无源 有源相控阵雷达原理、电扫阵列及典型雷达系统.docx

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无源/有源相控阵雷达原理、电扫阵列及典型雷达系统

相参技术

相参雷达是指雷达系统的发射信号、本振电压、相参震荡电压和定时器的触发脉冲均由同一基准信号提供，使得这些信号之间可以保持确定的相位关系，同时接收的回波信号也可以提取信号的相位信息。

相参技术对主振源信号具有极高的频率稳定度要求和频谱纯度，对天线性能，信号处理器等都具有很高的要求。

相同频率，不同相位的信号叠加效果

移相器

移相器的作用是将信号的相位移动一个角度，相位和频率保持稳定的对应关系是移相器的一个重要特性。

铁氧体移相器

铁氧体移相器的基本原理是利用外加直流磁场改变波导内铁氧体的导磁系数，从而改变电磁波的相速，得到不同的相移量。

铁氧体移相器的主要优点是承受功率较高，插入损耗较小，带宽较宽。

其缺点是所需激励功率比PIN管移相器大，开关时间在微秒（us）量级。

半导体PIN二极管

PIN二极管开关从“开”到“关”或者相反动作的起始状态达到稳定状态的时间称为开关时间。

以半导体PIN二极管作为开关器件的数字式移相器相位转换时间可以达到纳秒（ns）量级。

GaAsFET

GaAsFET开关是数控移相器的主要构成元素，它作为一个三端器件，可以通过对栅偏置电压的控制来改变源漏间电阻，从而实现开关动作，转换时间也在纳秒（ns）量级。

相控阵雷达原理

有了信号叠加的原理和移相器，相控阵雷达原理就好理解了，其基本思想：

通过移相器改变每个辐射元件发射信号的相位，以提供相长/相消干涉，从而实现波束的电子扫描，在期望的方向上形成窄波束，雷达天线不需要机械转动。

电子扫描阵列很好的解决了机械雷达的机械惯性和扫描需要时间长等问题，实现了波束指向的无惯性快速扫描，为任务的灵活敏捷性创造了很好的条件。

相控阵天线是相控阵雷达组成的核心之一，相控阵天线既有有源、无源之分，也有一维、二维之分。

无源电子扫描阵列

PassiveElectronicallyScannedArray,PESA

无源电子扫描阵列天线表面的阵元只有改变信号相位的能力而没有发射信号的能力，信号的产生还是依靠天线后方的信号产生器，然后利用波导管将产生的信号号送到信号放大器上，再传送到阵列单元上面，接收时则反向而行。

通常，PESA雷达具有一个发射机和数千个天线单元和移相器。

常见的全向或定向天线如下：

早期机载无源/有源相控阵雷达中最常用的辐射天线是贴片天线，因为它们是最容易设计的。

现在有源相控阵更多的使用短槽（Notch）天线，因为相比于贴片天线，它具有宽带的特性和更好的增益。

有源电子扫描阵列

ActiveElectronicallyScannedArray,AESA

从外部来看，PESA和AESA很难区分，但其内部组成是不同的，有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射/接收组件，每一个组件都能发射和接收电磁波。

从上图对比可以看出，对于AESA的大多数元件例如低噪放、功放、双工器、移相器等都被小型化并组成一个T/R模块，每个单独的T/R模块都可以被理解为一个小型雷达。

有源相控阵通常有三种情况：

一是阵元级有源相控阵天线，也就是每个天线单元通道均有对应的T/R模块；二是子阵级有源、阵元级无源的相控阵天线；三是子阵级、阵元级均为有源的相控阵天线，其先在子阵级先进行一次功率放大并分配到m个通道，再分别接T/R模块对信号进一步放大。

通常，T/R模块的数量可被用来评估一部雷达的性能，例如：

AESA相比于PESA的优点

AESA的独特设计使其相比于PESA具有许多的优点。

在AESA中，低噪放更接近接收机，可以实现比PESA更好的信噪比，从而具有更高的检测灵敏度。

在相同的检测性能情况下，AESA通常具有更高的占空比和更低的峰值功率，具有更好的低截获性能。

另外，由于AESA上的每个T/R模块不依赖单个高功率放大器，因此它们可以同时以不同的频率发射信号，也就是说AESA可以将阵列分成几个较小的子阵来同时形成多个独立的波束，实现同时多任务。

