雷达的工作原理及相控阵雷达

阵元设计
共用孔径必须满足宽带（C 到 Ku 波段）、多极化、大角度波束扫描和低后向散射 （隐形）等有冲突的多种需求。
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● 独立的搜索和跟踪功能（对搜索区之外的目标进行跟踪）；
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● 用主波瓣或近旁波瓣对导弹进行远距离的数据传输；
起）；
● 可同时工作在空-空和空-面状态（地形跟踪功能已和空-空搜索状态结合在一
● 高度随机性的搜索模式（减小了雷达信号被敌方截获和利用的机会）。
合式射频传感器项目也正在实施。 作战性能 电子扫描技术，尤其是有源电子扫描阵列，与传统的机械扫描天线相比有以下几个
突出的优点： 敏捷波束 由于 ESA 消除了天线的机械惯性，因此其波束指向速度极为敏捷。例如，在 60°
的锥形角内，波束的重新定位时间小于1毫秒，因此这就为载机在作战使用的战术上带来了 很大的优势：
ESA 的另一个很有价值的特点是能够自适应控制发射和接收波束的形状，因此， 可以实现一些特殊的功能和模式。
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束；
● 模式可选择的波束形状，例如空-空状态使用笔状波束，空-面状态使用余割波
● 用方位扇面波束发射，若干个笔状波束接收（见图1），可最大程度地发现高速 目标、旋转翼目标产生的桨叶闪烁和隐身目标产生的 RCS 闪烁；
可靠性好 有源 ESA 系统没有像 MSA 系统那样的运动部件，因而具有极高的使用可靠性。它 高度结构化的通用模块，由1000～2000个 T／R 模块组成的阵元面中，即使其中有5％的模块 发生故障，雷达性能只有轻微的损失，不会出现灾难性的故障。其重构及备用能力储备的使 用极大地提高了雷达系统执行任务的可靠性。未来有源 ESA 雷达系统能够实现的一个目标是 两次重大故障之间的平均时间要与飞机寿命相当，有效地减少二线和三线维修设施的需要， 并在其使用寿命内减少了维护费用。 综合式 RF 传感器 目前，战斗机使用有若干种 RF 传感器，它们是分别研制开发的，并"松散地"组合 成整个航空电子设备系统，它大致可分为如下类别：
电子对抗能力强
自适应波束可形成对旁瓣和主波束干扰的一种有效的对抗措施，它要求有源 ESA 能分割成多达30个以上的分阵列，每一个分阵列都与一个接收机和模/数转换器相关联，分 阵列的数字化输出值以自适应的方式进行组合以形成一个在感兴趣的目标方向取得较高增 益的天线波束，同时，在干扰方向上的增益则很小或为零。有源 ESA 的自适应波束形成能力 是机载雷达在复杂的电磁环境中得以保持其作战能力的主要因素。
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● 宽带电子对抗系统（2-18吉赫并可扩展到35和94吉赫）； ● 雷达（相对来说带宽较窄，即 X/Ku 波段）； ● 用于导弹遥测的 C/ X/Ku 波段数据链； ● 雷达高度表（4吉赫）； ● L 波段系统（IFF, JTIDS, GPS）； ● V/UHF 通信及导航辅助系统。
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● 高效的搜索模式（波束扫描时不会浪费时间）；
● 目标的驻留时间和修正时间可以分别达到最优化的状态，同时满足了探测和跟 踪的需要；
● 连续探测（警告后确认）技术可极大地增大探测的距离；
● 快速跟踪形式（初探测距离上建立跟踪）；
● 对多目标跟踪的高度精确性（相当于对单目标的跟踪）；
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如果采用综合式机载传感器的原则，就要求使用高度集成化和模块化的组件，在 一套综合式 RF 传感器使用共用孔径的情况下，可将其分为三个主要的系统：
