彈載有源相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用

中秋

相控陣?yán)走_(dá)又被稱為相位控制陣列，是通過改變雷達(dá)波相位來改變雷達(dá)波束方向，也被稱為電掃雷達(dá)。相控陣?yán)走_(dá)目前分為整體饋源的無源相控陣，和子陣帶獨(dú)立饋源的有源相控陣。有源相控陣被通稱為AESA，也是電掃相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的高端產(chǎn)品。

相控陣的優(yōu)點(diǎn)是可以取消機(jī)械方向指向機(jī)構(gòu)，波束依靠電控偏轉(zhuǎn)的指向靈活，無慣性，數(shù)據(jù)更新速率快，適合與數(shù)字式信號(hào)處理系統(tǒng)綜合，還具有功能轉(zhuǎn)換速度快，可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在工藝技術(shù)難度比較大，陣面成本較高的弱點(diǎn)。

AESA現(xiàn)在已經(jīng)成為機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用的尖端技術(shù)，彈載AESA的很多技術(shù)也已經(jīng)接近或達(dá)到實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)，美國、日本、俄羅斯和西歐國家均已開始具體應(yīng)用項(xiàng)目的研究。中國作為軍用航空電子技術(shù)的后起之秀，也逐步具備了第二梯隊(duì)的技術(shù)實(shí)力。

主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的技術(shù)特征

主動(dòng)雷達(dá)是第四代雷達(dá)制導(dǎo)空空導(dǎo)彈的代表特征，是現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭的主流，也是實(shí)現(xiàn)復(fù)合制導(dǎo)和全向搜索功能的技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)有采用主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，導(dǎo)引頭大都是由天線、機(jī)械位標(biāo)器和發(fā)射機(jī)組成，雷達(dá)天線依靠機(jī)械位標(biāo)器運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)扇面掃描。

常規(guī)機(jī)掃雷達(dá)的技術(shù)成熟，重量輕，成本較低，機(jī)械掃描的工作角度范圍大，彈體軸線大偏角掃描的距離衰減率也較低。機(jī)械掃描的優(yōu)點(diǎn)不少，但機(jī)掃天線需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的方向和滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定裝置，天線運(yùn)動(dòng)時(shí)還要克服慣性的影響。同時(shí)，雷達(dá)罩內(nèi)必須留出夠天線自由轉(zhuǎn)動(dòng)的半球形空間，致使雷達(dá)罩的尺寸和外形都受到限制，無法根據(jù)氣動(dòng)要求進(jìn)行最優(yōu)化處理。雷達(dá)天線機(jī)械掃描的覆蓋范圍大，天線陣面不透波的技術(shù)特點(diǎn)，也限制了不同導(dǎo)引方式的集成?，F(xiàn)有采用復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的雷達(dá)制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，大都將雷達(dá)作為主要導(dǎo)引措施，紅外制導(dǎo)則大都安裝在彈體側(cè)面以避開雷達(dá)天線（如“標(biāo)準(zhǔn)”Ⅱ和“雄風(fēng)”Ⅱ），或采用縮小天線/光學(xué)窗口尺寸的方式，將兩種導(dǎo)引頭集中安裝在彈頭的不同位置，結(jié)果就是要么限制輔助導(dǎo)引系統(tǒng)的工作視場(chǎng)，要么影響導(dǎo)引系統(tǒng)的可用窗口面積，最終都要限制復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的綜合效果。

相控陣天線的技術(shù)特點(diǎn)

AESA天線的優(yōu)點(diǎn)是采用集中式收/發(fā)機(jī)模塊，天線陣面可以集成大量功能單元體，功率密度比平板縫隙天線要高得多，并可依據(jù)電掃描方式實(shí)現(xiàn)較大的天線尺寸。如果用通俗的對(duì)比描述雷達(dá)的原理，可以用電筒作為例子。

常規(guī)的平板縫隙雷達(dá)類似于用燈泡的普通電筒，燈泡就等同于雷達(dá)的饋源。燈泡發(fā)出的光通過反射鏡頭（波導(dǎo)管）反射，由點(diǎn)形成面后產(chǎn)生等鏡頭的光束前向照射，照射的光（雷達(dá)波）是集中的光/波束。普通的平板縫隙雷達(dá)天線是這樣，無源相控陣則是采用背光板的方式，把集中的能源分配給排列成陣的無源反射體。有源相控陣?yán)走_(dá)則類似平板背板上密集安裝著LED燈的電筒，每個(gè)燈都有獨(dú)立的光源和反射體，密集排列的點(diǎn)光源共同組成等鏡頭的照射波束。通過類比描述的過程，現(xiàn)有的雷達(dá)系統(tǒng)，無論是平板縫隙還是相控陣，形成的雷達(dá)波束都是集中的，相控陣雖可利用不同的單元形成多個(gè)照射波束，但波束分解后單獨(dú)波束的功率是降低的，探測(cè)距離顯然無法和集中波束相比。

相控陣天線陣組件的數(shù)量取決于波長和天線面積，單獨(dú)T/R模塊的功率則由材料決定?，F(xiàn)有相控陣天線T/R組件大都采用傳統(tǒng)的GaAs（砷化鎵），該材料技術(shù)和生產(chǎn)工藝相對(duì)比較成熟，應(yīng)用廣泛，綜合性能還有提高的潛力，近年來已找到更適合的新材料。彈載雷達(dá)的T/R組件如果采用GaN（氮化鎵）和SiC（碳化硅）替代目前的GaAs，T/R組件可輸出的功率理論上能提高近10倍（甚至超過10倍），雷達(dá)的探測(cè)和穩(wěn)定跟蹤距離都將有很大的提高。

材料的改進(jìn)可以獲取很大的性能收益，但對(duì)空間和能源供應(yīng)條件不好的彈載雷達(dá)，高性能材料往往還要受其它因素限制。同時(shí)，雷達(dá)性能的改善程度往往無法與材料單純的性能平衡。按照正常的技術(shù)原理計(jì)算的結(jié)果，AESA的功率與探測(cè)距離的變化并不等同。用現(xiàn)有AESA天線技術(shù)作為依據(jù)，雷達(dá)天線輻射的總功率增加10倍后，集中波束的探測(cè)距離只能增加0.87倍。正是考慮到地球曲面和遠(yuǎn)距離角測(cè)量精度的影響，機(jī)載雷達(dá)的功率與搜索距離之間必須找到最佳平衡點(diǎn)。增大搜索距離對(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)有價(jià)值，但付出的電源和冷卻代價(jià)，卻限制了相控陣?yán)走_(dá)增加功率的實(shí)用條件，工作環(huán)境更惡劣的彈載雷達(dá)面對(duì)的困難顯然要比機(jī)載雷達(dá)更大。

相控陣主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的發(fā)展

常規(guī)雷達(dá)需要進(jìn)行方向和俯仰掃描，這就要給雷達(dá)天線提供機(jī)械掃描的驅(qū)動(dòng)裝置，盤形天線的兩軸運(yùn)動(dòng)會(huì)形成一個(gè)半球形空間。如果將雷達(dá)用于高速運(yùn)動(dòng)的飛行器，就需要為天線提供一個(gè)低阻力的空腔透波結(jié)構(gòu)。飛機(jī)的雷達(dá)天線罩和導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭艙，都采用了低阻力的尖頂或卵形回轉(zhuǎn)體外形。雷達(dá)罩的截面積要明顯大于包容的天線面積，前向收縮的曲面也要受天線旋轉(zhuǎn)的球面限制。如果用飛機(jī)作為例子去對(duì)比，追求雷達(dá)全向掃描的戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)大都采用軸對(duì)稱外形的雷達(dá)，專用的對(duì)地攻擊飛機(jī)（如圖-22M和F-111）不需要雷達(dá)有大的上視掃描范圍，雷達(dá)罩上方可采用接近平面的非對(duì)稱外形。

現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭大都采用單脈沖體制，現(xiàn)役先進(jìn)空空導(dǎo)彈的雷達(dá)導(dǎo)引頭基本都采用了平板縫隙天線，下一代或現(xiàn)役改進(jìn)型則會(huì)選擇AESA天線。相控陣?yán)走_(dá)用固定陣面就能實(shí)現(xiàn)高于±45度的掃描范圍，這就有條件通過對(duì)固態(tài)天線陣面的設(shè)計(jì)，省下機(jī)械掃描裝置和天線活動(dòng)的空間，更好的利用導(dǎo)彈全彈徑的截面積，使雷達(dá)天線形狀盡可能與氣動(dòng)外形相適應(yīng)。

現(xiàn)有導(dǎo)彈雷達(dá)制導(dǎo)天線大都是軸對(duì)稱的正圓形，這是為了適應(yīng)彈體的結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化氣動(dòng)控制，也是為滿足導(dǎo)彈大過載俯仰和滾轉(zhuǎn)時(shí)雷達(dá)天線的穩(wěn)定要求。如果實(shí)現(xiàn)固定陣面的全電掃，雷達(dá)天線將成為彈體結(jié)構(gòu)的一部分，這就能依據(jù)導(dǎo)彈的特點(diǎn)和控制要求，采用扁圓甚至碟形截面的升力彈體，實(shí)現(xiàn)中、遠(yuǎn)距導(dǎo)彈小/無翼的高升力氣動(dòng)布局，為導(dǎo)彈選擇低阻力和低信號(hào)特征的異形天線罩，最大限度解決天線口徑和天線罩的限制。

按照AESA雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)，T/R單元體安裝在平面上的叫平面陣，安裝在曲面上的稱為曲面陣，與安裝平臺(tái)外形一致的則稱為共形陣（CPA）。研制中的彈載AESA主要采用兩種天線形式，掃描夾角較小的普遍采用平板電掃，掃描角要求比較高的則側(cè)重采用共形陣，使天線單元不僅集中在前向，在側(cè)向也可以提供比較好的指向性。

平面陣的各單元處于相同平面，波束方向和成形技術(shù)最簡(jiǎn)單，信號(hào)處理難度也最小，目前已經(jīng)應(yīng)用的彈載AESA，基本都選擇了平面單天線陣面結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)有共形陣方案主要有筒形、曲面和球形這幾類。按照國外公開專利的設(shè)計(jì)方案，AESA共形陣天線的電掃范圍可達(dá)±150度，最佳掃描范圍約±120度，接近無搜索空白區(qū)的全向搜索和跟蹤技術(shù)要求。柱形陣和錐臺(tái)陣天線的單元覆蓋面積大，單元數(shù)量較多，總功率大。但是，共形陣的單元體空間布局比平面陣復(fù)雜，各單元的指向軸向存在角度差，必須用軟件消除曲面上各單元T/R空間位置形成的波束差異，并在信號(hào)處理中消除反射信號(hào)的誤差，信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜，技術(shù)難度很大。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，電子設(shè)備故障的55%是由高溫引起，雷達(dá)也不例外。彈載AESA相對(duì)其它平臺(tái)AESA的主要難題，是在小彈體空間和高氣動(dòng)加熱（超音速戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈）的環(huán)境中，如何保證全電掃天線陣面的溫度控制和熱管理。雷達(dá)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高熱量，AESA的整個(gè)天線是由T/R組件構(gòu)成的“熱”板，天線又處于封閉的天線罩內(nèi)，散熱難度很大。彈載天線的尺寸小，彈體空間非常緊張，常規(guī)機(jī)載AESA的液冷技術(shù)難以用于彈載，也缺乏風(fēng)冷系統(tǒng)必須的循環(huán)管道和散熱片的空間。散熱系統(tǒng)效能直接關(guān)系彈載AESA的效果甚至成敗。

考慮到戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈使用時(shí)的雷達(dá)工作時(shí)間短，雷達(dá)的高溫周期大都在150秒以內(nèi)，AESA天線可利用彈載低溫冷卻系統(tǒng)整體浸入液冷，或結(jié)合固態(tài)石蠟/石墨復(fù)合（PCM）儲(chǔ)/散熱的循環(huán)液體強(qiáng)冷裝置。彈載天線冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零組件與系統(tǒng)綜合的工藝要求，以及系統(tǒng)質(zhì)量和產(chǎn)品性能一致性要求非常嚴(yán)格。

國外彈載相控陣的技術(shù)特征

俄羅斯已經(jīng)公開展示了R-77M配用的相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭，是在原有機(jī)掃天線驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上，用64模塊單元AESA天線替代平板縫隙天線，采用主/被動(dòng)復(fù)合方式，既能固態(tài)電掃又可機(jī)械掃描。這種做法不需要對(duì)導(dǎo)引頭和天線罩進(jìn)行大的改動(dòng)就能對(duì)新生產(chǎn)及現(xiàn)有的R-77進(jìn)行AESA天線改造。

彈載平板AESA天線如果采用固定陣面，理論上可以利用彈體整個(gè)截面，但受到電掃描天線探測(cè)距離隨偏差角增加而減少的影響，即使增加波束駐留時(shí)間，平板AESA天線大偏角掃描的效果也并不算好，彈載天線也難以采用機(jī)載天線的復(fù)雜軟件。針對(duì)全電掃AESA雷達(dá)大角度范圍搜索距離下降的性能局限，俄羅斯為蘇-35S配置的PESA無源相控陣，及歐洲國家為JAS-39和EF-2000配裝的新型AESA火控雷達(dá)，均采用了電掃與機(jī)掃組合的方式，小偏角利用天線電掃描的方式，大角度則依靠機(jī)掃提供天線的側(cè)向傾斜角，彈載相控陣天線直接利用了這種方法。

俄羅斯彈載相控陣天線的缺點(diǎn)是重量和占用空間大，天線罩的外形仍然受到天線旋轉(zhuǎn)空間限制，優(yōu)點(diǎn)則是AESA天線設(shè)計(jì)和工藝簡(jiǎn)單，用機(jī)掃使天線在整個(gè)前半球都能獲得均衡的搜索距離。如果從技術(shù)上分析，俄羅斯為R-77M選擇機(jī)-電混掃AESA雷達(dá)，主要是因?yàn)槠潆娮右葡嗥鞯募夹g(shù)水平不高，傳統(tǒng)移相器的體積和重量太大，難以綜合到R-77的彈體中。R-77M的AESA導(dǎo)引頭的設(shè)計(jì)性能不錯(cuò)，但因?yàn)樘炀€尺寸小，陣面采用了交錯(cuò)條形構(gòu)成的矩形，雷達(dá)天線的總面積要小于普通的盤形天線，這也在部分程度上削弱了AESA的性能優(yōu)勢(shì)。

美國空軍為雙用途對(duì)空導(dǎo)彈增加反巡航導(dǎo)彈性能要求后，將新的項(xiàng)目改稱為3T，并計(jì)劃采用C/Ka雙波段寬帶主/被動(dòng)AESA導(dǎo)引頭。按照已經(jīng)公開的3T導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭資料，C波段有利于應(yīng)付低信號(hào)特征目標(biāo)，用來承擔(dān)遠(yuǎn)距離搜索和跟蹤任務(wù)，對(duì)RGS數(shù)值為0.1的空中目標(biāo)（隱身飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈）的跟蹤距離為40千米。Ka波段則用于近距離高精度制導(dǎo)，具備依靠彈體動(dòng)能毀傷目標(biāo)的制導(dǎo)精度。

美國軍方彈載AESA的研究范圍比較大，不僅涉及到先進(jìn)對(duì)空導(dǎo)彈，還計(jì)劃將其用于反輻射導(dǎo)彈和遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈。美國依托其軍用電子技術(shù)，已經(jīng)具備接近實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)的低功耗主/被動(dòng)AESA導(dǎo)引頭的技術(shù)實(shí)力，除較為常規(guī)的多層貼片結(jié)構(gòu)外，還投入資源推動(dòng)大掃描角共形陣天線，及微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）電子掃描陣列的研究。

按照資料中公開的數(shù)據(jù)，美國采用MEMS點(diǎn)掃陣面的樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了X/Ka雙波段共陣，X波段60個(gè)T/R組件總功率30W，Ka波段768個(gè)T/R組件總功率也為30W。通過研究已經(jīng)證明，采用低成本的GaN，并用MEMS替代傳統(tǒng)移相器，T/R組件的成本和功耗均可以降低約90%，具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

美國目前開始的幾個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)起點(diǎn)很高，既有平面陣也有共形陣?，F(xiàn)有方案的頻率大都選擇了雙波段，較為重視毫米波測(cè)量精度高的性能優(yōu)勢(shì)。

彈載AESA天線的陣面技術(shù)發(fā)展

軍用電子強(qiáng)國在上世紀(jì)末即開始彈載AESA的工程研究，在本世紀(jì)前10年有大量預(yù)研項(xiàng)目公開，但很多項(xiàng)目的公開資訊近年卻開始減少。公開資訊減少很少意味著項(xiàng)目已經(jīng)失敗，更多的是隨著預(yù)先研究進(jìn)入工程化發(fā)展階段，工作內(nèi)容開始涉及工藝和性能的具體數(shù)據(jù)，項(xiàng)目已進(jìn)入保密的裝備科研階段。

AESA已經(jīng)成為先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的基本配置，也是現(xiàn)役戰(zhàn)斗機(jī)改進(jìn)重點(diǎn)。機(jī)載和彈載AESA的技術(shù)差異不過是處理軟件不同，它們有很多技術(shù)共性，但并不是把機(jī)載AESA天線分成幾塊就可以改造成幾個(gè)彈載AESA雷達(dá)那樣簡(jiǎn)單。

T/R組件是AESA雷達(dá)的核心，直接影響著雷達(dá)的性能與成本，任何有效的技術(shù)改進(jìn)都會(huì)帶來明顯變化?，F(xiàn)階段AESA雷達(dá)天線的成本很高，機(jī)載雷達(dá)的重復(fù)使用性能夠降低對(duì)成本的敏感度，彈載AESA則是一次性消耗品，必須低成本。數(shù)字式移相器和微波集成電路（MMIC）的應(yīng)用，能大幅降低T/R單元體的尺寸和重量，尤其是采用MMIC結(jié)構(gòu)的貼片式T/R組件，能降低AESA天線重量。MMIC、MEMS和GaN的批生產(chǎn)使得各國已經(jīng)有研制出小型化、低能耗彈載AESA雷達(dá)的條件。

從目前應(yīng)用看，AESA具備的靈活波束和高可靠性，作為攻擊單目標(biāo)的導(dǎo)彈導(dǎo)引頭使用時(shí)的性能優(yōu)勢(shì)并不算突出，而AESA遠(yuǎn)超過普通機(jī)掃平面/拋物面天線的成本，以及彈上電源的供應(yīng)條件，系統(tǒng)冷卻的難度，均限制了這種雷達(dá)在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上的應(yīng)用。日本和俄羅斯目前已經(jīng)有AESA彈載雷達(dá)的應(yīng)用例子，但把平板縫隙陣面簡(jiǎn)單更新為T/R組件陣面，并不能發(fā)揮出AESA雷達(dá)系統(tǒng)的根本技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

彈載AESA雷達(dá)是未來導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)目標(biāo)，但從好用到用好之間卻存在很大距離。根據(jù)各國雷達(dá)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，彈用AESA雷達(dá)最重要的目標(biāo)就是降低成本，或利用共形陣等提供特別有價(jià)值的性能。只有突破效費(fèi)比瓶頸后，彈載AESA雷達(dá)才能取代常規(guī)雷達(dá)。