[電子信息技術] “相控陣”和“三座標”:二種先進雷達體制的異同

率我真 2013-01-31

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[電子信息技術] “相控陣”和“三座標”:二種先進雷達體制的異同

郭衍瑩

［前言］雷達是現代先進武器的一個關鍵部件，也是阻礙我國先進武器快速發(fā)展的一個技術瓶頸。今觀網上發(fā)表的很多軍事科普文章，內容豐富生動，但有些文章在談及此問題時，或者概念混淆，或者敘述不準確。我是一名已退休的國防科研工作者。今就自己所知，并結合近年來我為大專院校師生、部隊所作科普性講座，簡要介紹相控陣雷達和三座標雷達的一些基本概念，和這二種先進雷達的區(qū)別。歡迎與大家一起探討。

相控陣雷達是利用電掃描的方法使天線發(fā)射的電波波束在空中無論是水平（方位）方向還是垂直（俯仰）方向都能快速搜索到目標。三座標雷達與相控陣雷達主要區(qū)別之一是在俯仰角上也用電掃描方法，而在方位角上用機械掃描方法（即轉動天線）來搜索目標。而且二種雷達電掃描采用方法也有所不同：相控陣雷達用相掃法，即用可控移相器來精確改變每一天線的相位，使波束可在空中任意方向掃描。而三座標雷達大都用頻掃法或延遲線法來控制天線的相位，使在俯仰角上在空中形成多個固定波束（或依次形成多波束）。相位控制掃瞄方法最先進，所以相控陣雷達被公認為當代最先進的一種雷達體制。也是現代雷達主要發(fā)展方向。

相控陣雷達的基本原理

相控陣的原理是利用光學中干涉儀原理。它可以簡單形象地用圖1來描述。圖1-a中二個相距大約半波長的天線振子（小天線）如果饋以相位相同的電流，那么空間電波必然是指向正前方（法向）；這是由于二個振子相距半個波長，則在天線法向，電波在空中將同相相加，而水平方向相互抵消。如果改變二個振子的電流相位，那么空間電波指向就會隨相位改變而上下左右變動，這就是用相控陣達到電掃描的原理。

但圖1－a只有二個振子，形成的波束太寬，無法實用（作為作戰(zhàn)火控雷達，波束要小于幾度甚至一度以下）。這只要增加振子的數量，且相互間距離都在半波長左右，則波束可以做得很窄。所以相控陣雷達天線都做成面陣（方形或八角形）。上面對稱地排列著成百上千個振子。改變振子相位的方法就是在每個振子后面接一個移相器，其相位即可電控。

   圖1－b畫出一行振子情況，（也稱線陣）。所以相控陣雷達一般都比較復雜，也較龐大，價格也昂貴。但它無需轉動天線就能在上下左右（即方位角上和俯仰角上）快速而精確地搜索到目標，它可以用單脈沖測角法精確測出目標的角度值。而且可以同時搜索多目標，同時完成搜索、跟蹤、制導導彈等多功能。當然搜索的空域也有一定限度，一般為法向的±45度到±60度。因此如需全方位（360度）搜索，就需至少另外加裝二到三個天線陣，每個陣管90－120度方位。也有只有一個天線陣的，就需能在全方位轉動（如俄羅斯一些武器系統(tǒng)）。
   所謂三座標雷達，按我國科學家王小模工程院士著作和國外文獻下的定義：“對指定空域內所有目標能同時測出其三個座標參數（距離、方位角、俯仰角）的雷達”。大家要注意所有和同時。因為老式機械掃描（如有拋物面天線的炮瞄雷達）也能測量和跟蹤目標的三座標，但不能做到同時跟蹤所有目標。
三座標雷達的基本原理
   三座標雷達在俯仰方向，也是采用電掃描天線波束。但大都采用抽頭延遲線法或頻率掃瞄法，今分別示于圖2－a和圖2－b。它們都能在空間形成多個固定波束（一般4個以上，多的有一二十個），或依次形成多波束。

