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アクティブ電子走査アレイ（AESA ）はフェーズドアレイアンテナの一種で、アンテナを動かすことなく電波ビームを電子的に異なる方向に向けることができるコンピュータ制御のアンテナアレイです。 [ 1 ] AESAでは、各アンテナ素子はコンピュータの制御下にある小型のソリッドステート送受信モジュール（TRM）に接続されており、このモジュールがアンテナの送信機および/または受信機の機能を実行します。これは、すべてのアンテナ素子がコンピュータの制御下にある位相シフターを介して単一の送信機および/または受信機に接続されるパッシブ電子走査アレイ（PESA）とは対照的です。AESAの主な用途はレーダーであり、これらはアクティブフェーズドアレイレーダー（APAR）として知られています。
AESAは、オリジナルのPESAフェーズドアレイ技術のより高度で洗練された第2世代です。PESAは一度に1つの周波数で1つの電波ビームしか放射できません。複数のビームが必要な場合は、PESAはバトラーマトリックスを使用する必要があります。AESAは、複数の周波数で複数の電波ビームを同時に放射できます。AESAレーダーは、より広い周波数範囲に信号放射を分散できるため、背景ノイズの中で検出されにくくなり、船舶や航空機はステルス性を維持しながら強力なレーダー信号を放射でき、妨害に対する耐性も高まります。AESAとPESAのハイブリッドも存在し、個別にPESAに似たサブアレイで構成され、各サブアレイは独自のRFフロントエンドを備えています。ハイブリッド方式を使用すると、純粋なAESAと比較して、AESAの利点（たとえば、複数の独立したビーム）を低コストで実現できます。
ベル研究所は1960年にナイキ・ゼウス・レーダーをフェーズドアレイ・システムに置き換えることを提案し、1961年6月に開発の許可を得た。その結果、初期のアクティブ電子操舵アレイ・レーダー・システムであるゼウス多機能アレイ・レーダー（ZMAR）が誕生した。 [ 4 ] 1963年にゼウス計画がナイキXシステムに取って代わられた際に、ZMARはMARとなった。MAR（多機能アレイ・レーダー）は多数の小型アンテナで構成され、各アンテナは個別のコンピュータ制御の送信機または受信機に接続されていた。様々なビームフォーミングと信号処理ステップを用いることで、1つのMARで長距離探知、トラック生成、弾頭とデコイの識別、および発射された迎撃ミサイルの追跡が可能となった。[ 5 ]
MARは、広範囲にわたる戦闘全体を単一のサイトから制御することを可能にした。各MARとその関連する戦闘センターは、数百の目標の追跡を処理する。システムは、それぞれの目標に対して最も適切な砲台を選択し、攻撃する特定の目標を引き渡す。通常、1つの砲台はMARに関連付けられ、他の砲台は周囲に分散される。遠隔砲台には、より単純なレーダーが装備されており、その主な目的は、遠く離れたMARから見えるようになる前に、発射されたスプリントミサイルを追跡することであった。これらの小型ミサイルサイトレーダー（MSR）は受動的にスキャンされ、MARの複数のビームではなく、単一のビームのみを形成する。[ 5 ]
MARは最終的に成功を収めたものの、そのシステムのコストは莫大だった。ABMの問題が複雑化し、MARのようなシステムでさえ現実的な攻撃シナリオに対処できなくなったとき、Nike-Xのコンセプトは放棄され、MARを使用しないSentinelプログラムのようなはるかに単純なコンセプトが採用された。2番目の例であるMAR-IIは、クワジェリン環礁でその場で放棄された。[ 6 ]
ソ連初のAPAR（対空レーダー）である5N65は、 S-225 ABMシステムの一部として1963年から1965年にかけて開発された。1967年にシステムコンセプトに若干の変更が加えられた後、 1970年から1971年にかけてサリ・シャガン試験場で建設され、西側諸国では「フラットツイン」という愛称で呼ばれた。その4年後、同じ設計の別のレーダーがクラ試験場に建設されたが、S-225システムは結局運用されることはなかった。
F-22やスーパーホーネットで使用されているAESAレーダーの米国メーカーには、ノースロップ・グラマン[ 7 ]やレイセオン[ 8 ]などがある。これらの企業は、AESAレーダーの「構成要素」となる送受信モジュールの設計、開発、製造も行っている。必要な電子技術は、MMICプログラム[ 9 ] [ 10 ]などの国防総省の研究プログラムを通じて社内で開発された。2016年には、議会が24機の州兵戦闘機用の新しいレーダーを製造するための軍事産業競争に資金を提供した[ 11 ] 。
レーダーシステムは一般的に、強力な無線送信機にアンテナを接続して短い信号パルスを発信することで機能します。送信機は切断され、アンテナは高感度受信機に接続され、目標物からの反射波を増幅します。信号が戻ってくるまでの時間を測定することで、レーダー受信機は対象物までの距離を判断できます。受信機は、得られた出力を何らかの表示装置に送信します。送信素子は通常、クライストロン管またはマグネトロンであり、これらは狭い周波数範囲を高出力レベルまで増幅または生成するのに適しています。空の一部をスキャンするには、レーダーアンテナを物理的に移動させて異なる方向に向ける必要があります。
1960年代以降、送信信号を制御された方法で遅延させることができる新しい固体素子が導入されました。これにより、最初の実用的な大規模受動電子走査アレイ（PESA）、あるいは単にフェーズドアレイレーダーが誕生しました。PESAは単一の送信源からの信号を受け取り、それを数百の経路に分割し、そのうちのいくつかを選択的に遅延させて個々のアンテナに送信します。個々のアンテナからの無線信号は空間的に重なり合い、個々の信号間の干渉パターンを制御することで、特定の方向の信号を強め、他の方向の信号を弱めます。遅延は電子的に容易に制御できるため、アンテナを動かすことなくビームを非常に高速に操舵できます。PESAは、従来の機械式システムよりもはるかに高速に空間を走査できます。さらに、電子工学の進歩により、PESAは複数のアクティブビームを生成する機能も備え、空を走査し続けながら、同時に特定の目標に小さなビームを集中させて、セミアクティブレーダーホーミングミサイルの追跡や誘導を行うことが可能になりました。 PESAは1960年代に船舶や大型固定施設で急速に普及し、電子機器の小型化に伴い、その後航空機搭載型センサーが登場した。
AESAは、固体電子工学のさらなる発展の成果です。以前のシステムでは、送信信号はクライストロンや進行波管などの比較的大きな装置で生成されていました。受信電子回路も、使用する周波数が高いため大型でした。 1980年代にガリウムヒ素マイクロエレクトロニクスが導入されたことで、受信素子のサイズは大幅に縮小され、携帯無線機と同程度の数立方センチメートル程度の体積で効果的なものを作ることができるようになりました。JFETとMESFETの導入は、システムの送信側にも同様の効果をもたらしました。これにより、低電力の固体波形発生器が増幅器に電力を供給する増幅器兼送信機が実現し、このようなレーダーは、より広い周波数範囲で送信できるようになり、送信するパルスごとに動作周波数を変更できるようになりました。送信機、受信機、アンテナを含むアセンブリ全体を、牛乳パックほどの大きさの単一の「送信受信機モジュール」（TRM）に縮小し、これらの要素を配列することで、AESAが実現する。
AESAがPESAよりも優れている主な点は、各モジュールが異なる周波数で動作できることです。PESAでは少数の送信機が単一の周波数で信号を生成しますが、AESAでは各モジュールがそれぞれ独立した信号を生成・放射します。これにより、AESAは周波数の異なる多数の「サブビーム」を同時に生成し、それらを識別して、より多くのターゲットをアクティブに追跡することが可能になります。AESAはまた、複数のTRMからの合成信号を後処理することで、あたかも単一の強力なビームが送信されているかのように表示を再現し、同時に多くの異なる周波数からなるビームを生成することもできます。ただし、これは各周波数に存在するノイズも受信され、加算されることを意味します。
AESAはPESAの機能に加えて、独自の多くの機能を備えています。その中には、複数のビームを同時に形成する機能、レーダー探知など異なる役割にTRMのグループを同時に使用する機能、そしてより重要な点として、複数の同時ビームと走査周波数によって、従来の相関型レーダー探知機にとって困難な課題が生じることなどが挙げられます。
レーダーシステムは、信号を発信し、遠くの物体からの反射波を受信することで機能します。目標物への往復経路はいずれも、送信信号と反射信号の両方において、伝搬の逆二乗法則に従います。つまり、レーダーが受信するエネルギーは距離の4乗に反比例して減少するため、レーダーシステムは長距離で効果を発揮するために、メガワット級の高出力を必要とするのです。
送信されるレーダー信号は単純な無線信号であり、単純な無線受信機で受信できます。軍用機や艦船には、「レーダー警報受信機」（RWR）と呼ばれる防御用受信機が搭載されており、敵のレーダービームが照射されたことを検知して敵の位置を明らかにします。パルスを送信してから反射波を受信する必要があるレーダー装置とは異なり、目標の受信機は反射波を必要としないため、信号は距離の二乗に反比例して減衰します。つまり、アンテナサイズの差を無視すれば、受信機は常にレーダーよりも距離の点で優位に立っており、レーダーが目標のエコーを捉えるずっと前に信号を検出できます。レーダーの位置は、そのプラットフォームへの攻撃において非常に有用な情報であるため、攻撃を受ける場合は、レーダーを長期間停止させる必要があります。これは、例えば艦船でよく見られることです。
レーダーは信号の送信方向を把握しているのに対し、受信機は単にエネルギーのパルスを受信して解釈する必要がある。無線スペクトルはノイズで満たされているため、受信機の信号は短時間積分され、レーダーのような周期的な信号源は加算されてランダムな背景ノイズの中で際立つ。おおよその方向は、回転アンテナや同様の受動アレイを用いて位相または振幅の比較によって計算できる。通常、RWRは検出されたパルスを短時間保存し、その送信周波数とパルス繰り返し周波数を既知のレーダーのデータベースと比較する。信号源の方向は通常、レーダーの想定される目的（空中早期警戒管制、地対空ミサイルなど）を示すシンボルと組み合わせて表示される。
この技術は、周波数可変（固体）送信機を備えたレーダーに対しては、あまり役に立ちません。AESA（またはPESA）は、（ドップラーフィルタリングを使用する場合を除いて）パルスごとに周波数を変更でき、通常はランダムシーケンスを使用して変更するため、時間積分しても、背景ノイズから信号を取り出すのに役立ちません。さらに、レーダーは、パルスの持続時間を延長し、ピーク電力を下げるように設計されている場合があります。AESAまたは最新のPESAは、多くの場合、動作中にこれらのパラメータを変更する機能を備えています。これは、ターゲットによって反射される総エネルギーには影響しませんが、RWRシステムによるパルスの検出の可能性を低くします。[ 12 ]また、AESAには固定パルス繰り返し周波数はなく、これも変更できるため、スペクトル全体にわたる周期的な明るさを隠すことができます。旧世代のRWRは、AESAレーダーに対して基本的に役に立たないため、AESAは低確率迎撃レーダーとしても知られています。現代のRWRは高感度（個々のアンテナの角度と帯域幅が小さい、伝送損失とノイズが低い） [ 12 ]である必要があり、有用な検出率を達成するために時間周波数処理によって連続パルスを追加する必要があります。[ 13 ]
同様に、AESAレーダーに対する妨害もはるかに困難です。従来、妨害装置はレーダーの動作周波数を特定し、その周波数で信号を送信して、受信機が「本物の」パルスと妨害装置のパルスを混同しないようにすることで動作していました。この技術は、レーダーシステムが動作周波数を容易に変更できない限り有効です。送信機がクライストロン管に基づいていた時代には、これは一般的に当てはまり、レーダー、特に航空機搭載レーダーは、選択できる周波数が限られていました。妨害装置は、それらの周波数を傍受し、妨害に使用する周波数を選択することができました。
最新の電子機器を使用したレーダーのほとんどは、パルスごとに動作周波数を変更できます。これにより、妨害電波の効果を弱めることができます。広帯域の白色雑音を送信してあらゆる周波数に対して集中妨害を行うことは可能ですが、これによって特定の周波数における妨害電波のエネルギー量が減少してしまいます。AESAレーダーは、さらに妨害が困難なチャープと呼ばれる単一の広帯域パルスを発信する機能も備えています。
