机载有源相控阵雷达技术与应用

机载有源相控阵雷达技术与应用
贾　利　郭留河　李　义
(防空兵指挥学院,郑州450052)
摘　要　本文分析了机载有源相控阵雷达的原理、关键技术及特点,详细介绍了美国空军目前装备的机载有源相控阵雷达。

关键词　空军　机载有源相控阵雷达　作战
一、引　言
有源相控阵(AESA)技术自上世纪60年代问世以来就孕育着巨大的军事潜力。

经过40余年的发展,该技术终于在机载雷达上取得了成功的应用。

目前,除了F/A222和F235(J SF)等新一代作战飞机装备了有源相控阵雷达外,美国空军已将其第三代现役的战斗机、轰炸机和预警机上的机载雷达列入改装计划,并得到了相应的财政支持。

美国国防部长在近期的一份关于发展空军机载雷达的报告中特别强调,有源相控阵技术可以极大地扩展雷达的功能和提高雷达的性能,提高和丰富作战飞机执行任务的能力和作战模式。

目前美国在机载有源相控阵雷达领域保持着领先优势。

此外,俄罗斯、法国、德国、英国、以色列、印度等国也正在对这一领域进行广泛的开发和合作。

二、机载有源相控阵雷达的原理及其关键技术
相控阵雷达的天线是由许多辐射器排列构成的,通过移相器来控制阵列天线中各个辐射器的相位,以得到所需的方向图和波束指向。

有源相控阵雷达的天线是在每一个辐射器的输入端都安置一部发射/接收(T/R)模块,每一个模块都能产生和接收电磁波,因此在频宽、信号处理和冗余度设计上比其它类型的雷达天线具有较大的优势。

当有源相控阵雷达工作时,计算机通过控制移相器的相移量来改变每个T/R模块向空中发射电磁波的相位,从而完成对空搜索任务。

当搜索远距离目标时,成百上千个T/R模块通过计算机控制集中向一个方向发射电磁波,使天线辐射的总功率大大提高,即使是上万千米外的洲际导弹和外层空间的卫星也逃不过它的监控。

如果对付近距离目标,这些T/R模块又可以分工负责,产生多个波束,每个移相器可根据担负的任务向某个方向偏转,有的搜索、有的跟踪、有的接收,最后发现和识别目标。

从机载有源相控阵雷达原理可见,其关键技术包括微波/毫米波单片集成电路(MM IC)技术、光电子技术和T/R模块技术。

1.MMIC技术
自从上世纪70年代中期诞生第一个微波单片集成电路以来,MM IC技术就得到了迅速的发展。

它将许多晶体管、二极管、电阻、电容、电感集成到一个芯片上,不需外贴分立元件,便可以制成一个或多个功率放大器、低噪声放大器、移相器和开关等,因此只要少量的MM IC芯
片组合在一起就可构成一个T/R模块,且元件数目大量减少,使得T/R模块的体积、重量和成本大大降低,可靠性却大大提高。

美国雷声公司已经制造出由6个芯片组成的峰值功率为10W的E/F波段砷化镓T/R模块和用3个芯片构成的峰值功率为1W的D波段T/R模块。

MM IC等微电子封装技术对于降低成本致关重要,MM IC及其封装技术的发展将为有源相控阵雷达的大量生产和广泛运用创造条件。

2.光电子技术
光纤主要具有重量轻、易弯曲、损耗低、温度特性优良、抗电磁干扰性能好等优点。

近年来,国内外已越来越多地将光纤和光电子技术应用到雷达上。

目前可用光纤提供从中央计算机到子阵列中每个辐射器的移相器的控制信号,进而可将光纤用于射频信号的分配。

瑞典的Surface雷达已采用光纤通信线路传输数字扫描变换信号;英国的多功能电扫描自适应雷达(M ESAR)中也将光纤用于移相器控制信号的分配与传输。

此外,光电子技术在多波束形成和信号处理等方面均具有潜在的应用前景。

目前光电子技术在机载有源相控阵雷达中应用的基础是激光源、光调制器、光纤、光功率分配器、光探测器等光电器件,对这些器件进行恰当的系统分析与设计,以及相应的测试仪表、设备、工艺、加工等均是应用本技术的关键。

3.T/R模块
机载有源相控阵雷达的核心是T/R模块,该模块由功率放大器、驱动放大器、移相器、限幅器、低噪声放大器等组成。

T/R模块的工作原理是:在发射周期,激励信号被送入T/R模块的发射通道,经T/R开关和移相器到达驱动放大器和功率放大器,信号放大后经输出开关反馈至辐射器;在接收周期,从阵列天线接收到的微弱信号经输出开关转至限幅器和低噪声放大器,再经移相器和输入开关,到达接收机终端。