● C/X/Ku 波段的综合式雷达、EW、数据链和雷达高度表系统； ● 宽带电子战系统； ● 综合式通信、导航、识别（CNI）系统。 当几个天线共用一个孔径但同时履行多个功能时，就要求这个宽带孔径能独立地 提供多个可控波束。虽然这种方法有很大的优势，但在技术实现上有很大的难度，主要难点 是系统同时工作时怎样隔离和控制信号间的相互调制，以时分和孔径分割法可以部分解决这 些难点。 雷达/电子战主孔径，可以设计成一种支持连续覆盖 C 波段的高端、X 波段和 Ku 波段的宽带多功能 ESA，它会提供共用的时序或同步的雷达、电子战和数据链工作状态。多 重（两个或三个）阵列将会用于所必需的角度覆盖，阵列的大小和形状取决于设备安装空间、 雷达旁瓣、角分辨率、增益和发射功率的要求。为满足各种波束形状的需要，每个阵列将分
应用于战术飞机使用环境时，一种可行的配置方式是前视用主阵列，两个较小的 侧阵列做补充，这样可以在近距离上覆盖飞机的两侧，增强了对环境的感知能力。
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通常，目标在远距离被前向主阵列波束截获，并在转入交战的时间里在较近的距 离上交给旁阵列。在超视距距离上的一种常用的作战机动战术叫 F 形顶点机动，用主阵列波 束对目标建立起跟踪后，飞行员推加力使飞机加速，然后发射导弹，再转向规避敌方的反击。 导弹的中距离制导要求在命中目标之前保持对目标的照射和目标数据的更新，把这些工作交 由旁阵列波束完成，这样飞行员可以选择一个较为安全的宽角度规避。
● 宽的发射波束结合若干个笔状接收波束可有效地产生一种射频"凝视阵列"（见 图２），这使得作战搜索模式具有了一种使目标"无法逃脱"的性能。
视场（FOV）
对于 ESA，主波束的增益沿着视线的阵列投影面积按比例下降，但对增益的降低 可用增加驻留时间的方法来补偿（要以降低扫描效率为代价），最大可用视场通常限制在以 视轴为中心的60°锥形角内， FOV 的角度越宽越好，要想达到这一目的可使用多个天线阵 列。
近50多年来，机载雷达不断采用新的技术成果，性能不断提高，其中重要的有全 向多脉冲射频（MPRF）模式和高分辨率多普勒波束锐化（DBS）技术在雷达中的实际应用。 目前，由于在信号处理和砷化镓微波集成电路领域技术的进步，雷达作为战术飞机主传感器 的地位仍然会继续保持下去。
电子扫描技术的发展 雷达波束天线电子扫描应用的第一步是无源电子扫描阵列（ESA），其主要优点是实 现了波束的无惯性扫描，在作战中有助于对辐射能量的控制。现役的此种类型的雷达有美国 空军的 B1-B 和俄罗斯的米格-31装备的雷达，在研的有法国装备其"阵风"战斗机的 RBE-2雷 达。 有源 ESA 的出现是技术上的又一进步。它的每一个阵元中都有一个 RF 发射机和灵 敏的 RF 接收机，在各个发射/接收（T/R）模块内都有一个功率放大器、一个低噪声放大器 和用砷化镓技术制造的相位振幅控制装置。有源 ESA 雷达技术放弃了传统的中心式高功率发 射机，除了具有无源相控阵雷达的优点外，还提高了能量的使用效率并具有自适应波束控制、 强抗干扰能力和高可靠性等优点。
多功能和高性能
因为有源 ESA 阵列单元内组合了接收和发射模块，微波能量的损耗大为减少，与 行波管相比高效率的砷化镓功率放大器使整个辐射阵元的累加功率很高，对于同一个安装空 间（同样的功率和天线罩）来说，有源 ESA 所辐射的有效功率要比 MSA 大10dB（距离要远75%）。 这样，有源 ESA 可以"先看到"目标，极大地提高了作战的能力，特别是在目标反射截面（RCS） 日益减小的今天。
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有效的低截获概率的基础是对雷达辐射信号在时域、空域和频域上的有效管理， 能够加以自主运用的方面包括:权衡发射峰值功率和累计时间的能力，权衡旁瓣发射波束水 平和发射峰值功率的能力，在最低可接受的距离上探测感兴趣的目标，减小所必需的峰值功 率的能力。阵列较宽的瞬时带宽能被用于减小峰值功率，同时，自适应波束控制可以使雷达 在已知的有威胁性的方向上不发射电磁信号，这样可有效地减小被敌方接收机截获的可能 性。多种伪随机频率、波形和扫描模式将会消弱敌方接收机破译交叠信号和确认雷达辐射信 号的能力，特别是在电磁环境复杂的环境中。
