معماری راداری در سامانه S-400 این گونه است که «تک رادار» نیست، بلکه یک اکوسیستم راداری با فرکانس‌های متقاطع است. جنگنده‌های رادارگریز مانند F-35 یا F-22 برای پنهان‌کاری در باندهای فرکانسی بالا (باندهای X و Ku) بهینه‌سازی شده‌اند؛ سامانه S-400 بصورت ارگانیک با رادارهای آرایه فازی دیجیتال سری Nebo-M (که در باندهای VHF، L و X کار می‌کنند) یکپارچه می‌شود. طول موج‌های بلند باند VHF (متریک) به میزان کافی بزرگ هستند که با ابعاد فیزیکی جنگندۀ رادارگریز (دم و بال‌ها) برخورد کرده و پدیده رزونانس ایجاد کنند. این امر پوشش جذب راداری RAM را بی‌اثر می‌کند. اما رادار VHF نمی‌تواند موشک را هدایت کند (چون دقت زاویه‌ای کمی دارد)، اما کامپیوتر مرکزی سامانه (پست فرماندهی 55K6E)، داده‌های فاز باند VHF را با داده‌های رادار پیش‌اخطار 91N6E (باند S) و رادار درگیری 92N6E (باند X) تلفیق می‌کند. با این روش، یک پنجره ردگیری بسیار باریک برای رادار باند X ایجاد می‌شود تا بتواند روی هدف رادارگریز قفل کند.

اما بزرگترین چالش پدافند در بردهای بلند، انحنای زمین است. یک هدف در فاصله 300 کیلومتری اگر در ارتفاع پایین پرواز کند، پشت افق راداری پنهان می‌شود. خب سامانه S-400 چطور این مشکل را حل کرده است؟

موشک بلندبرد 40N6E از روش شلیک متعارف استفاده نمی‌کند. این موشک پس از پرتاب عمودی، مستقیماً به لایه‌های فوقانی اتمسفر (نزدیک به استراتوسفر، ارتفاع حدود 30 تا 35 کیلومتری) صعود می‌کند. این سقف پروازی به موشک اجازه می‌دهد که از بالا به افق زمین نگاه کند. در فاز پایانی، موشک کور نیست؛ کلاهک جستجوگر این موشک دارای یک رادار آرایه فازی مینیاتوری است که در حالت LOAL کار می‌کند. اگر هدف اقدامات ضد جنگ الکترونیک (ECM) شدید انجام دهد، جستجوگر موشک به حالت Home-on-Jam سوییچ کرده و مستقیماً به سمت منبع اخلالگر (مثلاً غلاف جنگ الکترونیک جنگنده) شیرجه می‌زند.

مورد بعدی تکنیک‌های پیشرفته ضد-ضد جنگ الکترونیک (ECCM) و مقابله با DRFM است. سامانه‌های جنگ الکترونیک غربی از تکنولوژی DRFM (حافظه دیجیتال فرکانس رادیویی) برای فریب رادارهای پدافندی استفاده می‌کنند به این صورت که سیگنال رادار را می‌گیرند، تغییر می‌دهند و نسخه‌های جعلی می‌فرستند. رادار درگیری 92N6E (Grave Stone) برای خنثی‌سازی DRFM از چند لایه پردازش سیگنال بهره می‌برد؛ اول اینکه هر پالس ارسالی از رادار S-400 دارای یک کدگذاری شبه‌تصادفی درون‌پالسی (Intra-pulse modulation) منحصربه‌فرد است. پردازنده رادار هنگام دریافت سیگنال برگشتی، آن را با "اثر انگشت" دقیق پالس ارسالی مقایسه می‌کند. جمرهای DRFM به دلیل تاخیر زمانی نانوثانیه‌ای در پردازش، نمی‌توانند این کدگذاری فازی را دقیقاً بازسازی کنند و رادار به راحتی اهداف کاذب را فیلتر می‌کند. و دوم اینکه آنتن رادار S-400 مجهز به پردازشگرهای دیجیتالی است که می‌توانند در جهت منبع سیگنال اخلالگر، یک پترن خنثی (Null) در زاویه دریافت آنتن ایجاد کنند. این یعنی رادار گوش‌های خود را در جهت جمر می‌بندد در حالی که همچنان از بقیه زوایا سیگنال هدف را دریافت می‌کند.

در ساختار مخابراتی S-400، پست فرماندهی الزاماً نیازی به دید مستقیم با تمام لانچرها یا رادارها ندارد. خطوط انتقال داده بین اجزای S-400 از کدهای هدایت پرش فرکانسی با سرعت بسیار بالا (گاهی تا هزاران پرش در ثانیه) در باندهای UHF/SHF استفاده می‌کنند. این خطوط داده به صورت یک Mesh Network عمل می‌کنند به این صورت که اگر یکی از رادارها یا پست‌های فرماندهی توسط موشک‌های ضد رادار مثل HARM منهدم شود، بقیه اجزا به صورت خودکار از طریق لانچرهای دیگر که نقش تکرارکننده را بازی می‌کنند، داده‌ها را به اشتراک می‌گذارند.

اما در پایان باید اذعان کرد که با وجود این شاهکار مهندسی، S-400 بی‌پایان و بی‌نقص نیست. از بعد الکترونیک، دو چالش جدی در این سامانه وجود دارد. اولاً بخش عمده‌ای از DSP و FPGA با فرکانس بالا، از قطعات تجاری در دسترس جهانی تامین شده‌اند. این یعنی خطوط تولید آن‌ها بشدت در برابر زنجیره تامین حساس است. ثانیاً اشباع پردازشی در سناریوهای اشباع راداری سامانه است؛ اگرچه کامپیوتر Elbrus-90 (یا نسخه‌های ارتقایافته) قدرت پردازش موازی بالایی دارد، اما در مواجهه با ریزپهپادهای هجومی انبوه (Drone Swarms) که سطح مقطع ناچیزی دارند اما تعدادشان به صدها عدد می‌رسد، الگوریتم‌های تفکیک هدف (Target Discrimination) دچار چالش گلوگاه پردازشی می‌شوند؛ چرا که تفکیک نویز کلاتر زمین از اهداف ریز در باند X، بار محاسباتی فوق‌العاده سنگینی را به دیکودرهای فاز رادار تحمیل می‌کند.

@Science_Prime

جستجوگر لیزری موشک هوا‌به‌زمین AGM-65 Maverick

موشک ماوریک از یک پلتفرم گیمبال نسبتاً بزرگ و سنگین استفاده می‌کند؛ صدای زوزه با فرکانس رو به افزایش که در ویدئو شنیده می‌شود ناشی از شتاب گرفتن روتور ژیروسکوپ اصلی این مجموعه است. وظیفه این ژیروسکوپ مکانیکی، جداسازی کامل خط دید ( LOS) کلاهک از حرکات و نوسانات شدید بدنه موشک (Pitch, Roll, Yaw) در طول پرواز است.

برای اصلاح خطا و چرخش کلاهک به سمت هدف؛ سیستم ممان‌های مغناطیسی (Torque Coils) سیگنال خطای الکترونیکی را دریافت کرده و به ژیروسکوپ نیرویی عمود بر محور دوران اعمال می‌کنند. بدلیل خاصیت تقدیم ژیروسکوپی، این نیرو باعث کج شدن یکنواخت و نرم محور کلاهک به سمت هدف می‌شود تا هدف دوباره در مرکز سنسور قرار گیرد. سرعت این کج شدن (Look Angle Rate) به بخش ناوبری موشک فرمان می‌دهد تا بالک‌های کنترلی بزرگ انتهای ماوریک را فعال کرده و مسیر موشک را به سمت نقطه برخورد نهایی تغییر دهد.

@Science_Prime

شبیه‌سازی رفتار امواج الکترومغناطیسی در یک موج‌بر مستطیلی استاندارد مدل WR-90 متصل به آنتن شیپوری که اثبات عینی رفتار موج‌برها بعنوان فیلترهای بالاگذر ساختاری است؛آنتن شیپوری هم عامل هدایت و تطبیق امپدانس تدریجی موج از موج‌بر به بیرون است تا از بازتاب انرژی مایکروویو جلوگیری کند.

@Science_Prime

در سامانه‌های مدرن نظامی، هوافضایی و پدافندی، بخش عمده‌ای از تجهیزات رادیویی در محدوده فرکانسی مایکروویو و موج‌های میلی‌متری فعالیت می‌کنند. رادارهای کنترل آتش، رادارهای آرایه فازی فعال (AESA)، سامانه‌های رهگیری موشک‌های بالستیک، جستجوگرهای موشکی، سامانه‌های جنگ الکترونیک و بسیاری از لینک‌های مخابراتی ماهواره‌ای نظامی معمولاً در باندهایی نظیر L، S، C، X، Ku، Ka و W کار می‌کنند. با افزایش فرکانس، انتقال توان الکترومغناطیسی به یکی از چالش‌های اصلی طراحی این سامانه‌ها تبدیل می‌شود. در فرکانس‌های بالا، تلفات در کابل‌های کواکسیال و خطوط انتقال متداول به سرعت افزایش می‌یابد. این افزایش تلفات ناشی از دو پدیده بنیادی است:
1-اثر پوستی (Skin Effect) که موجب محدود شدن جریان الکتریکی به لایه‌ای بسیار نازک در سطح هادی می‌شود و در نتیجه مقاومت مؤثر هادی را افزایش می‌دهد.
2-تلفات دی‌الکتریک (Dielectric Loss) که بخشی از انرژی میدان الکترومغناطیسی را در ماده عایق به گرما تبدیل می‌کند.

بنابراین اگرچه کابل‌های کواکسیال پیشرفته و نیمه‌صلب همچنان تا ده‌ها گیگاهرتز قابل استفاده هستند، اما با افزایش فرکانس و طول مسیر، افت سیگنال به اندازه‌ای زیاد می‌شود که برای انتقال توان‌های بالا یا مسیرهای طولانی دیگر گزینه مناسبی محسوب نمی‌شوند. به همین دلیل، موج‌برها بعنوان مؤثرترین وسیله انتقال توان در بسیاری از سامانه‌های راداری و مخابرات مایکروویوی پرقدرت مورد استفاده قرار می‌گیرند. موج‌بر در واقع یک مجرای فلزی توخالی است که امواج الکترومغناطیسی را در قالب مدهای انتشار مانند TE و TM هدایت می‌کند. برخلاف کابل‌های کواکسیال، بیشتر انرژی میدان در فضای داخلی موج‌بر که معمولاً هوا یا گاز کم‌اتلاف است، منتشر می‌شود و تنها بخش کوچکی از جریان روی سطح داخلی دیواره‌های فلزی جاری می‌شود. همین ویژگی باعث می‌شود تلفات انتقال در فرکانس‌های مایکروویو بطور قابل توجهی کمتر از کابل‌های متداول باشد.

یکی از مهم‌ترین مزایای موج‌برها، قابلیت انتقال توان‌های بسیار بالا است. در بسیاری از رادارهای پالسی نظامی، توان لحظه‌ای (Peak Power) پالس‌های ارسالی ممکن است به چندین مگاوات برسد، هرچند توان متوسط سیستم معمولاً بسیار کمتر است. در چنین شرایطی، کابل‌های کواکسیال بدلیل تمرکز میدان الکتریکی در عایق، با خطر شکست دی‌الکتریک، جرقه الکتریکی (Arcing) و تخریب حرارتی مواجه می‌شوند. در مقابل، موج‌برها بدلیل ساختار توخالی خود از هوا، نیتروژن خشک یا در برخی کاربردهای خاص از گاز SF₆ بعنوان محیط دی‌الکتریک استفاده می‌کنند که استقامت الکتریکی بسیار بالاتری دارد و امکان انتقال توان‌های بسیار زیاد را با اطمینان فراهم می‌کند.

مزیت مهم دیگر موج‌برها، افت انتقال بسیار کم است. در سامانه‌های راداری، حتی کاهش چند دسی‌بل از توان ارسالی یا دریافتی می‌تواند برد کشف هدف را بطور محسوسی کاهش دهد، زیرا طبق معادله برد رادار، توان دریافتی با توان چهارم فاصله نسبت معکوس دارد. بنابراین هر مقدار کاهش تلفات در مسیر انتقال، مستقیماً موجب افزایش برد مؤثر رادار، بهبود نسبت سیگنال به نویز (SNR) و افزایش احتمال کشف اهدافی با سطح مقطع راداری کوچک (RCS) می‌شود. به همین دلیل، در بسیاری از موج‌برهای پرکاربرد، سطح داخلی دیواره‌ها با فلزاتی مانند نقره یا طلا آبکاری می‌شود تا مقاومت سطحی کاهش یافته و تلفات رسانایی به حداقل برسد.