圖2

   延遲線法可用有抽頭的中頻延遲線，如示意圖2－a；當然也可微波延遲線。圖2－a中，由接收機Ⅰ的延遲線抽頭C和接收機Ⅱ的抽頭D,和接收機Ⅲ的抽頭E形成波束1；同理Ⅰ的抽頭B和Ⅱ的抽頭D和Ⅲ的抽頭F形成波束2；Ⅰ的抽頭A和Ⅱ的抽頭D和Ⅲ的抽頭C形成波束3。
   所謂頻率掃描就是改變饋給天線振子電流的頻率同樣能達到改變相位的效果。如圖2－b原理圖所示，由于振子間相位差等于頻率乘以電流流過時間（θ＝f×Δt，Δt為電波自一振子到下一振子的時間，等于光速除以二振子間距離），頻率f改變就導致振子間相位改變。頻掃也可以做到多目標。但比相掃得到的波束要寬，精度較差。它是根據在哪一個波束（或二個波束）發(fā)現目標來判斷目標的俯仰角。但造價相對較低。另外它與相控陣雷達不同點是水平（方位角）方向是機械掃瞄，即靠天線轉動來搜索方位上的目標。所以三座標雷達主要作對空監(jiān)測、搜索雷達。用于發(fā)現目標，并粗測出其座標參數，故也稱對空情報雷達。而相控陣雷達用于精確跟蹤目標、制導導彈以及其它多功能。
   另外，早期三座標雷達天線大多為拋物面，新式的也可做成面陣，稱陣列天線。它在橫的方向（行向）是一根根波導管，每根波導管上等距離開一排糟（或孔），作輻射小天線，使在方位角方向的波束變窄。而在俯仰方向則采用電掃。此次我國60周年大慶閱兵式中檢閱的機動雷達方陣，就是用陣列天線。如圖3。

圖3
二種雷達的異同
歸納起來二者的異同在于：（1）都采用了先進的電掃體制。但三坐標雷達在方位上仍保留用機械掃描；（2）相控陣雷達采用相掃法，掃描精確，波束可很窄?？捎脝蚊}沖法精確測角。三坐標雷達采用頻掃法或延遲線法，在空中形成多波束，波束難以很窄；測角精度一般不很高。（3）相控陣雷達天線都為面陣；三坐標雷達天線可為拋物面，新式的也可為面陣（陣列天線）；（4）相控陣雷達為多功能雷達，主要用于武器精密制導（火控），波束要求窄。由天線理論可知，對同樣的波束寬度，頻率越高，天線尺寸越小。所以相控陣雷達一般說來采用微波的高端，如C波段、X波段等。三坐標雷達大都用作搜索和監(jiān)控（對空情報），波束寬度不是主要矛盾（波束太窄搜索時間必然太長），倒是希望輸出功率盡量大，以保證有盡可能遠的搜索距離。由于大功率微波器件在頻率低時更容易實現，所以三坐標雷達一般采用微波的低段，如S波段、L波段等。

圖4是美國德凱特號宙斯盾驅逐艦上的相控陣雷達天線，是“四面陣”。它是該艦防空導彈系統(tǒng)的重要組成部分。

圖5是俄羅斯光榮號導彈巡洋艦上對空導彈系統(tǒng)的搜索雷達天線和制導雷達天線。前者為三座標雷達，天線為陣列狀。后者為相控陣雷達，天線為可旋轉的單面陣。該系統(tǒng)是俄有名的C300地空導彈的上艦型號
有源和無源相控陣的區(qū)別
最后還要提一下，有些網上文章把有源和無源相控陣的概念有些弄混淆了，譬如說有源是無源的新一代等。有源和無源并不代表二代產品。二者主要區(qū)別是：無源相控陣雷達是將統(tǒng)一（或中央）大功率微波源(微波電真空器件，脈沖功率可至兆瓦級)的輸出通過微波電纜或直接空間饋電分成很多路輸給天線陣上每一個單元振子。它大都用于地面防空導彈系統(tǒng)，甚至反導系統(tǒng)。而有源相控陣雷達是指在每個（或一組）單元后接一個有源的接收/發(fā)射組件（半導體固態(tài)器件），這樣可以大大減輕對中央微波激勵源輸出功率的要求。一般多用于空軍作戰(zhàn)飛機。因為在飛機上難以實現大功率微波激勵源。而在地面就不是個困難。當然地面相控陣雷達為了獲得更大輸出功率，也可以加/發(fā)組件。但造價以及檢查、維修費用都將猛增。由此可見無論有源或無源，都有一些棘手的技術問題要解決。圖6是美國F15戰(zhàn)機改裝有源相控陣雷達后的情況。