφρύ ραντάρ κατηγορίας AESA (μπάντας X), μέγιστης εμβέλειας 80 km, σχεδιασμένο ως κύριο ραντάρ 3D επιτήρησης για μικρότερα σκάφη, όπως περιπολικά και δευτερευόντως ως βοηθητικό ραντάρ επιτήρησης / αισθητήρας ένδειξης στόχων για μεγαλύτερα σκάφη. Καλύπτει ολόκληρο τον όγκο αναζήτησης κάθε δευτερόλεπτο και παρέχει ακριβή δεδομένα 3D για όλους τους εναέριους στόχους εντός αυτού, ακόμη και των drones.

[44] Η κλάση των γαλλικών αντιαεροπορικών φρεγατών FREDA είναι εξοπλισμένη με επαυξημένη έκδοση του Héraklès (ισχύος κορυφής 100 kW), η οποία διαθέτει επιπρόσθετα modules ενισχυτών ισχύος, νέο σύστημα ψύξης και μια νέα διαμόρφωση έρευνας (Long Range Mode), γεγονός που αυξάνει την ονομαστική εμβέλεια εντοπισμού από 250 km σε 300 km (για μεγάλα αεροσκάφη) και αξιοποιεί αποτελεσματικότερα τις δυνατότητες των ASTER 30. Ωστόσο, η αναβαθμισμένη έκδοση εξακολουθεί να μην υποστηρίζει αποστολές αντιβαλλιστικής άμυνας ATBM (Anti-Tactical Ballistic Missile).

[45] Το μακράς εμβέλειας ναυτικό τρισδιάστατο ραντάρ επιτήρησης αέρος S1850M της ΒΑΕ (πρώην AMS – Alenia Marconi Systems) αποτελεί μια επαυξημένη έκδοση του αρχικού SMART-L (PESA), στην ίδια μπάντα λειτουργίας (L), με στοιχεία της τεχνολογίας του Martello (GEC-Marconi). Το S1850M έχει ορισμένες διαφορές ως προς το SMART-L, όπως λίγο υψηλότερη παλμική και μέση ισχύ (132 kW / 5 kW) και ταχύτητα περιστροφής, βελτιωμένες δυνατότητες anti-jamming, περισσότερο ευέλικτη επεξεργασία σήματος και τοπικές κονσόλες χειρισμού. Το ραντάρ συνεργάζεται με τα συστήματα πολλαπλών ρόλων EMPAR που έχουν εγκατασταθεί στις ιταλικές και γαλλικές φρεγάτες Horizon, καθώς επίσης SAMPSON που εξοπλίζουν τα βρετανικά αντιτορπιλικά Type-45 Daring. Επίσης, το S1850M είναι εγκατεστημένο στα δύο βρετανικά αεροπλανοφόρα κλάσης Queen Elizabeth.

[46] Το SPY-6(V)1 / AMDR παρέχει σε αντιτορπιλικά κλάσης Arleigh Burke λειτουργικότητα διπλής μπάντας. Τα παλιότερα πλοία κλάσης DDG-51 χρησιμοποιούν το SPY-1D(V) ως κύριο αισθητήρα και δεν διαθέτουν κάποιο δευτερεύον ραντάρ έρευνας όγκου (VSR). Αυτό σημαίνει, ότι όταν το πλοίο διεξάγει άμυνα βαλλιστικών πυραύλων (BMD), σαρώνοντας μεγάλα υψόμετρα, δεν μπορεί ταυτόχρονα να διεξάγει αντιπυραυλική άμυνα εναντίον βλημάτων cruise κατά του πλοίου, σαρώνοντας δηλαδή χαμηλά ύψη πλησίον του ορίζοντα.

[47] Μεταγενέστερες αναφορές (2019), για το σύστημα των 37 αρθρωτών συγκροτημάτων ραντάρ (RMA) του SPY-6(V)1 / AMDR, δημοσιεύουν τιμή ευαισθησίας SPY-1D(V) + 16 dB, που ισοδυναμεί περίπου 40 φορές υψηλότερη του SPY-1D(V).

