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有源相控阵雷达技术发展述评

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有源相控阵(AESA,亦译有源电扫描阵列)雷达已成为现代先进战机的标准配置,不仅会在许多新机型中取代机械扫描阵列(MSA)和无源电扫描阵列(PESA)雷达,还用于现役飞机的批量升级。AESA也已渗入以前由MSA和PESA技术主导的其他领域,包括机载预警雷达、面对空导弹火控雷达和立体搜索雷达。这种发展势头还会持续下去,并将得到进一步的发展。但是,AESA也不是“万能药”,并非适合所有雷达应用。因为它会对支撑硬件提出许多独特的要求,而在传统雷达技术中,这样的硬件很少甚至根本没有。这些要求增加了系统集成的费用,并且在不同程度上影响到其应用。

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雷声公司的 RACR 基于 APG-79 AESA 雷达的经验

毋庸置疑,随着技术日趋成熟,制造费用不断下降,AESA近期有望成为一种主流技术,用于多种大批量雷达的设计与开发。要知道AESA因何能够获得如此巨大的成功,首先需要了解电扫描阵列或相控阵的发展历程。

ESA雷达技术的发展

世界上第一种“现代化”的军用量产型相控阵雷达是曾在二战后期部署的德国制造的VHF波段GEMA FuGM41“猛犸象”或“板墙”系列对空/对海监视雷达。这种创新性的雷达引入了电子或“灵活”波束控制概念-天线主瓣的方向不再通过天线视轴的物理指向来控制,而是通过改变经由天线阵列阵元的信号的相对相位或延时来实现。虽然更早出现的英国“本土链”雷达(曾对不列颠之战发挥决定性作用)是利用天线阵元对之间的相位关系来测向,但“猛犸象”雷达才是第一种通过多个独立的相位或延时控制单元实现收发的批生产型号。

这种方法带来的最大好处就是不再需要通过机械的方法控制庞大笨重的天线扫描大范围空域,而通过电子控制波束指向获得灵活的波束控制能力。这是ESA相对于MSA的重要优势,因为它能够灵活控制波束,跟踪单个目标或群目标,以及提高对大范围空间的扫描速率。对于设计和维护人员来说,与MSA相比,采用ESA会带来复杂度、体积和重量方面的问题,至今上述因素仍是影响ESA技术推广应用的主要障碍。

20世纪70年代,随着美国和前苏联开发了一系列重要的系统,ESA技术取得了长足进步。但不管怎么发展,其宗旨都是获得同时跟踪大批量高速运动目标的能力,进而支持导弹制导应用,以及战术/战略弹道导弹和低/高空巡航导弹防御应用。

美国部署了雷声公司开发的450兆赫兹FPS-115“铺路爪”雷达,前苏联开发部署了150兆赫兹的NIRI 5N15“第聂伯河”/“鸡舍”系列PESA雷达,两者均用于执行关键的战略弹道导弹捕获和跟踪任务。后来的“铺路爪”型号,平均功率为145.6千瓦,峰值功率为582.4千瓦,采用的阵元数量至少1792个,每个阵元的辐射功率为325瓦。

美国陆军装备的雷声公司C波段MPQ-53“爱国者”交战雷达和前苏联的X波段5N63/30N6(用于S-300PT/SA-10)和9S32(用于S-300V/SA-12)交战雷达也是PESA雷达,都是为摧毁飞机、巡航导弹、远程导弹和战术弹道导弹而开发的。上述3种雷达采用了相同的设计理念-采用无源光学空间馈电和由移相器组成的透射主天线阵。前苏联雷达采用精心设计的单脉冲馈源喇叭排列,置于透镜组件之后。类似的空间馈电设计也用于前苏联为S-300V/SA-12地空导弹系统开发的X波段9S19“高屏”反弹道导弹捕获雷达和为S-300PM/SA-20A地空导弹系统开发的5N64/64N6“大鸟”S波段双面阵战场管理雷达。

类似的作战需求也推动美国海军开发了SPY-1“宙斯盾”S波段无源相控阵雷达。该雷达每个天线面有4096个阵元,分成140个模块,每个模块包含32个阵元,利用复杂的波导馈源网络分发发射和接收信号。SPY-1A采用混合阵,每个天线阵面内嵌有4352个固态接收机,采用8部发射机为每个阵面提供高达132千瓦的总峰值功率。

第一代ESA雷达的共有特征是,采用无源透射铁氧体移相器和行波管发射机,从而提高了整个系统的峰值功率。对重量敏感的应用,如地面导弹连,则优选光学空间馈电,而“宙斯盾”系统和更低波段的弹道导弹防御雷达则采用馈电网络。截至目前,所有上述雷达的型号及派生型仍在服役和生产。

20世纪80年代,第二代ESA雷达面世,主要针对机载应用,充分汲取了雷达设计师在70年代早期获得的经验。美国西屋公司为B-1B“枪骑兵”轰炸机开发了X波段APQ-164雷达,是从EAR(电子捷变雷达)演示验证机发展而来的PESA型号,具备一定的低截获概率(LPI)能力。雷达共用1个由1526个阵元组成的独立孔径,用于地面测绘、武器瞄准和自动地形跟随等。利用行波管和接收机链路冗余技术,达成ESA天线的高可靠性要求。

