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有源相控阵雷达21世纪机载雷达的革命(图)

http://www.sina.com.cn 2007年01月11日 15:07 《航空知识》杂志
有源相控阵雷达21世纪机载雷达的革命(图)
美空军F-16C战机上安装的AN-APG-68(V)9机载雷达

  记者:您刚才讲到,机载雷达目前发展的最高阶段是相控阵雷达。什么是相控阵?

  贲德:雷达在搜索目标时,需要不断改变波束的方向。改变波束方向的传统方法是转动天线,使波束扫过一定的空域、地面或海面,称为机械扫描。把天线做成一个平面,上面有规则地排列许多个辐射单元和接收单元,称为阵元。利用电磁波的相干原理,通过计算机控制输往天线各阵元电流相位的变化来改变波束的方向,同样可进行扫描,称为电扫描。接收单元将收到的雷达回波送入主机,完成雷达的搜索、跟踪和测量任务。这就是相控阵技术。利用相控阵技术的雷达称为相控阵雷达。由于改变电控移相器的相位可在瞬间完成,因而可实现在瞬间改变天线波束指向,这种无惯性的波束扫描,赋予相控阵雷达许多卓越的特性。与机械扫描雷达相比,相控阵雷达的天线无需转动,波扫描更灵活,能跟踪更多的目标,抗干扰性能好,还能发现隐形目标。

  相控阵雷达分有源和无源两种。有源相控阵是指在天线阵中每个天线单元下面都连接一个T/R组件,T/R组件中不仅有移相器,而且还包含有对射频信号进行功率放大的功率放大器,对回波信号进行放大的低噪声放大器(LNA)、可变衰减器、控制开关等。而无源相控阵雷达则是使用统一的发射机和接受器,外加具有相位控制能力的相控阵天线组成,天线本身不能产生雷达波。

  记者:目前国际上有一种说法,称有源相控阵雷达的研制带来了新世纪机载火控雷达的革命。您如何看待?

  贲德:这要从有源相控阵雷达的发展谈起。自20世纪50年代末相控阵雷达问世以来,相控阵雷达技术在地面雷达和舰载雷达中得到广泛应用。但迟迟未能在机载雷达中应用,这主要是受体积重量的限制及器件性能和成本的制约。

  美国早在1964年就开始了机载有源相控阵的研究工作,开展了微电子用于雷达(MERA)计划,研制了一个604单元的有源阵列。一直到20世纪90年代,代表机载火控雷达发展方向的有源相控阵火控雷达APG-77才研制成功;在欧洲,英国、法国和德国在联合研制机载多功能固态阵列雷达(AMSAR),将用于法国的“阵风”战斗机和欧洲联合战斗机的研制计划中;另外,日本、俄罗斯和以色列也都在研制机载有源相控阵火控雷达。

  记者:为什么这么多国家都纷纷投入到研制有源相控阵雷达的行列中来?它有哪些卓越的性能?

  贲德: 首先是它的射频功率效率高。在机械扫描雷达中,发射机产生的射频功率经馈线网络送到天线阵面辐射出去,收、发双向产生的射频损耗一般要有5分贝以上。在有源相控阵天线中,T/R组件紧挨着天线单元,T/R组件中的功率放大器和天线单元间的损耗及天线单元和T/R组件中的低噪声放大器间的损耗可以忽略不计,这对提高雷达探测性能的作用是明显的。

  其次,具有多功能性。由于相控阵天线波束控制的灵活性,使雷达能以时分割的方式实现多功能,可同时跟踪多批目标,一部雷达可以达到几部机械雷达的功能。它能边扫描边跟踪(与机械扫描的TWS概念不同,搜索和跟踪在时间上和空间上分别是独立的),同时跟踪多批目标。在完成空空功能的同时,还可实现空/地、信标等功能,这是机械扫描雷达无法做到的。

  第三,可提高探测和跟踪能力。由于波束指向灵活可控,可以根据需要确定射频能量在观察空域中的分配,在有可能出现目标的方向上,集中能量,增大发现目标的距离。可根据目标的性质,决定波束在目标上的驻留时间,改善跟踪稳定性。还可采用序列检测的方法改善探测性能。

  第四,具有形成不同形状波束的能力。因为相控阵天线口径上的相位和幅度分布是可控的,所以可以根据需要形成不同的波束,如针状波束、宽波束、扇形波束和余割平方波束等。还可以实现自适应波束,在存在干扰的方向上,形成零点,以抑制有源干扰,使雷达工作更有效。

  第五,具有极高的可靠性。在有源相控阵雷达中,去掉了可靠性差的大功率行波管发射机,取消了易出故障的机械旋转部件,使雷达系统可靠性大幅度提高。更重要的是天线阵是多路并行工作,T/R组件非常可靠,即使个别组件出故障,对雷达系统性能的影响并不明显,即具有故障弱化功能。就是60%的组件发生故障,雷达系统仍可保持高性能工作;30%的组件失效,雷达性能下降3分贝。诺斯洛普·格鲁曼公司的工程师认为有源相控阵雷达能很好地有效运行数年。Raytheon公司认为APG-79雷达的严重故障间隔平均时间可超过15000小时,并声称其相控阵天线可能在10~20年内无需维护。

  第六,雷达隐身性能好。雷达具有较低的雷达截面积(RCS),起到隐身作用。原因是:天线以电扫描代替了机械扫描,去掉了对电磁波反射大的天线座及传动装置;相控阵天线在工作时不转动,这有异于机械扫描天线面总是垂直于波束指向方向,因而降低了入射方向的电磁波的反射,致使RCS降低。相控阵雷达易于实现能量管理,再加上天线阵的低副瓣性能,因而,相控阵雷达具有低截获概率和隐身能力。

  第七,相控阵天线可以分成子阵多路并行工作,为时空自适应信号处理提供了条件,因而能实现对地面慢速目标的监测。

  基于这些优点,所以我们可以说,有源相控阵雷达的研制标志着机载火控雷达进入了新时代。

  记者:据了解,美国一直在研究有源相控阵雷达在未来战争中的作用,并且已经开始在新一代战斗机上安装该系统,而其他国家这方面的有关报道还没有看到。

  贲德:由于有源相控阵雷达具有机械扫描雷达不可比拟的优越性,技术上一旦突破,立即就会被多种战斗机所采用。目前,世界上只有美国将这一技术实用化。

  APG-77装备F-22战斗机已投入使用,装备F-35的APG-81正在进行飞行试验,F-15C、F-16C/D和F/A-18E/F已从装备机械扫描雷达升级为装备有源相控阵雷达。

  美军部分战机火控雷达演变情况(红色为有源相控阵雷达)

  70年代80年代90年代当前

  F-15C APG-63 APG-70 APG-63(V)2

  F-16C/D APG-68 APG-80

  F/A-18E/F APG-65 APG-73 APG-79

  F-22 APG-77

  F-35 APG-81

  有源相控阵雷达开辟了机载火控雷达的新时代。作为21世纪的新一代装备,它们将被大量生产。

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