AESAは受信専用モードに切り替えることもでき、強力な妨害信号を利用して発信源を追跡します。これは、従来のプラットフォームでは別途受信機が必要だった機能です。AESAのような高精度RWRを備えた探知システムは、目標のレーダーからの受信信号と、目標自身の送信による低レートのデータを組み合わせることで、より少ないエネルギーでより多くのデータを生成できます。受信ビームフォーミング機能を備えたシステム（通常は地上設置型）の中には、送信機を完全に不要にするものもあります。
しかし、受信アンテナが1つだけでは方向しか得られません。距離と目標ベクトルを取得するには、位相干渉法を用いない限り、三角測量用の物理的に分離された受動デバイスを少なくとも2つ使用して瞬時に決定する必要があります。目標の動き解析では、受信機の位置と目標の動きに関する制約条件に加え、時間経過に伴う多数の方向測定値を組み込むことで、これらの量を推定できます。
AESAの各要素は強力な無線受信機であるため、アクティブアレイは従来のレーダー以外にも多くの役割を担っています。その用途の一つとして、いくつかの要素を共通レーダー信号の受信に充てることで、別途レーダー警報受信機を用意する必要がなくなります。同じ基本概念は、従来の無線サポートにも利用でき、一部の要素が送信も行うことで、非常に高い帯域幅のデータリンクを形成します。F-35はこのメカニズムを利用して、航空機間でセンサーデータを送信し、単一のレーダーでは生成できない高解像度と範囲の合成画像を提供します。2007年には、ノースロップ・グラマン、ロッキード・マーティン、L-3コミュニケーションズによるテストで、ラプターのAESAシステムがWiFiアクセスポイントのように動作し、毎秒548メガビットでデータを送信し、ギガビット速度で受信できることが実証されました。これは、米国と同盟国の航空機が使用するLink 16 システム（毎秒1メガビット強でデータを転送）よりもはるかに高速です。 [ 14 ]これらの高いデータレートを実現するには、AESAが提供するような指向性の高いアンテナが必要ですが、アンテナのビーム幅内にない他のユニットによる受信は妨げられます。一方、ほとんどのWi-Fi設計と同様に、Link-16は信号を全方向に送信し、範囲内のすべてのユニットがデータを受信できるようにします。
AESAは、PESAや旧型設計のモジュールよりもはるかに信頼性が高い。各モジュールは互いに独立して動作するため、単一のモジュールが故障してもシステム全体の動作への影響は小さい。さらに、各モジュールは40～60ワット程度の低電力で動作するため、大型の高電圧電源は不要となる。
機械式走査アレイを固定AESAマウント（ボーイングF/A-18E/Fスーパーホーネットなど）に置き換えると、航空機の全体的なレーダー断面積（RCS）を低減できますが、一部の設計（ユーロファイタータイフーンやグリペンNGなど）では、機械式走査と電子式走査を組み合わせて全範囲の角度を広げるために、この利点を放棄しています。[ 15 ] [ 16 ]この高いオフノーズ指向により、AESA搭載戦闘機は、空対空戦闘の文脈で「ビーム」と呼ばれることが多いT字横断機動を、AESAが60度のオフアングル制限内に収まるように目標に向かって40度旋回する間、垂直飛行の低速接近を地上クラッターとしてフィルタリングする機械式走査レーダーに対して実行できます。[ 17 ]
素子間の距離が半波長の場合、最大ビーム角は約°。素子間隔が短い場合、平面フェーズドアレイアンテナの最大視野角（FOV）は現在120°（°)、[ 18 ]ただし、これは上記のように機械式ステアリングと組み合わせることもできます。[ 19 ] [ 20 ]
運用中の軍艦に初めて搭載されたAESAレーダーは、三菱電機製の日本のOPS-24で、1988年に進水した朝霧型駆逐艦の後期バッチの1番艦である浜霧（ DD-155）に搭載された。
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