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３
２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。

在此基础上，又完成了１２８Ｔ／Ｒ组件稀布阵实验。

第五部分：空间探测相控阵雷达
这个帖子的内容，原本我也不了解，是看了《空间探测相控阵雷达》这本书后，觉得很有意思，拿来与大家共享。

空间探测雷达是一种战略雷达。

说起战略雷达／战术雷达，这个名称一般很少听说，多数情况下，雷达能够提供的功能都是战术上的，作用距离有有限，目标处理能力也有限。

但是前苏联（俄罗斯）、美国和我们国家的８６３计划，都已经发展或者计划大力的发展空间探测雷达。

所谓空间探测相控阵雷达，主要是对空间飞行物体（卫星、战略导弹）探测和跟踪的多功能雷达，提供检测、监测空间飞行物体，弹道导弹预警等功能，因此这样的雷达具有重要的战略意义，当然性能远非普通雷达能比，可以说真正反映了一个国家的雷达工业的水平甚至整个工业技术的水平。

空间探测雷达，从对它的功能要求上可以看出，它必须具有很多特点，一是作用距离必须很远；要提供弹道导弹预警和卫星监测，没有几千公里的作用距离是没有用的，美国ＮＭＤ系统中用的Ｘ波段空间探测雷达，作用距离２０００～４０００ＫＭ，前苏联的“狗窝 ”“鸡栏”等雷达，作用距离都达到几千公里或者上千公里。

二是目标监测和处理能力强，平时在天上飞的卫星有好几千个，同时进入雷达观测区域内的也过千，必须对这么多的卫星严密监视，了解动向，这样，雷达的监测和处理能力非同小可。

当然这样的雷达是不记成本的；第三是多功能高可靠性，这个就不用详细解释了。

直观上，这些雷达体积相当可观，其中ＮＭＤ系统的Ｘ波段地基雷达，天线面积１２０多平方米，要知道，Ｘ波段波长只有３厘米左右，而对雷达天线而言，发射波长越小，为了达到同样孔径、波束宽度而需要的天线尺寸就越小。

由此可以想见，前苏联的“鸡栏”，波长超过１米，天线占的面积比足球场还大，就不奇怪了。

这些雷达一般采用有源相控阵雷达实现，即便是早期的ＡＮ／ＦＰＳ１１５，也是如此。

我国８６３计划，将空间探测相控阵雷达作为重大项目列入，并开始了研究。

第六部分：红旗九无源相控阵雷达
一段翻了最近这几年的《系统工程与电子技术》（是航天２院主办的），发现其实红旗九雷达的很多信息上面都有介绍，因此我想可以把红旗九的雷达做个简介，技术数据都马赛克了。

红旗九地空导弹系统，采用无源相控阵雷达系统，完成目标搜索、跟踪和导弹截获、导弹跟踪等任务。

相控阵天线，由于具备波束的无惯性扫描的优势，可以既作为目标搜索，也能做目标跟踪，实现真正的多功能。

红旗九雷达（整个武器系统叫红旗九，雷达也叫红九，大家就是为了叫着方便）为Ｃ波段无源相控阵雷达。

在国内各个单位来说，Ｃ波段的相控阵雷达航天２院具有技术上的优势，但是Ｓ波段和Ｌ波段，南京１４所开展工作比较早，水平最高。

Ｃ波段是５ＣＭ波段，至于雷达具体工作频率，搞过雷达的都知道，这是最需要保密的东西。

雷达工作在哪个波段，内行人仔细看看天线大概就知道。

现在海军也在注意频率泄密的问题，有专家建议以后雷达的工作频率不出现在雷达显示器上和各种手册当中，平时或者演习的时候只用一个频率，不用频率捷变模式。

发射波形也固定一种。

战时启动所有工作频率和发射波形。

红九雷达的天线为一个主阵和两个辅助阵组成的面阵，（已经有杂志介绍）。

相控阵雷达中的辅助阵阵面教小，因此可以合成波束比较宽，增益比较小的辅助波束，完成一些辅助的功能。

多个子阵使得雷达具有同时多波束的能力。

比如在跟踪加旁瓣对消的模式，雷达同时接收５路数据，即主天线的和通道数据、方位差通道和俯仰差通道（单脉冲跟踪雷达的基本原理，利用差信号确定方位和俯仰）以及两个辅助通道。

辅助通道的信号可以作为干扰信号接收天线，由于增益比较低，目标反射信号不会在辅助天线中接收到，但是干扰信号都很强，所以可以用辅助天线接收到。

但是主天线波束增益大，能够接收到干扰信号（从天线旁瓣进入）加有用的目标回波信号，而辅助天线接收到干扰信号。

利用辅助天线和主天线的信息，就能消除干扰信号。

辅助天线另外一个作用是在导弹截获和跟踪阶段时获得导弹位置。

当我方发射了一枚后者若干枚截击导弹后，就要确定导弹的飞行位置和轨迹，并控制导弹飞向目标。

红九已经不用ＴＶＭ了。

辅助阵这时也能形成接收波束，接收导弹截获（跟踪）信号，在导弹预期位置周围形成多个波束，
计算出导弹的中心位置。

红九雷达作用距离Ｘ５０公里，能够跟踪ＸＸ个目标，并能同时制导Ｘ个发弹攻击来袭的Ｙ个目标。

是一种性能先进的雷达。

雷达展上我想可能会看到，因为有出口意向。

网络的相关评论：
烈火洪峰：XYZ还是有点信息的，比如制导X个导弹，表示是个位数，至于是0~9的哪一个 ，就靠猜吧。

还有跟踪XX个目标，从10~99个，也表示了一点信息。

蓝城木鱼：红旗九立项的早，当初论证的时候为什么不用有源阵，我也不知道，可能是技术上的原因。

红旗九本身是陆军防空用的，雷达是车载，弹我没有见过。

上舰后当然就固定安装了，名字也变成海红期九。

我们新的大驱是防空型的，没有红九怎么行？原来叫 052B型舰，现在型号名字 改了。

至于舰载有源四面阵，是南京14所（就是南京电子技术研究所，NRIET）研制的， 还没有完成，技术相信比美军现役的SPY1A不弱，当然SPY1A有些最新的功能我们可能没有 ，比如去年刚刚实验的气象和战场环境侦察功能。

总的来说舰载有源阵雷达完成后将是海军装备的雷达一个大的进步。

价钱也是大大的，光四面阵天线中的T/R组件成本就过亿。

整个雷达的成本更是可 观。

好在性能价格比没有因为价钱太高而下降。

colddog：谢谢。

不过我也算不上什么专家。

后记：本文是根据清华BBS精华贴转贴过来的，由于当时只顾下载文章，忘了原作者，这里表示歉意。

原文分为6个帖子部分，我将其合并，并作了排版，本文所涉及到的一切（包括观点、数据在正确性、是否涉密的问题）均与kissfire 无关。

2006年11月3日晚。