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中天(江蘇)防務(wù)裝備有限公司

無源/有源相控陣?yán)走_(dá)原理及其典型系統(tǒng)(轉(zhuǎn)載)

2020-04-17 10:37:29 中天防務(wù) 8484

從最基本的概念開始逐步理解相控陣?yán)走_(dá)的原理。

相參雷達(dá)

相參雷達(dá)是指雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號、本振電壓、相參震蕩電壓和定時器的觸發(fā)脈沖均由同一基準(zhǔn)信號提供,使得這些信號之間可以保持確定的相位關(guān)系,同時接收的回波信號也可以提取信號的相位信息。

相同頻率,不同相位的信號疊加后的效果如下圖。

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移相器

移相器的作用是將信號的相位移動一個角度,相位和頻率保持穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系是移相器的一個特性。

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有了信號疊加的原理和移相器,相控陣?yán)走_(dá)原理就呼之欲出了,其基本思想:通過改變每個輻射元件發(fā)射信號的相位,以提供相長/相消干涉,以便在期望的方向上形成波束,從而控制波束指向不需要通過機(jī)械運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)了。

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那么,問題來了!對于一個線性陣列,要想形成某個角度指向的波束,每個移相器到底該移多少相位呢?

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可以通過下面公式進(jìn)行簡單計(jì)算,例如陣元間距為15cm,波長為10cm,波束方位為30度,第二個相對于第一個需要移相360*15*sin(30°)/10=270°,那么第八個陣元相對于第一個陣元需要移相7*270°=1890°,減去n個360°,也就是需要移相90°。

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波束寬度

波束寬度是指主波束方向圖功率下降到一定程度內(nèi)的角度范圍,功率下降3dB時的波束寬度叫做半功率波束寬度。

波束寬度主要與波長、天線陣的口徑長度以及掃描角有關(guān),直觀的理解就是陣元數(shù)越多,陣元間隔越大、波長越短,波束寬度越窄,天線增益就越高。

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如果照射的角度增大,會帶來波束寬度和增益的惡化。

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如果陣元間距取值不合適,相控陣天線掃描時的輻射場就會在主瓣以外的其他方向上形成有規(guī)律的類似主波束的刪瓣,其位置是頻率和陣元間距的函數(shù)。下圖是陣元間距不同情況下的刪瓣如。

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例如對于矩形柵格的相控陣來說,給定最大掃描角為90度,則陣元間最大間距為半波長;并且波長要選取工作頻段中的最短波長。

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無源相控陣?yán)走_(dá)

無源相控陣?yán)走_(dá)只有一個發(fā)射機(jī),多個天線單元。每個天線輻射源的波前是球面的,但它們在天線的前面組合(疊加),從而產(chǎn)生沿特定方向行進(jìn)的平面波。通過計(jì)算機(jī)控制改變相移,從而改變波束的指向角度θ。

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典型的無源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)

  • AN/FPQ-16 PARCS at Cavalier Air Force Station

  • AN/MPQ-53

  • AN/MPQ-65

  • AN/SPQ-11 Cobra Judy

  • AN/SPY-1 Aegis combat system

  • AN/TPQ-36 and AN/TPQ-37 Firefinder radars

  • AN/APY-1/2 Boeing E-3 Sentry

  • AN/APY-7 for Northrop Grumman E-8 Joint STARS

  • AN/APQ-164 B-1B (Northrop Grumman formerly Westinghouse ESG)

  • AN/APQ-181 B-2 Spirit (initial version, now AESA)

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有源相控陣?yán)走_(dá)

有源相控陣?yán)走_(dá),也叫有源電子掃描陣列(Active Electronically Scanned Array, AESA)雷達(dá),隨著雷達(dá)技術(shù)正在變得越來越復(fù)雜,威脅也越來越大,如今的戰(zhàn)場更具挑戰(zhàn)性和危險(xiǎn)性。為了應(yīng)對這些更復(fù)雜的威脅,世界上最新的戰(zhàn)斗機(jī)正在配備有源相控陣?yán)走_(dá)。

有源相控陣?yán)走_(dá)的每個輻射器都配裝有一個發(fā)射/接收組件,每一個組件都能自己產(chǎn)生、接收電磁波,因此在頻寬、信號處理和冗度設(shè)計(jì)上都比無源相控陣?yán)走_(dá)具有較大的優(yōu)勢。

AESA雷達(dá)的大帶寬,敏捷性使得戰(zhàn)斗機(jī)能夠在更遠(yuǎn)的距離上更快的檢測,跟蹤和識別更多的目標(biāo),并在復(fù)雜的電磁環(huán)境中生存。并且具有全天候高分辨率合成孔徑雷達(dá)成像,為飛行員提供了一個能夠進(jìn)行精確目標(biāo)識別和打擊的大型表面圖像。

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線性陣與平面陣

相控陣可以是線性的,也可以是平面的。線性陣是先將多個陣元合成一路信號后進(jìn)行統(tǒng)一移相,而平面陣是每個陣元都具有獨(dú)立的的移相器。線性陣可以在一維上移動波束,而平面陣則可以在二維上移動波束。

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相控陣?yán)走_(dá)的一大先天優(yōu)勢是天線波束的快速掃描與形狀捷變。那么,這個掃描與變化的快慢和哪些因素有關(guān)呢?

