從最基本的概念開(kāi)始逐步理解相控陣?yán)走_(dá)的原理。

相參雷達(dá)

相參雷達(dá)是指雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)、本振電壓、相參震蕩電壓和定時(shí)器的觸發(fā)脈沖均由同一基準(zhǔn)信號(hào)提供，使得這些信號(hào)之間可以保持確定的相位關(guān)系，同時(shí)接收的回波信號(hào)也可以提取信號(hào)的相位信息。

相同頻率，不同相位的信號(hào)疊加后的效果如下圖。

移相器

移相器的作用是將信號(hào)的相位移動(dòng)一個(gè)角度，相位和頻率保持穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系是移相器的一個(gè)特性。

有了信號(hào)疊加的原理和移相器，相控陣?yán)走_(dá)原理就呼之欲出了，其基本思想：通過(guò)改變每個(gè)輻射元件發(fā)射信號(hào)的相位，以提供相長(zhǎng)/相消干涉，以便在期望的方向上形成波束，從而控制波束指向不需要通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)了。

那么，問(wèn)題來(lái)了！對(duì)于一個(gè)線性陣列，要想形成某個(gè)角度指向的波束，每個(gè)移相器到底該移多少相位呢？

可以通過(guò)下面公式進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，例如陣元間距為15cm，波長(zhǎng)為10cm，波束方位為30度，第二個(gè)相對(duì)于第一個(gè)需要移相360*15*sin(30°)/10=270°，那么第八個(gè)陣元相對(duì)于第一個(gè)陣元需要移相7*270°=1890°，減去n個(gè)360°，也就是需要移相90°。

波束寬度

波束寬度是指主波束方向圖功率下降到一定程度內(nèi)的角度范圍，功率下降3dB時(shí)的波束寬度叫做半功率波束寬度。

波束寬度主要與波長(zhǎng)、天線陣的口徑長(zhǎng)度以及掃描角有關(guān)，直觀的理解就是陣元數(shù)越多，陣元間隔越大、波長(zhǎng)越短，波束寬度越窄，天線增益就越高。

如果照射的角度增大，會(huì)帶來(lái)波束寬度和增益的惡化。

如果陣元間距取值不合適，相控陣天線掃描時(shí)的輻射場(chǎng)就會(huì)在主瓣以外的其他方向上形成有規(guī)律的類似主波束的刪瓣，其位置是頻率和陣元間距的函數(shù)。下圖是陣元間距不同情況下的刪瓣如。

例如對(duì)于矩形柵格的相控陣來(lái)說(shuō)，給定最大掃描角為90度，則陣元間最大間距為半波長(zhǎng)；并且波長(zhǎng)要選取工作頻段中的最短波長(zhǎng)。

無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)

無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)只有一個(gè)發(fā)射機(jī)，多個(gè)天線單元。每個(gè)天線輻射源的波前是球面的，但它們?cè)谔炀€的前面組合（疊加），從而產(chǎn)生沿特定方向行進(jìn)的平面波。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制改變相移，從而改變波束的指向角度θ。

典型的無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)

• AN/FPQ-16 PARCS at Cavalier Air Force Station

• AN/MPQ-53

• AN/MPQ-65

• AN/SPQ-11 Cobra Judy

• AN/SPY-1 Aegis combat system

• AN/TPQ-36 and AN/TPQ-37 Firefinder radars

• AN/APY-1/2 Boeing E-3 Sentry

• AN/APY-7 for Northrop Grumman E-8 Joint STARS

• AN/APQ-164 B-1B (Northrop Grumman formerly Westinghouse ESG)

• AN/APQ-181 B-2 Spirit (initial version, now AESA)

    ...

