军用毫米波雷达的应用及其发展趋势

控制与制导
军用毫米波雷达的应用及其发展趋势同武勤凌永顺蒋金水
摘要随着毫米波技术的发展, 毫米波频率的雷达也得到了更深的研究和发展。

评述了毫米波雷达的优缺点, 以及它的应用, 同时详细阐述了军用毫米波雷达发展的新技术和新方法。

主题词毫米波毫米波雷达集成电路应用
引言
毫米波雷达技术的研究起步很早, 有文献称, 在二战结束前后即已开始, 但至少在20 世纪50 年代就已在毫米波器件研制及毫米波传播损耗水蒸汽与氧气等吸收谱等方面均已取得相当成就, 并已研制成功机场交通管制用的毫米波雷达[ 2 , 5 ] 。

最初, 对发展毫米波雷达的推动力主要来自要在用小口径天线即可获得比微波雷达更窄的天线波束, 高的天线增益。

窄波束具有的高分辨率和由于空间选择性好而带来的高抗干扰能力。

海湾战争和科索沃战争的实践已经表明,“远程打击, 精确打击”技术在军事应用中非常重要, 高精度、高分辨率测量、精确制导和精确目标指示、实现自动目标识别( ATR) 等需求对毫米波(MMW) 雷达的发展提供了巨大的新的推动力。

毫米波雷达的应用主要限制在近程雷达上, 其主要原因有两个: 一是难以获得符合要求的高发射功率和相应的低损耗传输馈线; 二是毫米波在大气中传输时损耗大。

例如, 在8mm 和3mm 窗口, 单程传播损耗分别为0. 08dB/ km 和0. 3dB/ km 左右[ 4 ] 。

1 毫米波雷达的系统概念
毫米波雷达系统由两个Modcom p 9250 计算机控制, 并可细分为如图1 所示的一些主要分系统。

发射信号按雷达计算机控制的速率, 通过双工器输出。

回波信号的返回时间也由该计算机控制, 该信号被输入到接收机, 在此, 它经下变频处理并以20MHz 速率采样。

得到的信号由数字脉冲压缩系统压缩处理。

该数字信号被记录在一个“廉价硬盘冗余阵列”( redundant array of inexpensive di sks) ( R AID) 记录系统上, 并且也输入到一个阵列处理机上, 该阵列处理机对这些数字实施综合处理。

2 毫米波雷达的优缺点
与其它传感器系统比较, 毫米波雷达有如下优点:
·高分辨率, 小尺寸; 由于天线和其它的微波元器件尺寸与频率有关, 因此毫米波雷达的天线和微波元器件可以较小, 小的天线尺寸可获得窄波束;
·干扰, 大气衰减虽然限制了毫米波雷达的性能, 但有助于减小许多雷达一起工作时的相互影响;
·与红外系统相比, 毫米波雷达的一个优点是可以直接测量距离和速度信息。

毫米波雷达的缺点包括:
·与微波雷达相比, 毫米波雷达的性能有所下降, 原因如下:
本文2003211228 收到, 作者分别系解放军电子工程学院研究生、院士、副教授、本科生
刘勇
图 1 毫米波雷达简图
1) 发射机的功率低;
2) 波导器件中的损耗大;
3) 同样波束宽度而天线口径较小。

·天气影响和降雨时更为严重;
·在防空环境中, 不可避免地会出现距离模糊和速度模糊;
·毫米波器件昂贵, 不能大量生产。

3 毫米波雷达的应用
通常将30 GHz～300 GHz归入毫米波波段, 但在有的文章中将大于40 GHz 才算作毫米波波段, 未将Ka 波段(23. 4 GHz～36 GHz) 包括进去, 对于毫米波如安装在坦克、导弹、飞机, 特别是直升机和无人机上的雷达, 例如导弹上的导引头, 机载地形跟踪、地形规避等;
·低角跟踪、测高、抑制多径干扰;
·毫米波无源探测。

3. 2 毫米波对目标高精度探测
目标的高分辨测量, 在纵向距离维, 主要依靠大的雷达信号瞬时带宽( Δf= 1 GHz) , 其理论距离分辨率为0. 15m , 在横向距离维, 用逆合成孔径雷达( ISAR) 方法, 其分辨率决定于雷达的转角Δθ。

ΔR cr = λ/(2Δθ)
由于毫米波雷达波长比微波雷达短许多, 故为
雷达的应用有着重要的前景。

获得同样的ΔR
cr
, Δθ可相应降低, 因而实现转角
毫米波雷达的应用主要集中在满足以下几个方面的需求:
·进行高精度、高分辨测量, 精确制导和目标指示;
·获得宽带信号与增大回波信号多普勒带宽;
·获得高天线增益, 获得高雷达能量(发射机平均功率、发射天线增益和接收天线口径的乘积, 即PAVGTAR) ;
·获得精确的距离———多普勒图像和目标识别;
·测量复杂目标的结构;
·改善雷达的抗干扰能力;
·观测小尺寸目标;
·空间雷达, 空间飞行器交汇雷达;
·受体积、质量严格限制的平台上的雷达, 例
Δθ所需的目标飞行时间(亦称雷达观察时间) 也相应降低, 这对在远距离高机动飞行目标( 例如在空间变轨的卫星和导弹目标) 进行成像特别有意义。