Advertisement

6 Responses to Συστήματα Φασικών Στοιχειοκεραιών (Phased Arrays) – Mέρος Β΄

  1. Προβοκάτωρ says:

    Ευχαριστούμε κ.Σάγο, για την δωρεά του πονήματος σας! «Και οι τυφλοί είδαν…» Κατανοώ πως ζητώ πολλά αν μας παρουσιάζατε αντιστοίχως και για τα επίγεια αυτοκινούμενα (sic) ραντάρ αεροπορικής επιτήρησης (και όχι μόνο) διότι χωλαίνουμε επί μακρόν στον τομέα αυτό και θα το πληρώσουμε πολύ ακριβά.

    υ.γ. το Sea Giraffe 1X θα ήταν ιδανικό για τον εκσυγχρονισμό των ΤΠΚ Ρουσσέν κ Κ/Φ αλλά και για τα βοηθητικά σκάφη ενώ η χρήση του βρίσκει εφαρμογή και στους άλλους κλάδους.

  2. geosagos says:

    @Προβοκάτωρ

    Ευχαριστώ πολύ για τα καλά σας λόγια. Η αεροπορική επιτήρηση και η αεράμυνα μιας γεωγραφικής περιοχής και της χώρας γενικότερα πάντοτε αποτελούσε εξαιρετικά σημαντικό θέμα, και ιδιαίτερα στις μέρες μας που περιλαμβάνει απειλές από βαλλιστικούς πυραύλους όλο και μεγαλύτερης εμβέλειας, hypersonic βλήματα έως και ασύμμετρες απειλές drones / UAV, κλπ. Πέραν αυτού, το θέμα περιπλέκεται περαιτέρω με τις δικτυοκεντρικές του παραμέτρους.

  3. Konstantinos Zikidis says:

    Ευχαριστούμε ακόμα μια φορά τον κ. Ναύαρχο για αυτήν την εξαιρετική πηγή πληροφορίας.
    Διαπιστώνεται ότι τα συστήματα ραντάρ εξελίσσονται και βελτιώνονται παράλληλα με την εξέλιξη των διαφόρων απειλών (βαλλιστικών, υπερυπερηχητικών, πυραύλων πλεύσης, μη επανδρωμένων και περιφερόμενων πυρομαχικών διαφόρων κατηγοριών, καθώς και όλα τα ανωτέρω σε συνδυασμό με χαμηλή παρατηρησιμότητα). Και στη συζήτηση δεν μπαίνει μόνο η ονομαστική εμβέλεια αλλά και άλλες παράμετροι του ραντάρ, όπως η δυνατότητα ανίχνευσης και ιχνηλάτησης στόχου με πολύ μικρό RCS (στόχο τον οποίο απλά θα αγνοούσε ένα παλαιότερο ραντάρ), με πολύ χαμηλή ταχύτητα και ύψος (όπως ένα drone) ή με πολύ υψηλή ταχύτητα και μεγάλο ύψος (πέραν των ορίων παρακολούθησης των παλαιότερων ραντάρ). Συμπερασματικά, ένα ισχυρό ραντάρ που κάποτε εθεωρείτο ικανό, ενδεχομένως σήμερα να είναι απλά παρωχημένο, κοινώς obsolete. Εκτός εάν θεωρούμε ότι ο μόνος κίνδυνος που αντιμετωπίζουμε είναι μαχητικά Phantom… με ευμεγέθες RCS, προβλέψιμη πορεία και ταχύτητα, καθώς και συνδυασμό θόρυβου – καπνού, ως εναλλακτική μέθοδο ανίχνευσης…

  4. geosagos says:

    @konstantinoszikidis

    Ευχαριστώ πολύ κ. Ζηκίδη.
    Η ονομαστική εμβέλεια βεβαίως από μόνη της δεν μας λεει κάτι σημαντικό, καθώς αφορά σε θεωρητικά ευμενείς συνθήκες για το ραντάρ. Επίσης, πέραν των απειλών πολύ μικρού RCS έχουμε τις περιβαλλοντικές συνθήκες διάδοσης και τις παρασιτικές επιστροφές (clutter), που μπορεί να επιδράσουν σημαντικά στις αναμενόμενες αποστάσεις ανίχνευσης και παρακολούθησης.
    Ένα παλαιό ραντάρ, ακόμη και μεγαλύτερης ισχύος είναι ανεπαρκές γαι τις σημερινές ανάγκες και δεν συγκρίνεται με νεότερης τεχνολογίας AESA, που σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να φαίνονται ακόμη και χαμηλότερης ισχύος.

  5. famas says:

    Δυστυχώς λείπει το θεωρητικό υπόβαθρο για την πλήρη αντίληψη του άρθρου, οπότε θα ήθελα να ρωτήσω, καταυγαστήρες κύμματος όπως Μκ73, SPG 62 κλπ δεν χρειάζονται με τα ναυτικά AESA;

  6. geosagos says:

    @famas

    Εξαιρετική ερώτηση.
    Κατ’ αρχήν η ανάγκη καταυγαστήρων (CWI) προκύπτει από τον τύπο των χρησιμοποιούμενων αντιαεροπορικών βλημάτων.
    Oι περισσότερες και πιο διαδεδομένες εκδόσεις των SM-2 και ESSM, ανήκουν στην κατηγορία των βλημάτων ημιενεργής τελικής κατεύθυνσης (semi-active) και έχουν ανάγκη από καταύγαση των στόχων.
    Στην περίπτωση πλοίων με το ολλανδικό ραντάρ APAR, την καταύγαση αναλαμάνει το ίδιο το ραντάρ, με την τεχνική ICWI και δεν απαιτούνται ανεξάρτητοι καταυγαστήρες για την κατεύθυνση των SM-2 και ESSM.

    Για όλα τα ενεργής τελικής κατεύθυνσης βλήματα δεν υπάρχει ουδεμία ανάγκη καταυγαστήρων. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν πχ τα σκάφη Τype-45 με ραντάρ SAMPSON που χρησιμοποιούν ενεργής τελικής κατεύθυνσης βλήματα ASTER και CAMM. Επίσης, οι γαλλικές και ιταλικές φρεγάτες HORIZON, με ASTER 15/30, αλλά και οι FREMM, όπως και οι υπό κατασκευή BELH@RRA χρησιμοποιούν βλήματα ASTER που δεν χρειάζονται ουδεμία καταύγαση,

    Τώρα, ένα πλοίο που ενδεχομένως θα έφερε αποκλειστικά και μόνον τις τελευταίες εκδόσεις SM-2 ΒlockIIIC και ESSM Block2, θεωρητικά δεν θα χρειαζόταν καταύγαση στόχων (δεν έχω υπόψη κάποιο τέτοιο πλοίο).
    Πρακτικά, η πιο πρόσφατη γενιά Arleigh Burke Flight III, με το τελευταίας τεχνολογίας ραντάρ SPY-6, εξακολουθεί να φέρει καταυγαστήρες για την ημιενεργή τελική κατεύθυνση μέχρι και στις μεγαλύτερες δυνατές αποστάσεις, όλων των τύπων βλημάτων που φέρει.

    Συνοψίζοντας, τα ναυτικά AESA μπορεί να χρειάζονται ή όχι καταυγαστήρες, ανάλογα με τον τύπο των χρησιμοποιούμενων βλημάτων. Σε κάποιες περιπτώσεις εφόσον χρειάζεται καταύγαση, αναλαμβάνεται από τα ίδια τα ραντάρ, ενώ σε άλλες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται ανεξάρτητοι καταυγαστήρες,

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s