相控阵雷达简介

相控阵雷达简介第一部分：引言论坛上朋友们对相控阵雷达很感兴趣，而且对美军的有源相控阵雷达表示出近乎崇拜的热情，总是哀叹我们为什么没有这么神气的雷达。

但是在很多朋友的帖子中，都表现出我们对相控阵雷达的概念不是很清楚，甚至有的雷达专业的网友有时也有一些似是而非的说法。

其实要正确的了解雷达中的很多基本概念，并不是很容易的事情，要能给别人讲清楚，更需要实际的工作经验。

碰巧我参加过相控阵雷达研制，虽然做的工作是边边角角的，但是想结合自己的体会和一些专业书上的概念，尽可能把我认为正确的概念介绍给各位朋友。

第二部分：相控阵技术综述相控阵技术是一种通过控制阵列天线的各个单元的相位和幅度以便形成在空间满足一定分布特性的波束，并且能够改变其扫描角度（指向）的技术。

这种技术目前一般都是用计算机控制波束的形成和扫描，因此最大和好处是可以实现一些传统天线没有的优势，即：形状、指向和波束的个数无惯性的改变。

这里解释一下什么是波束，波束实际上是一个形象的说法，在天线和传播技术领域，我们经常讲某个天线发射的（或者接收的）波束是“笔型波束”、“扇行波束”等等之类的，并不是说在空间存在这样的一个笔形或者扇形的东西，而是说当这个天线发射信号时（或者接受信号时）它在不同的方向信号放大倍数是不同的（或者对接收在不同空间到达方向的信号放大倍数不同），有的方向倍数大（叫增益），有的方向小，就形成了一个增益和方向的关系曲线，形象的说，就是一个“笔形的波束”或者“扇形波束”。

需要说明的是，所有的天线都有波束的概念，而且接收的时候和发射的时候可以是不同的。

相控阵的天线通过电控的单元相位改变，使波束指向、形状、个数等可以很快的改变，这是它根本的优势。

还有一个顺便可以提到的问题，就是雷达干扰和抗干扰问题。

在雷达对抗领域，经常提到一个旁瓣干扰的概念，这个又是一个和波束概念有关系的。

一般在天线增益最大的方向附近是天线的主波瓣，在这个方向附近之外，天线增益下降很快，但是其他的方向上增益也不会是零，一般在很大的范围内，都会有信号进入，但是除了主瓣之外，其他方向进入的信号比最大的主瓣方向进入的信号要弱很多。

所以，当空间中有敌方的干扰机时，无论雷达接收波束指向哪里，干扰信号一般都会进入雷达接收机，从而干扰正常信号的检测。

如果干扰机碰巧处于波束指向的位置，就是主瓣的干扰，否则是旁瓣干扰。

主瓣干扰恐怕没有什么有效的方法，旁瓣干扰则可以通过增加辅助天线阵，用旁瓣对消技术消除，就是利用辅助天线和主天线共同合成一个在干扰机所处的方位增益为０的综合波束形状，消除干扰。

很多人可能会问，相控阵雷达好象有很多优势，比如功率大、抗干扰能力强、处理能力强、多功能什么的。

这些其实不是相控阵天线自动给予的，事实上，相控阵能够带来的好处就是上面说的那些。

为什么相控阵雷达处理能力强？我想是因为多数情况下我们把处理能力强的雷达都作成了相控阵体制。

第三部分：相控阵的雷达的分类和国内外研制现状 要特别说明的是，本节和以后提到所有我国研制的相控阵雷达都出自科学出版社出版的《空间探测相控阵雷达》和《相控阵雷达技术》，都是公开的。

最新的信息这里不敢介绍，只说一点，就是：国内从事雷达研制的科研院所，不少因为合作研制的关系，都曾经和他们交往过，我觉得他们都是非常有事业心，而且都是在很努力的工作着，接触到的多数单位，科研人员都在加班加点的工作，科技人员的待遇已经有了显著的提高，可以说，我们在努力的工作，虽然和先进水平有差距，但是我们会追赶上的。

战术上，雷达有作为目标指示和不作为目标指示的区别。

（雷达按照战术要求分类，可以专门写好长，有机会再慢慢写吧）。

一般目标指示这个概念，是把雷达放在一个大的武器系统中而言的，比如把一个舰艇整个看成一个武器系统，其中的雷达可能有很多部，有的作用距离远一些，但是精度不高，机械转动，提供远程预警，不做目标指示用，有的则提供很强的目标处理能力，能够提取高精度的目标三维坐标信息（距离、方位和俯仰），这样的雷达可以作为舰艇的目标指示，因此战术上可以成为目标指示雷达。

目标指示的三坐标雷达（当然，近程的二坐标精密搜索雷达也可以做目标指示，），采用相控阵体制就有很大的优势，因此，从战术上讲，一般提供目标指示的多为相控阵雷达。

相控阵雷达的分类（主要根据战术要求，天线和相关的馈电、扫描控制、发射接收方式等和相控阵直接相关的技术因素等分类）：１、扫描方式前面说过，相控阵雷达的扫描方式可以是电控的，但是从天线设计的原理上说，用电控扫描的方式实现作战要求空域的覆盖需要用大量的阵元数目实现。

比如一个面阵天线可以覆盖大于＋－４５度（就是大于９０度的范围）空域，那么要覆盖３６０度全空域，就有两种方式，一种是做四个同样的阵面，摆成四面阵（当然考虑到各个覆盖空域的交迭，所以每个阵面覆盖的要大于９０度）。

显然系统的成本至少增加了四倍。

另外一种思路就是让这个面阵可以旋转，这样就也能覆盖３６０度空域，优点是成本低，缺点当然是性能差一些，机械转动的天线都有这个问题。

所以相控阵雷达也不都是完全靠电控改变波束指向实现空域覆盖的，必须要考虑成本和战术要求等多方面因素。

可以用全空域相扫，即雷达战术要求覆盖的全部空域，都用相位扫描的方法实现，阵列天线固定安装。

比如ＡＮ／ＳＰＹ－１Ａ等多面阵的雷达。

另外一类就是很多的面阵雷达，为有限相扫的，即天线不能直接覆盖战术要求的空域，还需要机械转动装置配合。

比如１６７上安装的面阵相控阵雷达，即为有限相扫。

另外以前曾专文介绍的ＡＮ／ＡＰＹ－６美国最新战场侦察雷达，采用的也是有限相扫。

２、天线各阵元排列方式不同我们目前常见的多为平面相控阵天线的雷达，这种雷达有一定的缺点，主要是相扫能够覆盖的空域不超过＋－６０度即１２０度，而且天线波束指向和阵面夹角变化时，波束宽度也在随着变化，夹角越小，波束展宽越严重。

另外一种天线阵形式是共形天线阵，理论上可以克服这些平面阵列天线的缺点，但是目前技术上比较困难，还在实验中。

共形天线的概念，我也不是很清楚，就不乱讲了。

３、有源相控阵和无源相控阵，这是朋友们谈的最多的区分方式。

无源相控阵和非相控阵天线雷达采用相同的发射和接收体制，即集中的发射和接收体制。

无源相控阵雷达与机械扫描的雷达区别只是在于它有多个天线单元，每个单元都接一个移相器，发射信号和普通雷达一样是一个集中的发射机，发射功率通过馈电网络和移相器从阵面上辐射出去，接收的信号从阵面各个阵列单元进入移相器再通过馈电网络进入集中的接收机。

无源相控阵雷达的天线阵面是天线单元和移相器等无源器件组成，所以叫无源相控阵。

有源相控阵和无源相控阵的根本区别就是在于将原来的集中式单个发射机改变为多个子阵发射机，每个子阵发射机和对应的子阵和无源相控阵形式差不多，极端来讲，可以每个天线单元都接有一个移相器、一个馈电装置，一个发射模块、收发转换开关、接收前端模块等。

当然由于每个阵元都接自己的“发射机”，功率自然就小的多，也就可以用很小的甚至是固态集成的功率器件实现，接收前端的器件也可以做的体积很小，转换开关的耐功率要求也不高，这样，将“小发射机”，接收前端，和转换开关可以做成一个小的模块，就是我们常说的“Ｔ／Ｒ模块”或者说收发模块／组件。