为了说明这一点, 若设目标相对于雷达的切向飞行速度为V tang , 目标至雷达的距离为R t , 为实现要求的横向分辨率ΔR cr所需时间为T obs , 则有: T obs= λRt/ (2 V tangΔR cr)
图 2 中 a 为对λ = 8. 57mm , b 为对λ = 3cm 时要求的观察时间T obs 与目标相对于雷达的切向飞行速度V tang 的关系图。

将R t 设为 1 000km , 要求的ΔR cr 为0. 3m。

由此不难看出, 如果目标远离雷达, 即使是对高速飞行导弹目标, 为了获得很高的横向分辨率,
飞航导弹2004 年第5 期·49 ·
图 2 观察时间与目标切向飞行速度的关系
对雷达观察时间的要求仍很高, 因此, 即使采用X 波段, 仍嫌不够, 必须毫米波波段雷达。

毫米波雷达应用的一个重要方面是观测小型目
标和增大雷达目标的有效散射面积( RCS) 。

目标的RCS 与目标结构形状、材料及雷达波长等有关。

雷达观测目标可看成多种基本几何形状的金属体的综合。

以观测目标为例, 在瑞利区, 其RCS 为[ 3 ]
σR≈9πa2 [2πa/ λ]4
式中a 为球体半径, 当2πa/ λ< 0. 6 时, 为瑞利区, 亦即UHF、L 波段来说, 由此式可得出, 例如雷达信号频率分别为430MHz和1 300MHz时, 当球体尺寸a 分别小于11. 1cm 与3. 6cm 时, 即进入瑞利区, 其RCS 与波长λ(波长分别为0. 697m 与0. 23m ) 的4 次方成反比, 而对毫米波雷达而言则是光学区, 其RCS 为
σo=πa2
又如, 对面积为A 的电大尺寸的平板(electri2 cally large plate) , 在法线方向观察的RCS 为
σp=4πA2/ λ2
对面积为 A 的电大尺寸圆盘( disc) , 在法线方向观察的RCS 为
σd= 4πA2/ λ2
它们的RCS 均与波长的平方成反比。

因此, 对观察这类目标, 采用毫米波信号是有利的。

4 军用毫米波雷达的发展趋势
4. 1 新的发射机与有源部件在毫米波发射机领域
内, 有几种先进的器件正
在研制, 其中包括: 高效固态组件、螺旋形行波管、快波器件。

快波器件中, 工作频率不取决于器件相互作用区的尺寸。

它利用注入到强磁场的相对论电子束, 使电子以希望的辐射频率产生相干振荡。

这种振荡频率可以覆盖毫米波到红外波段, 改变磁场强度就可以获得任意频率。

快波器件具有高峰值功率和高平均功率。

目前主要有三种快波器件: 回旋管、回旋加速自谐振微波激励器、自由电子激光器。

回旋管从围绕磁场做螺旋形旋转的相对论电子中获得辐射能量。

它的理论效率为90 % , 但是目前试验效率只有20 %～40 %。

回旋加速自谐振微波激励器是一种多普勒加速形式的回旋管, 对于相同频率, 它工作腔体比回旋管的大, 因此能获得高功率, 且只要求中等磁场强度。

一种35 GHz的器件输出功率可达17MW , 效率为60 % , 目前器件的效果与理论值还相差甚远。

自由电子激光器的工作原理涉及光学腔体内用高场强的磁场波动器调制高功率电子束。

现在35 GHz 频率的自由电子激光器, 实时可调谐带宽已经达到10 %(总带宽为24 %) , 效率达60 % , 在脉冲重复频率为1kHz 时, 脉冲宽度达50 μs 。

如果采用脉冲合成技术, 就可合成1μs 的相干长脉冲, 降低了脉冲重复频率。

如果系统在有限的空间需要不到1kW 的中等功率, 那么螺旋形行波管是理想的功率源。

95 GHz 的螺旋形行波管有10W 的连续波功率(以3 GHz的带宽工作) , 有的快波器件峰值功率大于 1 G W , 平均功率大于1MW。

高效率、大功率新发射机器件的问世, 将推动毫米波相控阵天线的研制。

有了毫米波相控阵天线, 毫米波战术雷达就很容易升级换代。

4. 2 新的天线及无源部件目前大多数毫米波雷达
天线采用标准的反射器
或波导馈电的透镜。

对许多应用来说, 由微带、平板、波导构成的天线和混合式天线属先进技术, 且能降低质量、缩小体积、减少成本。

现已研制成功一种工作在W 波段高效率准集成喇叭天线(通过对集成喇叭匹配一渐宽段, 它提供20dB 的增益, 比标准集成喇叭提高增益10dB) 。

在另外的研究中, 发展一种波纹介质波导构成的可扫描的集成天线, 其优点也可以体现在单脉冲天线中。

一种工作频率94 GHz、直径5. 1cm、五孔混合集成单脉冲天线已被论证, 它每路增益30. 6dB , 效率达63 % , 第一旁瓣
·50 ·飞航导弹2004 年第5 期
电平低于39dB 。