對于采用移相器的相控陣天線,天線波束指向的快速變換能力,在硬件上取決于開關(guān)器件及其控制信號的計(jì)算、傳輸和轉(zhuǎn)換時間。也就是說,采用不同類型的移相器,會對天線波束轉(zhuǎn)換時間產(chǎn)生很大的影響。

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鐵氧體移相器

鐵氧體移相器的基本原理是利用外加直流磁場改變波導(dǎo)內(nèi)鐵氧體的導(dǎo)磁系數(shù),從而改變電磁波的相速,得到不同的相移量。

鐵氧體移相器的主要優(yōu)點(diǎn)是承受功率較高,插入損耗較小,帶寬較寬。其缺點(diǎn)是所需激勵功率比PIN管移相器大,開關(guān)時間在微秒(us)量級。

半導(dǎo)體PIN二極管

PIN二極管開關(guān)從“開”到“關(guān)”或者相反動作的起始狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間稱為開關(guān)時間。以半導(dǎo)體PIN二極管作為開關(guān)器件的數(shù)字式移相器相位轉(zhuǎn)換時間可以達(dá)到納秒(ns)量級。

GaAs FET

GaAs FET開關(guān)是數(shù)控移相器的主要構(gòu)成元素,它作為一個三端器件, 可以通過對柵偏置電壓的控制來改變源漏間電阻,從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)動作, 轉(zhuǎn)換時間也在納秒(ns)量級。

典型的有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)

  • AN/APG-80, for the F-16E/F Desert Falcon

  • AN/APG-77, for the F-22 Raptor

  • AN/APG-81, for the F-35 Lightning II

  • AN/APG-83 SABR, for the F-16V Block20 Viper and B-1B Lancer upgrades

  • AN/APY-9, for the E-2D Advanced Hawkeye

  •         ...

  • AN/APG-63(V)2 and AN/APG-63(V)3, for the F-15C Eagle, Republic of Singapore's F-15SG

  • AN/APG-79, for the F/A-18E/F Super Hornet and EA-18G Growler

  • AN/APG-82(V)1 for the F-15E Strike Eagle

  • AN/APQ-181 upgrade from PESA to AESA, for Northrop Grumman B-2 Spirit bomber

  •         ...

  • FlexDAR Flexible Distributed Array Radar

  • U.S. National Missile defense Sea-based X-band Radar (XBR)

  • AN/SPY-3 multifunction radar for U.S. DD(X) and CVN-21 next-generation surface vessels

  • AN/SPY-6

    ...


F-22上的AN/APG-77多功能火控雷達(dá)

AN/APG-77多功能雷達(dá)是一種有源相控陣?yán)走_(dá),可探測遠(yuǎn)程多目標(biāo)和隱形飛行器,通過F-22飛機(jī)上的綜合信息處理機(jī)遇其他傳感器和航電設(shè)備相連,其可對天線的收發(fā)波束方向圖進(jìn)行控制并對所接收到的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

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有源電掃描陣列由2000個低功率X波段收發(fā)組件構(gòu)成,每一個輻射單元的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是分置的,具有高的靈活性、低RCS和寬帶寬。每個收發(fā)組件為70mm*3mm,可產(chǎn)生10W的射頻功率,采用的是砷化鎵(GaAs)技術(shù)。

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工作方式

  • 空空:對空搜索與跟蹤、邊搜索邊測距、邊跟蹤邊掃描、單目標(biāo)跟蹤、群目標(biāo)分辨等;

  • 空地:地形測繪、地面動目標(biāo)跟蹤、地面動目標(biāo)指示(GMTI);

  • 空海:海面目標(biāo)檢測、固定目標(biāo)跟蹤。

據(jù)報(bào)道,APG-77除了采用聚束SAR模式獲得3m的高分辨,還采用逆SAR獲得超高分辨,使其分辨力可以達(dá)到0.3m。

F-35上的AN/APG-81多功能火控雷達(dá)

APG-81是充分借鑒了APG-77的研制經(jīng)驗(yàn)與成熟技術(shù),并且具有“多通道”接收機(jī)和激勵器,每個通道針對不同的參數(shù),各自分析一個離散的雷達(dá)回波信號,N個通道便同時可以獲得多個參數(shù)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了基于單個脈沖的多功能。

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APG-81可以同時承擔(dān)通信、干擾或者目標(biāo)搜索等任務(wù),實(shí)時跟蹤目標(biāo),監(jiān)視敵電子輻射信號和干擾敵方雷達(dá),為飛行員提供精確的目標(biāo)定位信息和自動跟蹤提示。

綜合航電系統(tǒng)主要由綜合射頻傳感器系統(tǒng)和綜合射頻孔徑組成,孔徑綜合后的有源多功能陣列可支持雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信/導(dǎo)航/識別等任務(wù)。

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APG-81的主要功能

  • 空空搜索與跟蹤

  • 空地攻擊

  • SAR成像,超高分辨力SAR成像

  • 單脈沖地形測繪

  • 高增益的ESM

  • ECM

  • ATC導(dǎo)航/氣象傳感器

雷達(dá)的X波段AESA天線(1200個陣元)位于機(jī)頭內(nèi),實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)和前半球ECM有關(guān)的功能,從AESA天線輻射出去的電子對抗ECM信號能量強(qiáng)度足以燒毀敵方電子設(shè)備。其對于干擾后半球來的威脅是通過單獨(dú)使用安裝在機(jī)頭機(jī)翼和機(jī)尾的小天線。

綜合射頻傳感器系統(tǒng)采用“即插即用”的架構(gòu),雷達(dá)核心處理機(jī)和一級組件是固定式的,雷達(dá)傳感器和T/R組件均可隨時使用新型組件來替換。

F-16上的AN/APG-83可拓展的敏捷波束雷達(dá)(SABR)

APG-83 AESA對傳統(tǒng)機(jī)械掃描的APG-66和APG-68雷達(dá)提供以下功能增強(qiáng),以確保F-16在未來幾十年內(nèi)保持可持續(xù)發(fā)展: