有源相控阵雷达21世纪机载雷达的革命(图)

　　记者：您刚才讲到，机载雷达目前发展的最高阶段是相控阵雷达。什么是相控阵？

　　贲德：雷达在搜索目标时，需要不断改变波束的方向。改变波束方向的传统方法是转动天线，使波束扫过一定的空域、地面或海面，称为机械扫描。把天线做成一个平面，上面有规则地排列许多个辐射单元和接收单元，称为阵元。利用电磁波的相干原理，通过计算机控制输往天线各阵元电流相位的变化来改变波束的方向，同样可进行扫描，称为电扫描。接收单元将收到的雷达回波送入主机，完成雷达的搜索、跟踪和测量任务。这就是相控阵技术。利用相控阵技术的雷达称为相控阵雷达。由于改变电控移相器的相位可在瞬间完成，因而可实现在瞬间改变天线波束指向，这种无惯性的波束扫描，赋予相控阵雷达许多卓越的特性。与机械扫描雷达相比，相控阵雷达的天线无需转动，波扫描更灵活，能跟踪更多的目标，抗干扰性能好，还能发现隐形目标。

　　相控阵雷达分有源和无源两种。有源相控阵是指在天线阵中每个天线单元下面都连接一个T/R组件，T/R组件中不仅有移相器，而且还包含有对射频信号进行功率放大的功率放大器，对回波信号进行放大的低噪声放大器(LNA)、可变衰减器、控制开关等。而无源相控阵雷达则是使用统一的发射机和接受器，外加具有相位控制能力的相控阵天线组成，天线本身不能产生雷达波。

　　记者：目前国际上有一种说法，称有源相控阵雷达的研制带来了新世纪机载火控雷达的革命。您如何看待？

　　贲德：这要从有源相控阵雷达的发展谈起。自20世纪50年代末相控阵雷达问世以来，相控阵雷达技术在地面雷达和舰载雷达中得到广泛应用。但迟迟未能在机载雷达中应用，这主要是受体积重量的限制及器件性能和成本的制约。

　　美国早在1964年就开始了机载有源相控阵的研究工作，开展了微电子用于雷达(MERA)计划，研制了一个604单元的有源阵列。一直到20世纪90年代，代表机载火控雷达发展方向的有源相控阵火控雷达APG-77才研制成功；在欧洲，英国、法国和德国在联合研制机载多功能固态阵列雷达(AMSAR)，将用于法国的“阵风”战斗机和欧洲联合战斗机的研制计划中；另外，日本、俄罗斯和以色列也都在研制机载有源相控阵火控雷达。

　　记者：为什么这么多国家都纷纷投入到研制有源相控阵雷达的行列中来？它有哪些卓越的性能？

　　贲德： 首先是它的射频功率效率高。在机械扫描雷达中，发射机产生的射频功率经馈线网络送到天线阵面辐射出去，收、发双向产生的射频损耗一般要有5分贝以上。在有源相控阵天线中，T/R组件紧挨着天线单元，T/R组件中的功率放大器和天线单元间的损耗及天线单元和T/R组件中的低噪声放大器间的损耗可以忽略不计，这对提高雷达探测性能的作用是明显的。

　　其次，具有多功能性。由于相控阵天线波束控制的灵活性，使雷达能以时分割的方式实现多功能，可同时跟踪多批目标，一部雷达可以达到几部机械雷达的功能。它能边扫描边跟踪(与机械扫描的TWS概念不同，搜索和跟踪在时间上和空间上分别是独立的)，同时跟踪多批目标。在完成空空功能的同时，还可实现空/地、信标等功能，这是机械扫描雷达无法做到的。

　　第三，可提高探测和跟踪能力。由于波束指向灵活可控，可以根据需要确定射频能量在观察空域中的分配，在有可能出现目标的方向上，集中能量，增大发现目标的距离。可根据目标的性质，决定波束在目标上的驻留时间，改善跟踪稳定性。还可采用序列检测的方法改善探测性能。

　　第四，具有形成不同形状波束的能力。因为相控阵天线口径上的相位和幅度分布是可控的，所以可以根据需要形成不同的波束，如针状波束、宽波束、扇形波束和余割平方波束等。还可以实现自适应波束，在存在干扰的方向上，形成零点，以抑制有源干扰，使雷达工作更有效。

　　第五，具有极高的可靠性。在有源相控阵雷达中，去掉了可靠性差的大功率行波管发射机，取消了易出故障的机械旋转部件，使雷达系统可靠性大幅度提高。更重要的是天线阵是多路并行工作，T/R组件非常可靠，即使个别组件出故障，对雷达系统性能的影响并不明显，即具有故障弱化功能。就是60%的组件发生故障，雷达系统仍可保持高性能工作；30%的组件失效，雷达性能下降3分贝。诺斯洛普·格鲁曼公司的工程师认为有源相控阵雷达能很好地有效运行数年。Raytheon公司认为APG-79雷达的严重故障间隔平均时间可超过15000小时，并声称其相控阵天线可能在10~20年内无需维护。

　　第六，雷达隐身性能好。雷达具有较低的雷达截面积(RCS)，起到隐身作用。原因是：天线以电扫描代替了机械扫描，去掉了对电磁波反射大的天线座及传动装置；相控阵天线在工作时不转动，这有异于机械扫描天线面总是垂直于波束指向方向，因而降低了入射方向的电磁波的反射，致使RCS降低。相控阵雷达易于实现能量管理，再加上天线阵的低副瓣性能，因而，相控阵雷达具有低截获概率和隐身能力。

　　第七，相控阵天线可以分成子阵多路并行工作，为时空自适应信号处理提供了条件，因而能实现对地面慢速目标的监测。

　　基于这些优点，所以我们可以说，有源相控阵雷达的研制标志着机载火控雷达进入了新时代。

　　记者：据了解，美国一直在研究有源相控阵雷达在未来战争中的作用，并且已经开始在新一代战斗机上安装该系统，而其他国家这方面的有关报道还没有看到。

　　贲德：由于有源相控阵雷达具有机械扫描雷达不可比拟的优越性，技术上一旦突破，立即就会被多种战斗机所采用。目前，世界上只有美国将这一技术实用化。

　　APG-77装备F-22战斗机已投入使用，装备F-35的APG-81正在进行飞行试验，F-15C、F-16C/D和F/A-18E/F已从装备机械扫描雷达升级为装备有源相控阵雷达。

　　美军部分战机火控雷达演变情况(红色为有源相控阵雷达)

　　70年代80年代90年代当前

　　F-15C APG-63 APG-70 APG-63(V)2

　　F-16C/D APG-68 APG-80

　　F/A-18E/F APG-65 APG-73 APG-79

　　F-22 APG-77

　　F-35 APG-81

　　有源相控阵雷达开辟了机载火控雷达的新时代。作为21世纪的新一代装备，它们将被大量生产。

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