显然,发射通道的任务是雷达射频信号的功率放大,而接收通道则完成接收信号的放大,提高雷达接收前端灵敏度。

移相器的作用是使阵列天线电扫描,供两通道共用。

输入开关用于移相器。

输出开关供两个通道操作转换之用,可采用开关器件,也可采用环流器转换。

限幅器对低噪声放大器起保护作用,同时又对功率放大器提供良好的匹配终端,使其不受阵列天线电扫描状态的影响,因此,输出开关的最佳设计应是开关式吸收限幅器。

波控激励器受控于雷达计算机,其作用是减少T/R模块的控制线,可以按预先制订的工作方式进行波束指向和波束形状的相位控制。

功率放大器和低噪声放大器分别负担发射和接收通道的射频信号放大,它们直接决定T/R模块的性能。

对功率放大器的要求是频带宽、增益与效率高、信号质量好、稳定可靠、散热好。

对低噪声放大器的要求是频带宽、噪声系数小、增益高且平坦、动态范围大。

三、机载有源相控阵雷达的技术特点
通过50多年的发展,机载雷达的性能大幅度提高。

从单脉冲跟踪体制的雷达到相参体制的脉冲多普勒雷达,再到频率捷变体制的雷达,可以说每次机载雷达性能的提高,新技术都是其最根本的原动力。

而先进的有源相控阵技术的成功应用则是对传统机载雷达的又一次革命,它比单脉冲、脉冲多普勒等任何一种技术对雷达发展所带来的影响都要深刻和广泛,它极大地扩展了雷达的应用领域,提高了雷达的工作性能,而且是唯一可用于对付高动态性能多目标的雷达。

与其它机载雷达相比,机载有源相控阵雷达具有以下与众不同的技术特点:
1.可靠性高
对于机载有源相控阵雷达,信号的发射和接收是由成百上千个独立的T/R模块和辐射器完成的,由于其超常的模块化并避免了电与热应力的集中,因此少数辐射器失效对系统性能的影响不大。

试验表明,10%的辐射器失效时,系统无需修理仍能降低功率继续使用;30%的辐射器失效时,系统增益降低3dB,但仍可维持基本工作性能。

这种“柔性降级”(graceful degra2 dation)特性对作战飞机是十分必要的。

2.效费比高
对于机载有源相控阵雷达,MM IC等技术的迅速发展以及便于充分利用规模化生产的特点将会促使其制造成本大幅度地下降。

T/R模块与天线构成一体,从而使发射模块和天线之间以及天线和接收模块的射频损耗减到最小。

另外,由于有源相控阵雷达的可靠性高且具有可提高系统效率的特点,因此其寿命也将大大增加,故效费比也得到提高。

3.作用距离远
由于机载有源相控阵雷达的T/R模块中的射频功率放大器(HPA)同辐射器紧密相连,而接收信号几乎直接耦合到各T/R模块内的射频低噪声放大器(LNA),这就有效地避免了干扰和噪声叠加在有用信号上,使得叠加到处理器的信号更为清晰,因此,机载有源相控阵雷达微波能量的馈电损耗较传统机载雷达大为减少,所以雷达作用距离大幅度增长。

4.抗干扰和自适应能力强
由于有源相控阵雷达的扫描速度可以在毫秒、甚至微秒级,而且利用T/R模块可不断地变换波束位置来控制波束和降低瓣电平,所以能满足低截获概率要求,数字波束形成和天线阵列信号处理易于实现,从而大大提高了机载有源相控阵雷达的抗干扰能力和自适应能力。

5.同时多功能工作方式
所谓同时多功能,是指有源相控阵雷达能在同一时间内完成一个以上的雷达功能。

它可以用一部分T/R模块完成一种功能,用另外一部分T/R模块完成其它功能;也可用时间分隔的方法交替用同一阵面完成多种功能,如雷达在进行地图测绘、地物回避、地形跟随、威胁回避的同时还可实现对空中目标的搜索和跟踪,并对其进行攻击。

由于机载有源相控阵雷达由多个子阵组成,而每个子阵又由多个T/R模块组成,因此可以通过数字式波束形成、自适应波束控制和射频功率管理等技术,使雷达的功能和性能得到极大的扩展,可以满足各种条件下作战的需要,并能因此而开发出很多新的雷达功能和空战战术。

四、有源相控阵雷达在现代战机上的应用
近来的几场局部战争表明,在攻击有预警机掩护的机群或单机时,强烈的电磁干扰会使传统的机载雷达无法正常工作,而机载有源相控阵雷达天线口径场的幅度和相位都可以随意控制,可使天线旁瓣的零值指向敌方干扰源,使敌方不能收到足够强度的雷达信号,从而无法实施有效干扰。

若干扰源位于天线旁瓣方向,则在该方向也可以形成零值,使敌方收不到雷达信号。

以美国为例,其空军目前装备的机载相控阵雷达如下:
1.F/A222战斗机机载雷达
美国空军第四代战斗机F/A222装备的机载雷达AN/AP G277采用了有源相控阵体制,共有2000个T/R模块,每个T/R模块内部都有一个功率放大器、一个低噪声放大器和相位控
制电路。

