中秋

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

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

AESA現(xiàn)在已經(jīng)成為機載雷達應用的尖端技術，彈載AESA的很多技術也已經(jīng)接近或達到實用標準，美國、日本、俄羅斯和西歐國家均已開始具體應用項目的研究。中國作為軍用航空電子技術的后起之秀，也逐步具備了第二梯隊的技術實力。

主動雷達導引頭的技術特征

主動雷達是第四代雷達制導空空導彈的代表特征，是現(xiàn)代戰(zhàn)術導彈雷達導引頭的主流，也是實現(xiàn)復合制導和全向搜索功能的技術基礎?，F(xiàn)有采用主動雷達導引頭的戰(zhàn)術導彈，導引頭大都是由天線、機械位標器和發(fā)射機組成，雷達天線依靠機械位標器運動實現(xiàn)扇面掃描。

常規(guī)機掃雷達的技術成熟，重量輕，成本較低，機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。機械掃描的優(yōu)點不少，但機掃天線需要結構復雜的方向和滾轉穩(wěn)定裝置，天線運動時還要克服慣性的影響。同時，雷達罩內(nèi)必須留出夠天線自由轉動的半球形空間，致使雷達罩的尺寸和外形都受到限制，無法根據(jù)氣動要求進行最優(yōu)化處理。雷達天線機械掃描的覆蓋范圍大，天線陣面不透波的技術特點，也限制了不同導引方式的集成?，F(xiàn)有采用復合制導技術的雷達制導戰(zhàn)術導彈，大都將雷達作為主要導引措施，紅外制導則大都安裝在彈體側面以避開雷達天線（如“標準”Ⅱ和“雄風”Ⅱ），或采用縮小天線/光學窗口尺寸的方式，將兩種導引頭集中安裝在彈頭的不同位置，結果就是要么限制輔助導引系統(tǒng)的工作視場，要么影響導引系統(tǒng)的可用窗口面積，最終都要限制復合制導技術的綜合效果。

相控陣天線的技術特點

AESA天線的優(yōu)點是采用集中式收/發(fā)機模塊，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)電掃描方式實現(xiàn)較大的天線尺寸。如果用通俗的對比描述雷達的原理，可以用電筒作為例子。

常規(guī)的平板縫隙雷達類似于用燈泡的普通電筒，燈泡就等同于雷達的饋源。燈泡發(fā)出的光通過反射鏡頭（波導管）反射，由點形成面后產(chǎn)生等鏡頭的光束前向照射，照射的光（雷達波）是集中的光/波束。普通的平板縫隙雷達天線是這樣，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。有源相控陣雷達則類似平板背板上密集安裝著LED燈的電筒，每個燈都有獨立的光源和反射體，密集排列的點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)有的雷達系統(tǒng)，無論是平板縫隙還是相控陣，形成的雷達波束都是集中的，相控陣雖可利用不同的單元形成多個照射波束，但波束分解后單獨波束的功率是降低的，探測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T/R模塊的功率則由材料決定。現(xiàn)有相控陣天線T/R組件大都采用傳統(tǒng)的GaAs（砷化鎵），該材料技術和生產(chǎn)工藝相對比較成熟，應用廣泛，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），雷達的探測和穩(wěn)定跟蹤距離都將有很大的提高。

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

相控陣主動雷達導引頭的發(fā)展

常規(guī)雷達需要進行方向和俯仰掃描，這就要給雷達天線提供機械掃描的驅動裝置，盤形天線的兩軸運動會形成一個半球形空間。如果將雷達用于高速運動的飛行器，就需要為天線提供一個低阻力的空腔透波結構。飛機的雷達天線罩和導彈的導引頭艙，都采用了低阻力的尖頂或卵形回轉體外形。雷達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的球面限制。如果用飛機作為例子去對比，追求雷達全向掃描的戰(zhàn)術飛機大都采用軸對稱外形的雷達，專用的對地攻擊飛機（如圖-22M和F-111）不需要雷達有大的上視掃描范圍，雷達罩上方可采用接近平面的非對稱外形。

現(xiàn)有戰(zhàn)術導彈雷達導引頭大都采用單脈沖體制，現(xiàn)役先進空空導彈的雷達導引頭基本都采用了平板縫隙天線，下一代或現(xiàn)役改進型則會選擇AESA天線。相控陣雷達用固定陣面就能實現(xiàn)高于±45度的掃描范圍，這就有條件通過對固態(tài)天線陣面的設計，省下機械掃描裝置和天線活動的空間，更好的利用導彈全彈徑的截面積，使雷達天線形狀盡可能與氣動外形相適應。

現(xiàn)有導彈雷達制導天線大都是軸對稱的正圓形，這是為了適應彈體的結構和簡化氣動控制，也是為滿足導彈大過載俯仰和滾轉時雷達天線的穩(wěn)定要求。如果實現(xiàn)固定陣面的全電掃，雷達天線將成為彈體結構的一部分，這就能依據(jù)導彈的特點和控制要求，采用扁圓甚至碟形截面的升力彈體，實現(xiàn)中、遠距導彈小/無翼的高升力氣動布局，為導彈選擇低阻力和低信號特征的異形天線罩，最大限度解決天線口徑和天線罩的限制。

按照AESA雷達天線的設計，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重采用共形陣，使天線單元不僅集中在前向，在側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最簡單，信號處理難度也最小，目前已經(jīng)應用的彈載AESA，基本都選擇了平面單天線陣面結構。

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計方案，AESA共形陣天線的電掃范圍可達±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要求。柱形陣和錐臺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，并在信號處理中消除反射信號的誤差，信號處理軟件設計復雜，技術難度很大。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，電子設備故障的55%是由高溫引起，雷達也不例外。彈載AESA相對其它平臺AESA的主要難題，是在小彈體空間和高氣動加熱（超音速戰(zhàn)術導彈）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。雷達在工作時會產(chǎn)生很高熱量，AESA的整個天線是由T/R組件構成的“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)機載AESA的液冷技術難以用于彈載，也缺乏風冷系統(tǒng)必須的循環(huán)管道和散熱片的空間。散熱系統(tǒng)效能直接關系彈載AESA的效果甚至成敗。

考慮到戰(zhàn)術導彈使用時的雷達工作時間短，雷達的高溫周期大都在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，或結合固態(tài)石蠟/石墨復合（PCM）儲/散熱的循環(huán)液體強冷裝置。彈載天線冷卻系統(tǒng)結構復雜，零組件與系統(tǒng)綜合的工藝要求，以及系統(tǒng)質量和產(chǎn)品性能一致性要求非常嚴格。

國外彈載相控陣的技術特征

俄羅斯已經(jīng)公開展示了R-77M配用的相控陣雷達導引頭，是在原有機掃天線驅動平臺上，用64模塊單元AESA天線替代平板縫隙天線，采用主/被動復合方式，既能固態(tài)電掃又可機械掃描。這種做法不需要對導引頭和天線罩進行大的改動就能對新生產(chǎn)及現(xiàn)有的R-77進行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截面，但受到電掃描天線探測距離隨偏差角增加而減少的影響，即使增加波束駐留時間，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載天線的復雜軟件。針對全電掃AESA雷達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，均采用了電掃與機掃組合的方式，小偏角利用天線電掃描的方式，大角度則依靠機掃提供天線的側向傾斜角，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是重量和占用空間大，天線罩的外形仍然受到天線旋轉空間限制，優(yōu)點則是AESA天線設計和工藝簡單，用機掃使天線在整個前半球都能獲得均衡的搜索距離。如果從技術上分析，俄羅斯為R-77M選擇機-電混掃AESA雷達，主要是因為其電子移相器的技術水平不高，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導引頭的設計性能不錯，但因為天線尺寸小，陣面采用了交錯條形構成的矩形，雷達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。

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

美國軍方彈載AESA的研究范圍比較大，不僅涉及到先進對空導彈，還計劃將其用于反輻射導彈和遠程反艦導彈。美國依托其軍用電子技術，已經(jīng)具備接近實用標準的低功耗主/被動AESA導引頭的技術實力，除較為常規(guī)的多層貼片結構外，還投入資源推動大掃描角共形陣天線，及微機電系統(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點掃陣面的樣機，實現(xiàn)了X/Ka雙波段共陣，X波段60個T/R組件總功率30W，Ka波段768個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項目的技術起點很高，既有平面陣也有共形陣。現(xiàn)有方案的頻率大都選擇了雙波段，較為重視毫米波測量精度高的性能優(yōu)勢。

彈載AESA天線的陣面技術發(fā)展

軍用電子強國在上世紀末即開始彈載AESA的工程研究，在本世紀前10年有大量預研項目公開，但很多項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目已經(jīng)失敗，更多的是隨著預先研究進入工程化發(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)，項目已進入保密的裝備科研階段。

AESA已經(jīng)成為先進戰(zhàn)斗機的基本配置，也是現(xiàn)役戰(zhàn)斗機改進重點。機載和彈載AESA的技術差異不過是處理軟件不同，它們有很多技術共性，但并不是把機載AESA天線分成幾塊就可以改造成幾個彈載AESA雷達那樣簡單。

T/R組件是AESA雷達的核心，直接影響著雷達的性能與成本，任何有效的技術改進都會帶來明顯變化?，F(xiàn)階段AESA雷達天線的成本很高，機載雷達的重復使用性能夠降低對成本的敏感度，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）的應用，能大幅降低T/R單元體的尺寸和重量，尤其是采用MMIC結構的貼片式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雷達的條件。

從目前應用看，AESA具備的靈活波束和高可靠性，作為攻擊單目標的導彈導引頭使用時的性能優(yōu)勢并不算突出，而AESA遠超過普通機掃平面/拋物面天線的成本，以及彈上電源的供應條件，系統(tǒng)冷卻的難度，均限制了這種雷達在戰(zhàn)術導彈上的應用。日本和俄羅斯目前已經(jīng)有AESA彈載雷達的應用例子，但把平板縫隙陣面簡單更新為T/R組件陣面，并不能發(fā)揮出AESA雷達系統(tǒng)的根本技術優(yōu)勢。

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