از منظر سازگاری الکترومغناطیسی نیز موج‌برها عملکرد بسیار مطلوبی دارند. بدنه فلزی بسته آن‌ها مانند یک قفس فارادی عمل می‌کند و از نفوذ میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی به داخل مسیر انتقال تا حد زیادی جلوگیری می‌کند. این ویژگی در محیط‌های نظامی که مملو از سامانه‌های جنگ الکترونیک، جمرها و منابع متعدد تداخل فرکانسی (EMI/RFI) است، اهمیت فراوانی دارد. البته از دیدگاه مهندسی هیچ سامانه‌ای کاملاً مصون نیست و کیفیت آب‌بندی فلنج‌ها، اتصالات و دقت ساخت نیز بر میزان نشتی یا ایزولاسیون تأثیر می‌گذارد؛ با این حال، موج‌برها نسبت به سایر خطوط انتقال، مقاومت بسیار بیشتری در برابر تداخلات خارجی دارند.

از نظر مکانیکی نیز موج‌برها برای محیط‌های عملیاتی بسیار مناسب هستند. سامانه‌های نصب‌شده روی جنگنده‌ها، ناوهای جنگی، سامانه‌های موشکی یا خودروهای رزمی باید در برابر ارتعاشات شدید، شتاب‌های زیاد، شوک‌های مکانیکی و تغییرات شدید دمایی مقاومت کنند. تغییر شکل مکانیکی در کابل‌های فرکانس بالا می‌تواند موجب تغییر امپدانس مشخصه، افزایش نسبت موج ایستاده (VSWR) و ایجاد بازتاب سیگنال شود، اما موج‌برهای صلب بدلیل حفظ دقیق هندسه داخلی خود، عملکرد الکتریکی بسیار پایدارتری در شرایط سخت محیطی ارائه می‌دهند.
@Science_Prime

یکی دیگر از کاربردهای مهم موج‌برها، تغذیه آنتن‌های مایکروویوی است. بسیاری از آنتن‌های شیپوری، آنتن‌های شیاردار، بازتابنده‌های سهموی، سامانه‌های کاسگرین و شبکه‌های تغذیه رادارهای آرایه فازی از موج‌برها برای انتقال انرژی استفاده می‌کنند. طراحی مناسب موج‌بر و بخش انتقال تدریجی آن به آنتن باعث تطبیق امپدانس میان موج هدایت‌شده و فضای آزاد شده و بازتاب انرژی را به حداقل می‌رساند؛ در نتیجه بیشترین توان ممکن به سمت هدف تابش می‌شود.

البته باید توجه داشت که در رادارهای نسل جدید، تمام مسیر انتقال امواج الزاماً از موج‌بر تشکیل نشده است. با پیشرفت فناوری‌های MMIC، خطوط میکرو‌استریپ، خطوط کوپلنار (CPW) و بویژه موج‌برهای SIW، بسیاری از مدارهای فرکانس بالا مستقیماً روی بردهای مایکروویوی یا تراشه‌های مجتمع پیاده‌سازی می‌شوند. با این وجود، در بخش‌هایی که انتقال توان زیاد، کمترین تلفات، پایداری مکانیکی بالا یا عملکرد در فرکانس‌های بسیار بالا مورد نیاز باشد، موج‌برهای فلزی همچنان بهترین گزینه مهندسی محسوب می‌شوند و جایگاه خود را در سامانه‌های پیشرفته حفظ کرده‌اند.

بطور خلاصه، موج‌برها بدلیل توانایی انتقال توان‌های بسیار بالا، تلفات انتقال بسیار کم، مقاومت عالی در برابر تداخلات الکترومغناطیسی، استحکام مکانیکی زیاد و قابلیت تغذیه مستقیم آنتن‌های مایکروویوی، یکی از ارکان اصلی طراحی سامانه‌های راداری، مخابرات مایکروویوی و تجهیزات پدافندی مدرن به شمار می‌روند. اگرچه فناوری‌های جدیدی مانند MMIC و SIW بخش قابل توجهی از مدارهای فرکانس بالا را متحول کرده‌اند، اما در کاربردهای پرتوان و حساس، موج‌برها همچنان نقشی اساسی و غیرقابل جایگزین در زنجیره انتقال انرژی الکترومغناطیسی ایفا می‌کنند.

@Science_Prime

این فیلم مستند از ج‌ج2 و نیروی هوایی بریتانیا، گذار مهندسی رادار از سیستم‌های آنتن ثابت به سیستم‌های اسکن مکانیکی را نشان می‌دهد. این مکانیزم‌ها (اسکن مارپیچی و اسکن مخروطی) پیش‌زمینه حیاتی برای ساخت رادارهای هدایت آتش پیشرفته و در نهایت رادارهای مدرن آرایه فازی امروزی بودند.


@Science_Prime