mały|Samolot bojowy Eurofighter Typhoon ze zdjętą osłoną nosa, ukazującą antenę radaru AESA
AESA (od ang. Active Electronically Scanned Array) – radar wykorzystujący aktywne skanowanie elektroniczne (aktywny szyk fazowany), w którym kierunek wiązki fal radiowych jest sterowany elektronicznie bez konieczności mechanicznego obracania anteny. Dzięki temu antena może niemal natychmiast zmieniać kierunek obserwacji, tworzyć jednocześnie kilka wiązek i śledzić wiele celów naraz – w przeciwieństwie do klasycznych radarów, które muszą fizycznie obracać czaszę anteny. W typowej antenie AESA poszczególne elementy promieniujące lub ich niewielkie grupy są obsługiwane przez niezależnie sterowane półprzewodnikowe tory nadawczo-odbiorcze (T/R). Odróżnia to AESA od pasywnego szyku z elektronicznym skanowaniem (PESA), w którym elementy anteny są zasilane z jednego lub kilku wspólnych nadajników za pośrednictwem sterowanych . W polskiej literaturze radiolokacyjnej dla anten tego typu stosowane są określenia „aktywna antena sterowana elektronicznie” oraz „radiolokacyjna antena aktywna z elektronicznie sterowaną wiązką”. mały|Zasada elektronicznego odchylania wiązki wspólna dla anten fazowanych. Stopniowa zmiana fazy sygnałów doprowadzanych do kolejnych elementów zmienia kierunek, w którym fale sumują się zgodnie w fazie. Technologia AESA stanowi rozwinięcie pasywnych szyków fazowanych. Określa architekturę anteny i torów nadawczo-odbiorczych, a nie jeden określony rodzaj sygnału radarowego. Radar z anteną AESA może zależnie od konstrukcji używać krótkich impulsów, dłuższych sygnałów kodowanych, przestrajania częstotliwości albo fali ciągłej z modulacją częstotliwości (FMCW). Rozdzielenie torów nadawczo-odbiorczych pomiędzy wiele modułów umożliwia m.in. szybkie zmienianie parametrów emisji, tworzenie wielu wiązek oraz równoczesne wykonywanie różnych zadań przez wydzielone części anteny. Radar może rozkładać energię sygnału w szerszym paśmie częstotliwości, co utrudnia wykrycie emisji na tle oraz zwiększa odporność na zakłócenia radiolokacyjne. Stosowane są także rozwiązania hybrydowe, w których antena składa się z podanten, z których każda ma własny tor częstotliwości radiowej i może tworzyć niezależną wiązkę.
Pierwsze naziemne, okrętowe i lotnicze radary AESA weszły do służby w latach 90. XX wieku.
Historia mały|Szkic koncepcji radaru ZMAR z 1962 roku mały|Widok trzech kopuł prototypu Multifunction Array Radar na poligonie White Sands Missile Range mały|Szkic radaru antybalistycznego FLAT TWIN
W 1960 roku Bell Labs zaproponowało zastąpienie radarów systemu Nike Zeus urządzeniem z szykiem fazowanym, a w czerwcu 1961 roku uzyskało zgodę na rozpoczęcie prac. Rezultatem był Zeus Multi-function Array Radar (ZMAR), jeden z wczesnych radarów z aktywnym elektronicznym sterowaniem wiązką. Po zakończeniu programu Zeus i zastąpieniu go w 1963 roku programem nazwę ZMAR skrócono do MAR (Multi-function Array Radar). MAR składał się z wielu małych anten, z których każda była połączona z oddzielnym, sterowanym komputerowo nadajnikiem albo odbiornikiem. Dzięki formowaniu wiązek i przetwarzaniu sygnałów pojedynczy radar mógł wykrywać cele na dużych odległościach, tworzyć trasy celów, odróżniać głowice od celów pozornych i śledzić wystrzelone pociski przechwytujące.
MAR miał umożliwiać kierowanie obroną rozległego obszaru z jednego stanowiska. Radar wraz z centrum kierowania przetwarzałby dane o setkach celów, wybierał odpowiednią baterię i przekazywał jej cel do zwalczania. Jedna bateria miała zwykle znajdować się przy radarze MAR, a pozostałe rozmieszczano w jego otoczeniu. Baterie oddalone wyposażano w prostsze radary Missile Site Radar (MSR), przeznaczone przede wszystkim do śledzenia pocisków Sprint, zanim znalazły się w polu obserwacji radaru MAR. MSR były radarami pasywnie skanowanymi i tworzyły pojedynczą wiązkę, podczas gdy MAR mógł tworzyć ich wiele.