随后不久,休斯公司就为B-2A“幽灵”隐身轰炸机开发了Ku波段APQ-181无源相控阵雷达。APQ-181是一种低截获概率雷达,具备隐蔽攻击能力。它采用了与APQ-164相同的天线技术,提供类似的导航、瞄准和自动地形跟随能力。不仅如此,它还附加了一项比较苛刻的要求,即天线阵面的雷达发射截面积必须满足类似“小鸟”的尺寸,这样才能保证B-2优异的隐身性能。APQ-181雷达再一次验证了ESA相较于MSA的关键优势,且适于隐身探测,这也是长期以来推动AESA,尤其是机载AESA雷达不断向前发展的关键因素。

虽然美国早期的机载ESA方案主要针对轰炸机应用,但前苏联的首部X波段机载PESA雷达-季霍米洛夫NIIP公司开发的BRLS-8B“盾牌”(Zaslon,北约称“闪舞”)脉冲多普勒机载拦截雷达却是为“米格-31”重型战斗机开发的。这是因为该型战机承担着拦截美国AGM-86B空射巡航导弹、BGM-109G陆射“战斧”和RGN-109潜射巡航导弹的艰巨任务。“盾牌”雷达阵列由1700个阵元组成,能够同时引导4枚“阿莫斯”远程空空导弹打击隐藏在地杂波中的低信号特征目标,是用于装备前线战斗机的第一种批生产型ESA雷达。其最显著的特征是L波段IFF询问机的PESA阵列被嵌入X波段雷达阵列之中。

与第一代ESA一样,第二代ESA雷达也采用无源透射铁氧体技术移相器和行波器发射机,唯一不同的是后者采用天线馈电网络,这也是堆栈行结构的典型特征。在此类雷达中首次采用的多种理念一直沿用于后续AESA的研发与设计中。

俄罗斯继续采用PESA技术设计开发了一系列新式雷达,如季霍米洛夫NIIP公司为“苏-30MKI/MKM”战机开发的N011M混合型ESA雷达以及为“苏-35S”战机开发的N035“雪豹-E”派生型雷达,法扎特伦公司为“苏-33”舰载机开发的Zhuk-MFS/MFSE雷达,列宁人公司仿造APQ-164为“苏-34”轰炸机开发的B004多功能火控雷达,NIIP梁赞GRPZ公司用于N001VE机扫雷达升级改造的Pero无源相控阵雷达。Pero采用独特的反射式空馈设计,其X波段喇叭置于阵列前面的尾桁之上。该技术也用于专为9K317“山毛榉”M2/SA-17新型战场防空导弹系统开发的X波段9S36交战雷达。

20世纪90年代,美国和欧洲的AESA雷达技术取得了长足进步,俄罗斯紧跟其后。虽然新研的AESA雷达采用了许多以前为PESA雷达开发的技术,但也引入了完全有别于PESA的发射机技术。砷化镓平面单片集成电路工艺的成熟是AESA得以实现的关键因素之一,因为大功率晶体管和单片移相器的制造均有赖于这种工艺的成熟。虽然早在25年前就已经普及小功率接收机用的低噪声系数砷化镓金属-半导体场效晶体管(MESFET)器件,但直到微波单片集成电路(MMIC)技术成熟到能在关键应用中将必需的电路封装在有限空间的T/R模块内时,研制AESA才具备了现实的可能。L波段和S波段MMIC技术早在15年前就已经成熟,更具挑战性的X波段MMIC技术在10年前获得应用。PESA采用无源移相器件,而AESA的T/R模块则集成了多个MMIC,形成独立控制的接收机、发射机和波束控制器。在T/R模块设计方面,俄罗斯稍逊于美国,但有望很快缩短差距。

渗透军用雷达主流应用领域

目前,AESA技术已渗透到许多关键应用领域,包括X波段机载火控雷达、VHF至S波段预警搜索雷达和特定的S/X波段弹道导弹防御雷达。在不断插入现役雷达的升级改造以及作为一种全新设计取代传统雷达的发展中,AESA技术不断取得进步。

战斗机和轰炸机机载雷达多为X波段。首部AESA批生产雷达是原西屋公司,现诺斯罗普·格鲁曼公司为F-22A“猛禽”战斗机开发的由1500个阵元组成的APG-77雷达。该雷达已成为AESA技术发展风向标,现已发展到第二种配置APG-77(V)1,其中采用的模块与为F-35战斗机开发的只有1200个阵元的APG-81雷达通用。

同期并行开发的是雷声公司1100个阵元的APG-79雷达。该雷达最初为批量升级改造F/A-18E/F“超级大黄蜂”战机开发,最后却发展成一种独特的设计。为APG-79开发的T/R模块技术用于对F-15C战斗机APG-63(V)3和F-15E战斗机APG-82(V)1的AESA升级。早期的F-15雷达采用由行波管驱动的机械扫描阵列技术,后来一部分F-15C战机换装了早期采用“条”式T/R模块技术的APG-63(V)2雷达,近期的升级改造涉及APG-63(V)3/APG-82配置,其中采用了基于APG-79设计的独立T/R模块。这种先进的T/R模块技术也移植到APQ-181雷达的深度改进之中,在其AESA型号中采用了一对2000个阵元的X波段阵列。同期,诺·格公司还开发了1000个阵元的APG-80雷达,用于老式F-16战机的批量现代化改造,作为一种全新设计,APG-80现已发展成尺寸可变的灵活波束雷达(SABR)。

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