一个Ｓ波段、Ｐ波段或者Ｘ波段的相控阵天线，可能有几千甚至上万个阵元，不一定每个阵元都接收发模块，可以分为若干个子阵，每个子阵还包含几十到几百个阵元，每个子阵有自己的发射机、馈电网络、收发开关和接收前端。

国外的有源相控阵包括很多，比如我们常提到的ＡＮ／ＡＰＧ－７７（Ｆ２２）用的雷达，还有ＡＮ／ＳＰＹ－１Ａ等。

我国在９０年代初南京电子技术研究所做了一些关于有源相控阵的实验研究，并取得了相当的成果。

４、馈电方式不同，什么是馈电？简单说，发射时馈电就是将发射机提供的功率分别送到各个对应的阵元发射出去。

如果用强制馈电，就是用导线、微带线波导等硬连接的手段，把功率分配到各个单元的分配方式，接收时也是一样。

空间馈电就是各个阵元在内部通过空气（或者别的介质）收集发射机发射的功率，然后辐射出去，在空间再合成功率，接收时也是相反。

南京电子技术研究所已经完成了Ｌ波段的有源相控阵雷达实验系统的工作，并且在２００Ｍ带宽的模式下对Ａ３２０飞机成像做了多次实验，效果良好。

（〈科学出版社〉〈空间探测相控阵雷达〉第１１４页）。

第四部分：有源相控阵雷达有源相控阵将原来的集中式单个发射机改变为多个子阵发射机，甚至可以每个辐射单元接一个小发射机，这样除了普通相控阵雷达具有的那些优点（波束无惯性改变能力，多波束能力等）外，还有如下的优势：１、大功率合成能力集中式发射机，由于受功率管和功率器件的能力限制，合成功率能力有限。

而有源相控阵采用多个子发射机，这些子发射机发射的功率可以在空间直接合成（其实就是各自发射自己的，保持各辐射单元相参，在空间叠加在一起）。

这样就可以简单的通过增加子阵个数达到大的功率口径积，提高作用距离。

比如美国战区高空防御系统（ＴＨＡＡＤ）中的雷达，天线面积９.２平方米，Ｔ／Ｒ组件２５０００多个，但是每个Ｔ／Ｒ组件的功率其实只有６～８Ｗ。

探测距离５００ＫＭ。

而美国国家导弹防御系统地基雷达，是一种宽带固态Ｘ波段多功能相控阵雷达，天线面积１２０多平方米，作用距离２０００～４０００ＫＭ，Ｔ／Ｒ组件个数１６８９６个。

２、功率损耗小采用集中式发射机的雷达，发射信号通过比较多的馈线，波导等才通过天线辐射出去，而有源阵每个子阵发射机发射的信号经过功率放大器和天线单元后辐射出去，在空间合成功率，这样双程（信号发射出去，从目标反射，再进入天线直到接收机）损耗比无源相控阵小６ｄＢ以上。

６ｄＢ的损耗大概等于作用距离损失４０％。

３、可靠性高，维修性好从两个角度说，可靠性高，第一是由于每个子阵或者辐射单元的小发射机功率低，完全可以采用固态功率放大器，而接收前端也可以用微波集成电路实现（ＭＭＩＣ），另外移相器也可以用单片电路实现，总之，电路固态、集成，可靠性高，寿命长；第二是因为多个子阵发射机，每个小发射机的失败不会使整个系统失败，同样每个小接收机失败也没有大的关系。

而集中式的发射机就不同，一旦失败，系统就无法工作。

而集中式发射机由于功率非常大，其实比有源阵中的小发射机要容易出故障。

维修性好，主要是因为有源阵由大量完全相同的Ｔ／Ｒ组件组成，每个组件成本都不高（Ｓ波段进口组件大约几百美圆），损坏后可以直接更换。

南京电子技术研究所的Ｌ波段１６Ｘ３２有源相控阵实验系统，天线阵为１６Ｘ３２单元，每列１６单元，共３２列。

每列共用一个Ｔ／Ｒ组件，所以共３２个Ｔ／Ｒ组件，每列再通过馈电网络分配到各个单元上。

在该系统上，已经实验完成了宽带宽角扫描技术、低幅瓣天线技术、高性能高可靠Ｔ／Ｒ组件技术，数字波束形成技术和自适应波束形成，完成宽带２００ＭＨｚＩＳＡＲ成像的研究。