为多个（30个以上）分阵列以使孔径可以针对某个特定的功能进行较好地调整及支持几项功 能同时运作。
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技术难点
实现综合式 RF 传感器关键要依靠：
系统的设计和研制
设计一个复杂的综合式 RF 传感器系统需要非常强的系统工程设计水平，关键任务 包括需求分析、系统论证及配置、子系统功能及性能说明和接口技术标准。与飞机设计人员 的密切合作可以把传感器系统与飞机机体结构的确切大小、位置、视场、信号及孔径数量、 功率、体积及重量预算、冷却和发电机等因素结合起来，另外，权衡费用、性能和保障性也 是极为重要的。正在出现的有助于未来综合式 RF 传感器设计的系统技术包括：多传感器数 据融合、传感器资源管理、自适应信号管理、目标识别和合成环境。
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西方国家第一代有源相控阵雷达系统接近定型的有美国装备 F-22和日本装备 FS-X 的雷达。英、法和德国共同研制的 AMSAR 项目也确定使用先进的有源相控阵雷达技术， 为其后续的欧洲战斗机雷达的升级改装做准备。从今天的角度来看，雷达技术未来的下一个 发展方向是保形"智能蒙皮"阵列，它把有源 ESA 技术和多功能共用 RF 孔径结合了起来，在 天线阵元的安排上，与飞机机身的结构巧妙地配合，实现宽波段和多功能。保形天线阵列有 高性能的处理器并使用空-时自适应处理技术有效地抑制了外部的噪声、干扰和杂波并能以 最优化的方式来探测所感兴趣的目标。虽然有许多相关的技术问题需要解决，但保形"智能 蒙皮"技术并非是个不切实际的解决方案，预计在20～25年的时间内就可以达到实用阶段。
问：有源相阵控雷达和无源相阵控雷达的区别是什么？
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答：区别就是无源是只有单个或者几个发射机子阵原只能接收，而有源是每个阵原都有 完整的发射和接收单元！
机载雷达经历了从机械Байду номын сангаас描形式到相控阵电子扫描，再到最新的保形"智能蒙皮"天线的 发展过程，电子扫描雷达在作战使用中的优势在哪里？未来的综合式射频（RF）传感器系统 的总体特点和关键技术是哪些？您将从本文中得到启发
在10～15年内，对战术飞机射频传感器（包括雷达）未来所执行的任务来说，最 迫切的需要是增加功能、提高性能，并且还要注重经济性和可维护性。美国的"宝石路"计划 已经证明，航空电子系统通过采用通用模块、资源共享和传感器的空间重构（重构的设备包 括雷达、电子战及通信-导航-识别等射频传感器）可以做到系统的造价和重量减小一半，而 可靠性提高三倍。它所确立的综合模块化航空电子的设计原则已用于 JSF 战斗机的综合传感 器系统（ISS）和多重综合式射频传感器工程的设计中，欧洲类似的用于未来战术飞机的综
双基模式可使机载雷达达到最佳的隐蔽效果，具体运用过程是：装备有高功率发 射机和高增益转向天线的飞机在安全的远距离位置对目标进行照射，目标回波信号由一架或
多架飞机的雷达接收和处理，而这些雷达全部工作在无源状态。一个具有多个分阵列和自适 应波束控制能力的 ESA 系统能够产生多重接收波束，它们与发射波束的交叠确定了搜索的范 围。频率、时间和波束位置数据可使用旁瓣通过隐蔽的手段传输以在时间上协调发射和接收 同步，虽然辐射源会引起敌人的注意（包括定向干扰），但攻击飞机可以在不引起目标警觉 和干扰的情况下获得实时的雷达数据。
有源 ESA 其他特点还有，它有较宽的工作带宽和瞬时带宽，并有多样化的波形和 扫描模式，这些都有助于增强雷达的电子对抗能力。
隐蔽性好
信号管理将是未来战术飞机的一项重要的系统，它要求雷达要采用低截获概率的 波形，最大程度地减小雷达信号被敌方接收机探测到的可能性，同时雷达天线在整个飞机的 雷达反射截面积（RCS）中不应占据较大部分，在这方面有源 ESA 有很大的优势。