有源相控阵雷达除了具备较强的低截获和抗干扰能力，另外的显著优势就是波束捷变能力和同时多波束的能力。

多个T/R模块故障只会降低天线性能，不会导致失效，可靠性增加。

对于一个线性阵列，要想形成某个角度指向的波束，每个移相器到底该移多少相位呢？

通过举例进行简单计算，假设阵元间距为15cm，波长为10cm，波束方位为30度，第二个相对于第一个需要移相360*15*sin（30°）/10=270°，那么第八个阵元相对于第一个阵元需要移相7*270°=1890°，减去n个360°，也就是需要移相90°。

波束宽度

波束宽度是指主波束方向图功率下降到一定程度内的角度范围，功率下降3dB时的波束宽度叫做半功率波束宽度。

波束宽度主要与雷达波长、天线阵的有效口径长度以及扫描角有关，直观的理解就是阵元数越多，阵元间隔越大、波长越短，波束宽度越窄，天线增益就越高。

如果照射的角度增大，会带来波束宽度和增益的恶化，如下图所示。

不同数量的阵元，形成的天线方向图如下所示：

当雷达工作频率不变，阵元数一定的情况下，增加阵元间距可以增大天线阵的孔径，但是当阵元间距大于工作波长时，会出现删瓣，显著影响雷达性能。

线性阵与平面阵

相控阵可以是线性的，也可以是平面的。

线性阵是先将多个阵元合成一路信号后进行统一移相，而平面阵是每个阵元都具有独立的的移相器。

线性阵可以在一维上移动波束，而平面阵则可以在二维上移动波束。

典型的无源相控阵雷达

无源相控阵雷达具有一个发射机，多个天线单元。

每个天线辐射源的波前是球面的，但它们在天线的前面叠加，从而产生沿特定方向行进的平面波。

通过计算机控制改变相移，从而改变波束的指向角度θ。

·AN/FPQ-16 PARCS at CavalierAirForceStation

·AN/MPQ-53

·AN/MPQ-65

·AN/SPQ-11 CobraJudy

·AN/SPY-1 Aegiscombatsystem

·AN/TPQ-36 and AN/TPQ-37 Firefinderradars

·AN/APY-1/2 BoeingE-3Sentry

·AN/APY-7 forE-8JointSTARS

·AN/APQ-164 B-1B

·AN/APQ-181 B-2Spirit

  ...

典型的有源相控阵雷达

随着雷达技术正在变得越来越复杂，威胁也越来越大，如今的战场更具挑战性和危险性。

为了应对这些更复杂的威胁，世界上最新的战斗机正在配备有源相控阵雷达。

AESA雷达的大带宽，敏捷性使得战斗机能够在更远的距离上更快的检测，跟踪和识别更多的目标，并在复杂的电磁环境中生存。

并且具有全天候高分辨率合成孔径雷达成像，为飞行员提供了一个能够进行精确目标识别和打击的大型表面图像。

·AN/APG-80,forthe F-16E/FDesertFalcon

·AN/APG-77,forthe F-22 Raptor

·AN/APG-81,forthe F-35 LightningII

·AN/APG-83 SABR,forthe F-16VBlock20Viper and B-1BLancer upgrades

·AN/APY-9,forthe E-2DAdvancedHawkeye

        ...

·AN/APG-63（V）2 andAN/APG-63（V）3

·AN/APG-79,forthe F/A-18E/FSuperHornet and EA-18GGrowler

·AN/APG-82（V）1 forthe F-15EStrikeEagle

·AN/APQ-181 upgradefromPESAtoAESA,forB-2Spirit bomber

        ...

·FlexDAR FlexibleDistributedArrayRadar

·U.S.NationalMissiledefense Sea-basedX-bandRadar （XBR）

·AN/SPY-3 multifunctionradar

·AN/SPY-6

...

F-22上的APG-77多功能火控雷达

AN/APG-77多功能雷达是一种有源相控阵雷达，可探测远程多目标和隐形飞行器，通过F-22飞机上的综合信息处理机遇其他传感器和航电设备相连，其可对天线的收发波束方向图进行控制并对所接收到的雷达数据进行处理。

有源电扫描阵列由2000个低功率X波段收发组件构成，每一个辐射单元的发射机和接收机是分置的，具有高的灵活性、低RCS和宽带宽。

每个收发组件为70mm*3mm，可产生10W的射频功率，采用的是砷化镓（GaAs）技术。

工作方式

·空空：

对空搜索与跟踪、边搜索边测距、边跟踪边扫描、单目标跟踪、群目标分辨等；

·空地：

地形测绘、地面动目标跟踪、地面动目标指示（GMTI）；

·空海：

海面目标检测、固定目标跟踪。

据报道，APG-77除了采用聚束SAR模式获得3m的高分辨，还采用逆SAR获得超高分辨，使其分辨力可以达到0.3m。

F-35上的APG-81多功能火控雷达

APG-81是充分借鉴了APG-77的研制经验与成熟技术，并且具有“多通道”接收机和激励器，每个通道针对不同的参数，各自分析一个离散的雷达回波信号，N个通道便同时可以获得多个参数结果，实现了基于单个脉冲的多功能。

APG-81可以同时承担通信、干扰或者目标搜索等任务，实时跟踪目标，监视敌电子辐射信号和干扰敌方雷达，为飞行员提供精确的目标定位信息和自动跟踪提示。

APG-81的主要功能

·空空搜索与跟踪

·空地攻击

·SAR成像，超高分辨力SAR成像

·单脉冲地形测绘

·高增益的ESM

·ECM

·ATC导航/气象传感器

雷达的X波段AESA天线（1200个阵元）位于机头内，实现与雷达和前半球ECM有关的功能，从AESA天线辐射出去的电子对抗ECM信号能量强度足以烧毁敌方电子设备。

其对于干扰后半球来的威胁是通过单独使用安装在机头机翼和机尾的小天线。

综合射频传感器系统采用“即插即用”的架构，雷达核心处理机和一级组件是固定式的，雷达传感器和T/R组件均可随时使用新型组件来替换。

F-16的APG-83可拓展敏捷波束雷达（SABR）

APG-83AESA对传统机械扫描的APG-66和APG-68雷达提供以下功能增强，以确保F-16在未来几十年内保持可持续发展。

·自主，全方位的进行目标的精准定位；

·更快的搜索和目标获取能力；

·更远的目标检测和跟踪范围；

·更小尺寸的目标检测；

·多目标跟踪；

·更强的电子战能力；

·大范围高分辨率的SAR成像性能；

·交互模式操作，提高情境意识；

·海上模式；

·3-5倍的可靠性和可用性； 

我国的雷达也正在走出国门，面向世界

机载火控雷达

我国“枭龙”战机的有源相控阵雷达，该机载火控雷达能够完成搜索、截获、跟踪、制导多种功能，战机在发射炮弹或导弹前对目标信息的准确测量，包括目标的位置和速度。

相对传统机械扫描雷达，有源相控阵雷达波束指向灵活，增加了系统带宽，可同时实现对地、对空、对海、搜索、精确跟踪、导弹制导、多目标攻击、电子对抗、成像等不同的工作模式，实现不同的功能。

炮位雷达

炮兵侦校定位雷达，可追踪敌方火炮发射的炮弹后，依据敌军火炮弹道后推出其发射阵地的位置，为己方的火力反击提供敌军目标的精确定点坐标信息。

中国的炮位雷达经过几十年的风雨历程，目前还在不断地更新迭代。

为了让新款的炮位雷达更耐高温，设计师团队还在不停地讨论、验证，他们盼望着自己的最新的作品能够做成世界第一。

反隐身防空预警雷达

该雷达可以为作战指挥系统、拦截武器系统及航空兵部队提供空中目标的方位、距离、高度和敌我识别等综合空中情报信息，具有较强的情报综合和独立引导能力。

具备探测目标类型多样、反隐身能力强、威力远、距离分辨率高、抗干扰能力强，机动性好等特点。

雷达工作在频率较低的UHF波段，低频段电磁波波长长，波照射到隐身飞机后形成“绕射”现象，因此对隐身目标探测具有天然的优势。

“蜘蛛网”雷达

这是一款便携式多功能侦察雷达，体积小、重量轻，适装各类轻型化武器平台、单兵作战，其采用先进的两维相扫圆形数字有源相控阵体制，可实现360度全方位波束电扫，被称为“蜘蛛网”雷达。

该雷达具有强地杂波下高概率检测“低、小、慢”目标的突出能力，可有效探测、跟踪任意方位来袭的目标的能力，对机场、要害部位低空、高低速、各类大小空中目标预警探测提供全面解决方案。

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