Pomimo pomyślnych prób koszt systemu MAR był bardzo wysoki. Wraz ze wzrostem złożoności zagrożenia antybalistycznego program Nike-X zarzucono na rzecz prostszych koncepcji, m.in. programu Sentinel, który nie wykorzystywał MAR. Drugi egzemplarz, MAR-II, pozostawiono na atolu Kwajalein.
Radziecki radar 5N65 (RSN-225), opracowany dla systemu obrony antybalistycznej S-225, wykorzystywał pasywny szyk fazowany, nie był więc radarem AESA. Prace nad systemem rozpoczęto w 1962 roku, a radar, znany na Zachodzie jako Flat Twin, testowano na poligonie .
Za pierwsze systemy kolejnych kategorii uznaje się: J/FPS-3 – radar uznawany za pierwszy operacyjny wojskowy naziemny radar AESA; w 1995 roku osiągnął pełną gotowość operacyjną w 45. Grupie Kontroli i Ostrzegania Powietrznego Japońskich Sił Samoobrony; OPS-24 – pierwszy seryjnie produkowany okrętowy radar AESA, zastosowany na japońskim niszczycielu Hamagiri (DD-155) typu Asagiri, zwodowanym w 1988 roku; EL/M-2075 Phalcon – jeden z pierwszych seryjnych lotniczych radarów AESA; system dostarczono Chile na samolocie Boeing 707; J/APG-1 – pierwszy seryjny radar AESA wprowadzony na samolocie bojowym, zastosowany na Mitsubishi F-2; głowicę samonaprowadzającą pocisku AAM-4B – pierwszy radar AESA w pocisku rakietowym; AAM-4B jest przenoszony przez Mitsubishi F-2 oraz japońskie .
Do amerykańskich producentów radarów AESA dla samolotów F-22 Raptor i F/A-18E/F Super Hornet należą Northrop Grumman i Raytheon. Przedsiębiorstwa te projektują i wytwarzają także moduły nadawczo-odbiorcze stanowiące podstawowe elementy anten AESA. Niezbędne technologie elektroniczne rozwijano w programach badawczych amerykańskiego Departamentu Obrony, m.in. w programie monolitycznych mikrofalowych układów scalonych (MMIC). W 2016 roku Kongres Stanów Zjednoczonych sfinansował konkurs przemysłowy na nowe radary dla 24 samolotów myśliwskich Gwardii Narodowej.
Zasada działania mały|upright=1.4|Uproszczony schemat anteny AESA mały|Schemat architektury AESA. Każdy element antenowy jest połączony z własnym modułem nadawczo-odbiorczym zawierającym tory nadawczy i odbiorczy oraz układ sterowania fazą. W klasycznym radarze antena jest połączona z nadajnikiem dużej mocy, który emituje krótki impuls. Następnie nadajnik zostaje odłączony, a antena jest dołączana do czułego odbiornika wzmacniającego echa odbite od celów. Pomiar czasu powrotu sygnału umożliwia wyznaczenie odległości. W starszych radarach jako źródła sygnału stosowano m.in. klistrony i magnetrony, zdolne do wzmacniania lub wytwarzania dużej mocy w stosunkowo wąskim zakresie częstotliwości. Przeszukiwanie przestrzeni wymagało mechanicznego kierowania anteny.
Od lat 60. XX wieku zaczęto stosować półprzewodnikowe układy umożliwiające kontrolowane opóźnianie sygnału. Pozwoliło to zbudować praktyczne duże pasywne szyki z elektronicznym skanowaniem (PESA). Sygnał ze wspólnego źródła rozdzielano na setki torów, w wybranych torach wprowadzano opóźnienia, a następnie doprowadzano go do poszczególnych elementów anteny. Fale emitowane przez elementy nakładały się w przestrzeni. Sterowanie ich fazą powodowało wzmacnianie sygnału w wybranym kierunku i jego osłabianie w innych. Zmiana ustawień przesuwników fazowych pozwalała szybko zmieniać kierunek wiązki bez ruchu anteny. PESA może przeszukiwać obszar szybciej niż antena kierowana wyłącznie mechanicznie. Rozwój elektroniki umożliwił także tworzenie kilku wiązek, dzięki czemu radar mógł jednocześnie przeszukiwać przestrzeń, śledzić wybrane cele i naprowadzać pociski z półaktywnym samonaprowadzaniem radarowym. mały|Moduł nadawczo-odbiorczy (T/R) przeznaczony do radarów samolotu Eurofighter Typhoon. Moduły tego rodzaju wzmacniają sygnał i umożliwiają sterowanie jego fazą. AESA powstała wskutek dalszego rozwoju elektroniki półprzewodnikowej. Zastosowanie w latach 80. XX wieku układów z arsenku galu pozwoliło znacznie zmniejszyć odbiorniki, a wykorzystanie tranzystorów JFET i MESFET – także tory nadawcze. Generator przebiegu małej mocy mógł zasilać półprzewodnikowy wzmacniacz, co umożliwiło emisję w szerszym zakresie częstotliwości oraz zmianę częstotliwości między impulsami. W skład toru nadawczo-odbiorczego mogą wchodzić m.in. wzmacniacz mocy (PA) w torze nadawczym, (LNA) w torze odbiorczym, przełącznik nadawanie–odbiór oraz układy sterujące fazą i amplitudą sygnału. Współczesne moduły czoła radiowego mogą integrować w jednym układzie przełącznik RF, wzmacniacz mocy, wzmacniacz niskoszumowy i ogranicznik chroniący tor odbiorczy przed sygnałem o nadmiernej mocy. Funkcje sterowania fazą i tłumieniem mogą być zrealizowane w oddzielnym układzie formowania wiązki (ang. beamformer IC, BFIC), współpracującym z modułem czoła radiowego; stopień integracji i dokładny podział funkcji zależą od konstrukcji anteny.