有源相控阵技术和以计算机的强大处理能力为基础的多传感器数据融合技术赋予了一架隐身飞机众多射频功能。

由于有源相控阵天线孔径能同时产生多个波束,因此可用一组波束来探测和定位目标,并引导另一组波束对目标进行干扰,还可用第三组波束与友军的协同资源进行通信。

也就是说,以前分别由飞机上雷达天线、通信天线、干扰天线在计算机控制下完成的射频功能,现在几乎可由有源相控阵雷达同时完成。

AN/AP G277雷达对目标的作用距离超过200m,可以实现“先敌发现、先敌发射、先敌命中”,可以进行瞬间变频、快速扫描,敌方很难检测和定位,同时还可以进行电子情报搜集、干扰实施,以及监视或通信,这些是以前战斗机雷达所无法实现的。

AN/AP G277雷达由美国诺斯罗普・格鲁曼公司和雷声公司共同研制。

1998年4月,诺斯罗普・格鲁曼公司已向波音飞机公司的F/A222战斗机航空电子综合实验室交付了第一套AN/AP G277雷达的硬件和软件,由波音公司对F/A222战斗机的航空电子设备进行系统综合测试和鉴定试验。

全尺寸的AN/AP G277雷达自1999年开始生产,2004年11月具备初步作战能力,2005年开始服役。

2.F235(JSF)联合攻击战斗机机载雷达
2000年,美国国防部F235联合攻击战斗机项目办公室授予诺斯罗普・格鲁曼公司4200万美元的合同,为F235战斗机设计和开发AN/AP G281机载有源相控阵雷达,这是多功能综合射频系统/多功能阵(M IRFS/MFA)计划的一部分。

M IRFS/MFA计划要求AN/G281雷达的一条重要设计原则是必须满足F235战斗机对隐身特性的要求,同时强调必须满足军方提出的对F235的“四性”要求,即经济承受性、致命性、生存性和保障性。

因此,雷达系统采用了最先进的有源相控阵天线和高性能的接收机/激励器。

由于采用了最新的T/R模块结构技术方案,大量减少了元器件和内部连接器的数目,因而雷达的成本和重量都较F222战斗机的机载雷达有大幅度的降低。

AN/AP G281雷达新的T/R模块结构采用了可用来开发雷达超高频集成电路的MM IC 技术,将发射模块集成到一个元件中,这可以降低有源相控阵天线的尺寸、重量和造价。

模块的表面用来发射和接收电磁波,这个表面为针状突起,易于冷却。

针状突起还能减少天线系统的有效散射面积,并最终提高飞机的隐身性。

除此之外,模块中电路数量的减少降低了产生的热能,提高了设备的可靠性,同时也极大地降低了模块连接点的温度,从而使研制的冷却系统的性能超过了系统的散热需求。

由于AN/AP G281雷达采用了C++语言来设计开放式系统软件,所以为将来雷达性能的提高提供了很大的空间。

3.F/A218E/F战斗机机载雷达
F/A218E/F战斗机原来配装了AP G265/73雷达,该雷达的有源相控阵改进型为AN/ AP G279,由雷声公司研制。

AN/AP G279雷达采用先进的有源相控阵体制,极大地提高了载机的隐身特性,同时还能够增大雷达的作用距离和提高发现移动目标和巡航导弹的能力,从而使战机的总体作战能力有了突破性的提高。

AN/AP G279雷达包含数百个小型T/R模块,所以该雷达可以在一定的频率范围内作为干扰源使用。

雷达图像可以进入网络,先进的网络中心战能力将可以使该雷达的高分辨率图像与其他各类平台共享,形成由众多信息源构成的总的战场图像的一部分。

目前已经实现的工作方式有高分辨率合成孔径雷达(SAR)图像、地面动目标(GM T)探测和跟踪、海面目标搜索、空对空跟踪、空对空和空对面目标交替搜索、合成孔
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参数的设计提供了参考依据。

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径雷达与动目标合成搜索(动目标包括直升机和巡航导弹)等。

AN/AP G279雷达于2003年7月30日在美国加州的海空作战中心配装在F/A218E/F战斗机上并成功首飞。

雷声公司准备为波音公司共生产415部AN/AP G279雷达,其中一部分用于装备新生产的飞机,另一部分用于改装已在海军服役的123架F/A218E/F战斗机。

雷声公司有关AN/AP G279雷达的交付时间表大体为:2005年7月交付8部;2006年7月交付12部;2007年7月交付22部;之后每年交付42部,直到F/A218E/F项目完成。

五、结束语
21世纪机载雷达发展的总体趋势是以有源相控阵技术为核心并综合应用有关高新技术,从而使机载有源相控阵雷达的潜力得到更充分的发挥。

今后的关键是在机载有源相控阵雷达与计算机相结合的基础上,发展新型的计算机自适应软件来控制雷达,使雷达能够随着瞬息万变的复杂战场环境迅速改变发射频率、波形和天线极化等,从而实现对目标快速正确的探测、识别和跟踪。

随着有源相控阵、数字波束形成、超低天线旁瓣、大容量实时处理、光电子技术和MM IC等高新技术的迅速发展,必将把机载有源相控阵雷达的发展推向一个崭新的阶段。

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