这些新天线的研制成功为雷达向模块化发展奠定了基础。

无源部件方面的突出成就是准光学部件和波束波导的应用。

现在一部采用微波结构的35 G W 双极化角跟踪雷达已完全能被准光学部件替换, 它的灵敏度比原来高出10dB , 峰值输出功率可达60kW , 平均功率5kW。

用于相干合并输出功率的准光学功率合成器已研制成功。

现在波束波导能替换雷达中许多主部件, 如环形极化器、环形器和极化滤波器等。

4. 3 毫米波集成电路的发展毫米波雷达向集成化
方向发展, 支持这一发展
的就是微波、毫米波集成电路规划的实施。

现在, 在毫米波集成电路中担任主角的除金属半导体场效应晶体管之外, 又研制成功了高电子迁移率晶体管。

它采用GaAs 材料, 与以前接收机用的毫米波器件相比, 噪声系数改善4dB～8dB 。

利用高电子迁移率晶体管技术的低噪声接收机, 噪声系数只有2. 75dB , 带宽 5 % , 已在新的相控阵雷达中应用。

一个单片芯片构成的Ka 波段调频连续波雷达收/ 发机已经公开演示。

64 - A H 阿帕奇武装直升机上的长弓火控雷达、导弹系统收发机采用了一块高电子迁移率晶体管功率放大器模块。

它内含16 片单片微波集成电路, 在Ka 波段每片输出功率为1W , 放大器模块有16W 的功率输出。

这些模块的设计、研制和投放所用时间还不到1 年, 体现了正在进行的美国陆军第二阶段微波、毫米波集成电路规划产生的巨大经济效益。

现在的集成电路技术已能在一块衬底上集成高电子迁移率晶体管、金属半导体场效应晶体管和混合器件, 把发射机、接收机和天线这样几个子系统构成一个成型模块。

它成本低、耗能少, 但性能高。

4. 4 军用毫米波雷达的使用
目前, 美国陆军最新的采用毫米波雷达的主要武器系统有两项: 一是长弓目标瞄准和导弹系统, 二是战场作战识别系统。

长弓系统以武装直升机为作战平台, 任务是在夜间、雨、雾、雪及战场烟、尘等低能见度下, 摧毁地面目标和低空目标。

设计人员从雷达和导弹导引头两方面综合考虑, 从众多方案中选取了毫米波雷达。

他们直接从G aAs 毫米波单片集成电路入手, 进行设计, 导弹/ 雷达收发机部分直接采用最新高技术产品———由16 块单片集成电路芯片构成的Ka 波段功率放大器模块。

这些芯片是采用0. 15mm、高电子迁移率晶体管技术制造的。

长弓系统已于1996 年开始生产。

美国陆军决定第一批产品除了装备A H - 64 阿帕奇直升机外, 还将装备RHA - 66 科奇曼直升机。

战场作战识别系统是美国陆军于1993 年下半年开始研制的重点项目。

目前该系统仍属于保密项目。

它选择了毫米波询问/ 应答系统。

很可能以二次雷达方式工作, 采用编码波形。

美国陆军的BA T(智能反坦克子弹药) 上装有声探测器和双色红外探测器, 能对运动的坦克和装甲车自动定位、跟踪和摧毁。

为了让其具有探测隐蔽的静止目标的能力, 美国陆军正在研究用毫米波雷达或红外成像传感器代替其中的一种探测器。

5 结语
无论是军用还是民用, 都对毫米波雷达技术有广泛的需求, 远程毫米波雷达在发展航天事业上有广泛的应用前景, 是解决对远距离、多批、高速飞行的空间目标的精细观测和精确制导的关键手段。

大天线口径的远程毫米波精密测量雷达与远程毫米波相控阵雷达都已经问世, 其高发射功率的产生已可依靠高功率毫米波回旋管和多个毫米波功率组件(MMPM) 来解决。

因此, 可以预计, 各种战术、战略应用的毫米波雷达将逐渐增多。

参考文献
1 邵智民, 朱家昌等. 毫米波雷达与毫米波相控阵雷达文
集. 信息产业部第14 所. 2001 (2)
2 中国军事百科全书. 电子对抗和军用雷达技术分册. 北
京: 军事科学版社,1994
3 Morchin W. Radar Eng ineer’s Sou rcebook ,ArtechHouse , I nc.
Boston. London , 1993
4 江长荫,张明高,焦培南. 雷达电波传播折射与衰减手册.
1997
5 David K. Barton. , Leonov S. A. Radar Technolog y Encyclope2 dia.
Artech House , Inc. Boston. Lond on ,1997
飞航导弹2004 年第5 期·51 ·。