有源相控陣?yán)走_(dá)

有源相控陣?yán)走_(dá)，也叫有源電子掃描陣列（Active Electronically Scanned Array, AESA）雷達(dá)，隨著雷達(dá)技術(shù)正在變得越來(lái)越復(fù)雜，威脅也越來(lái)越大，如今的戰(zhàn)場(chǎng)更具挑戰(zhàn)性和危險(xiǎn)性。為了應(yīng)對(duì)這些更復(fù)雜的威脅，世界上最新的戰(zhàn)斗機(jī)正在配備有源相控陣?yán)走_(dá)。

有源相控陣?yán)走_(dá)的每個(gè)輻射器都配裝有一個(gè)發(fā)射/接收組件，每一個(gè)組件都能自己產(chǎn)生、接收電磁波，因此在頻寬、信號(hào)處理和冗度設(shè)計(jì)上都比無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)具有較大的優(yōu)勢(shì)。

AESA雷達(dá)的大帶寬，敏捷性使得戰(zhàn)斗機(jī)能夠在更遠(yuǎn)的距離上更快的檢測(cè)，跟蹤和識(shí)別更多的目標(biāo)，并在復(fù)雜的電磁環(huán)境中生存。并且具有全天候高分辨率合成孔徑雷達(dá)成像，為飛行員提供了一個(gè)能夠進(jìn)行精確目標(biāo)識(shí)別和打擊的大型表面圖像。

線性陣與平面陣

相控陣可以是線性的，也可以是平面的。線性陣是先將多個(gè)陣元合成一路信號(hào)后進(jìn)行統(tǒng)一移相，而平面陣是每個(gè)陣元都具有獨(dú)立的的移相器。線性陣可以在一維上移動(dòng)波束，而平面陣則可以在二維上移動(dòng)波束。

相控陣?yán)走_(dá)的一大先天優(yōu)勢(shì)是天線波束的快速掃描與形狀捷變。那么，這個(gè)掃描與變化的快慢和哪些因素有關(guān)呢？

對(duì)于采用移相器的相控陣天線，天線波束指向的快速變換能力，在硬件上取決于開(kāi)關(guān)器件及其控制信號(hào)的計(jì)算、傳輸和轉(zhuǎn)換時(shí)間。也就是說(shuō)，采用不同類型的移相器，會(huì)對(duì)天線波束轉(zhuǎn)換時(shí)間產(chǎn)生很大的影響。

鐵氧體移相器

鐵氧體移相器的基本原理是利用外加直流磁場(chǎng)改變波導(dǎo)內(nèi)鐵氧體的導(dǎo)磁系數(shù)，從而改變電磁波的相速，得到不同的相移量。

鐵氧體移相器的主要優(yōu)點(diǎn)是承受功率較高，插入損耗較小，帶寬較寬。其缺點(diǎn)是所需激勵(lì)功率比PIN管移相器大，開(kāi)關(guān)時(shí)間在微秒（us）量級(jí)。

半導(dǎo)體PIN二極管

PIN二極管開(kāi)關(guān)從“開(kāi)”到“關(guān)”或者相反動(dòng)作的起始狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間稱為開(kāi)關(guān)時(shí)間。以半導(dǎo)體PIN二極管作為開(kāi)關(guān)器件的數(shù)字式移相器相位轉(zhuǎn)換時(shí)間可以達(dá)到納秒（ns）量級(jí)。

GaAs FET

GaAs FET開(kāi)關(guān)是數(shù)控移相器的主要構(gòu)成元素，它作為一個(gè)三端器件， 可以通過(guò)對(duì)柵偏置電壓的控制來(lái)改變?cè)绰╅g電阻，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作， 轉(zhuǎn)換時(shí)間也在納秒（ns）量級(jí)。

典型的有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)

• AN/APG-80, for the F-16E/F Desert Falcon

• AN/APG-77, for the F-22 Raptor
  

• AN/APG-81, for the F-35 Lightning II

• AN/APG-83 SABR, for the F-16V Block20 Viper and B-1B Lancer upgrades

• AN/APY-9, for the E-2D Advanced Hawkeye

        ...


• AN/APG-63(V)2 and AN/APG-63(V)3, for the F-15C Eagle, Republic of Singapore's F-15SG

• AN/APG-79, for the F/A-18E/F Super Hornet and EA-18G Growler

• AN/APG-82(V)1 for the F-15E Strike Eagle

• AN/APQ-181 upgrade from PESA to AESA, for Northrop Grumman B-2 Spirit bomber

        ...

• FlexDAR Flexible Distributed Array Radar

• U.S. National Missile defense Sea-based X-band Radar (XBR)

• AN/SPY-3 multifunction radar for U.S. DD(X) and CVN-21 next-generation surface vessels

• AN/SPY-6

  ...

F-22上的AN/APG-77多功能火控雷達(dá)

AN/APG-77多功能雷達(dá)是一種有源相控陣?yán)走_(dá)，可探測(cè)遠(yuǎn)程多目標(biāo)和隱形飛行器，通過(guò)F-22飛機(jī)上的綜合信息處理機(jī)遇其他傳感器和航電設(shè)備相連，其可對(duì)天線的收發(fā)波束方向圖進(jìn)行控制并對(duì)所接收到的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

有源電掃描陣列由2000個(gè)低功率X波段收發(fā)組件構(gòu)成，每一個(gè)輻射單元的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是分置的，具有高的靈活性、低RCS和寬帶寬。每個(gè)收發(fā)組件為70mm*3mm，可產(chǎn)生10W的射頻功率，采用的是砷化鎵（GaAs）技術(shù)。

工作方式

• 空空：對(duì)空搜索與跟蹤、邊搜索邊測(cè)距、邊跟蹤邊掃描、單目標(biāo)跟蹤、群目標(biāo)分辨等；

• 空地：地形測(cè)繪、地面動(dòng)目標(biāo)跟蹤、地面動(dòng)目標(biāo)指示（GMTI）；

• 空海：海面目標(biāo)檢測(cè)、固定目標(biāo)跟蹤。

據(jù)報(bào)道，APG-77除了采用聚束SAR模式獲得3m的高分辨，還采用逆SAR獲得超高分辨，使其分辨力可以達(dá)到0.3m。

F-35上的AN/APG-81多功能火控雷達(dá)

APG-81是充分借鑒了APG-77的研制經(jīng)驗(yàn)與成熟技術(shù)，并且具有“多通道”接收機(jī)和激勵(lì)器，每個(gè)通道針對(duì)不同的參數(shù)，各自分析一個(gè)離散的雷達(dá)回波信號(hào)，N個(gè)通道便同時(shí)可以獲得多個(gè)參數(shù)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了基于單個(gè)脈沖的多功能。

APG-81可以同時(shí)承擔(dān)通信、干擾或者目標(biāo)搜索等任務(wù)，實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)，監(jiān)視敵電子輻射信號(hào)和干擾敵方雷達(dá)，為飛行員提供精確的目標(biāo)定位信息和自動(dòng)跟蹤提示。

綜合航電系統(tǒng)主要由綜合射頻傳感器系統(tǒng)和綜合射頻孔徑組成，孔徑綜合后的有源多功能陣列可支持雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信/導(dǎo)航/識(shí)別等任務(wù)。

APG-81的主要功能

• 空空搜索與跟蹤

• 空地攻擊

• SAR成像，超高分辨力SAR成像

• 單脈沖地形測(cè)繪

• 高增益的ESM

• ECM

• ATC導(dǎo)航/氣象傳感器

雷達(dá)的X波段AESA天線（1200個(gè)陣元）位于機(jī)頭內(nèi)，實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)和前半球ECM有關(guān)的功能，從AESA天線輻射出去的電子對(duì)抗ECM信號(hào)能量強(qiáng)度足以燒毀敵方電子設(shè)備。其對(duì)于干擾后半球來(lái)的威脅是通過(guò)單獨(dú)使用安裝在機(jī)頭機(jī)翼和機(jī)尾的小天線。

綜合射頻傳感器系統(tǒng)采用“即插即用”的架構(gòu)，雷達(dá)核心處理機(jī)和一級(jí)組件是固定式的，雷達(dá)傳感器和T/R組件均可隨時(shí)使用新型組件來(lái)替換。

F-16上的AN/APG-83可拓展的敏捷波束雷達(dá)(SABR)

APG-83 AESA對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械掃描的APG-66和APG-68雷達(dá)提供以下功能增強(qiáng)，以確保F-16在未來(lái)幾十年內(nèi)保持可持續(xù)發(fā)展：