W torze odbiorczym istotne jest ograniczenie strat pomiędzy elementem antenowym a pierwszym stopniem wzmacniającym. Tłumienie w przełączniku nadawanie–odbiór, połączeniach i innych elementach pasywnych znajdujących się przed wzmacniaczem niskoszumowym (LNA) zwiększa współczynnik szumów całego toru odbiorczego, dlatego dąży się do minimalizacji tych strat.
W modułach AESA stosuje się różne technologie półprzewodnikowe. Oprócz arsenku galu (GaAs) w nowszych konstrukcjach wykorzystuje się azotek galu (GaN), przede wszystkim w elementach pracujących z dużą mocą, takich jak wzmacniacze nadajników. GaN charakteryzuje się dużym napięciem przebicia i umożliwia uzyskiwanie dużej mocy wyjściowej oraz wysokiej sprawności, co jest szczególnie istotne w antenach zawierających setki lub tysiące kanałów T/R. Nie oznacza to całkowitego zastępowania GaAs przez GaN: w jednym torze mogą być łączone układy wykonane w różnych technologiach, np. GaN w stopniu dużej mocy, GaAs w układach niskoszumowych oraz krzemowe układy sterujące formowaniem wiązki.
Pojedynczy element antenowy emituje falę w stosunkowo szerokim zakresie kątów i zwykle nie zmienia mechanicznie swojego kierunku. W wybranym kierunku fale z wielu elementów przebywają nieco różne drogi. Komputer kompensuje te różnice, nadając kolejnym torom odpowiednie przesunięcia fazy albo opóźnienia czasowe. W zamierzonym kierunku fale docierają zgodnie w fazie i wzajemnie się wzmacniają, a w innych kierunkach częściowo się wygaszają. Przykładowo dla częstotliwości 10,6 GHz, odstępu elementów 15 mm i odchylenia wiązki o 30° potrzebna różnica faz między sąsiednimi elementami wynosi około 95°.
Kanały anteny muszą być zsynchronizowane ze wspólnym wzorcem czasu i częstotliwości. Wspólne są m.in. częstotliwość nośna, chwile rozpoczęcia impulsów, modulacja lub kod sygnału oraz przełączanie między nadawaniem a odbiorem, natomiast każdy kanał otrzymuje obliczoną poprawkę fazy, opóźnienia i amplitudy. Konieczna jest kalibracja, ponieważ przewody, wzmacniacze i elementy antenowe wprowadzają różne opóźnienia i wzmocnienia, zmieniające się także z temperaturą.
Tworzenie wielu wiązek należy odróżnić od bardzo szybkiego przeplatania zadań. Radar może kolejno kierować jedną wiązkę na różne cele, cyfrowo formować jednocześnie kilka wiązek odbiorczych albo podzielić aperturę na podanteny wytwarzające niezależne wiązki. Podział anteny zmniejsza jednak liczbę elementów, a więc także moc i zysk dostępne dla każdej z wiązek.
Architektura systemu AESA obejmuje nie tylko elementy promieniujące i moduły T/R, lecz cały łańcuch generowania, rozprowadzania, nadawania, odbioru i przetwarzania sygnału. W jednej z typowych współczesnych architektur elementy antenowe są połączone z modułami czoła radiowego zawierającymi tory nadawcze i odbiorcze, te zaś współpracują z układami formowania wiązki sterującymi fazą i amplitudą. Dalej sygnały są przekazywane do części odbiorczo-przetwarzającej i cyfrowego układu przetwarzania danych.