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有源相控阵雷达技术发展述评

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当美国X波段机载AESA雷达占据主导地位之时,专门针对ISR应用的X波段AN/ZPY-2多平台雷达技术插入计划(MP-RTIP)才开始启动。MP-RTIP雷达专门用于提供监视成像和地面动目标指示能力,主要针对E-8、E-10和RQ/MQ-4“全球鹰”平台。AESA技术也是设计新一代干扰机EA-18G“咆哮者”干扰支持吊舱的关键,计划采用氮化镓(GaN)器件。

虽然欧洲制造商落后于美国,但目前也能提供几种X波段AESA产品,包括泰利斯公司为达索公司“阵风”战斗机开发的RBE2型雷达,欧洲雷达联盟为“台风”战斗机开发的ECR-90雷达和塞莱克斯公司更小型的Vixen500E和1000E型AESA雷达(对新一代“鹰狮”战斗机)。所有设计都充分汲取了机载多功能固态有源阵雷达(AMSAR)开发项目的经验与教训。

法扎特伦公司是俄罗斯第一家提交X波段AESA雷达的生产商,早在2007年便交付了供“米格-35”战斗机使用的Zhuk-AE有源阵雷达。之后不久该公司便与季霍米洛夫NIIP公司展开了为“苏-27/30”和T-50 PAK-FA新一代隐身战斗机提供大型AESA雷达的竞标。季霍米洛夫NIIP公司同期开发的L波段AESA项目备受关注,该雷达旨在嵌入战斗机机翼前缘和外侧,提供敌我识别和反隐身探测。

虽然X波段AESA雷达在先进战斗机应用中占据主导,但诺·格公司的AN/ASQ-236雷达吊舱却独辟蹊径,专为精确地面测绘而设计开发了Ku波段AESA雷达。

20世纪90年代,X波段AESA雷达逐渐渗入机载预警雷达市场。以色列IAI/Elta公司基于波音707-320平台开发了L波段EL/M-2075“费尔康”雷达,后验证机被销往智利,而相关技术却演变成G550平台携载的EL/W-2085雷达,现装备以色列和新加坡。1998年,因为“楔尾”的原因,采用相同的技术研发的EL/W-2090型L波段三面阵AESA雷达未能成功销往澳大利亚,也未能如愿销售给中国,最终印度购得此套系统。瑞典S波段“爱立眼”机载雷达出口取得了巨大成功,用户有瑞典、巴西、希腊、墨西哥、巴基斯坦、泰国和阿联酋,平台可选用商用喷气式或涡轮螺旋桨飞机。美国唯一的机载预警与指挥控制AESA雷达是诺·格公司开发的L波段多功能电扫描阵列(MESA),雷达以波音737-600为平台,系统现已销往澳大利亚、土耳其和韩国。

虽然机载应用是AESA研发的主要目标,但新出现的地面应用也逐渐得到推广。其中之一是导弹防御用的目标捕获与火控雷达。以色列埃尔塔公司率先推出了EL/M-2080“绿松”L波段雷达,用于支持“箭”式反弹道导弹。之后不久,美国雷声公司推出了25344个阵元的AN/TPY-2型THAAD地基雷达/前沿部署的X波段机动式宽带AESA雷达,用作THAAD系统的捕获与交战雷达。该领域内体积最庞大,功率最强劲的雷达当属包含45056个阵元的海基X波段雷达,是专为地基拦截器三级外太空反弹道导弹开发的,其AESA天线阵面直径达22米。

AESA技术占主导的另一个领域是X波段捕获和火控雷达,可用来为作战舰只提供保护,使其免受掠海巡航导弹的攻击。典范之作包括雷声公司为“朱姆沃尔特”级驱逐舰和“福特”级航母开发的AN/SPY-3多功能雷达,泰利斯公司为荷兰“泽文·普罗文森”号护卫舰和德国“萨克森”号护卫舰开发的APAR四面阵相控阵雷达(3000个阵元)和澳大利亚CEA技术公司为“安扎克”级护卫舰开发的CEA-FAR/CEAMOUNT(含1024个阵元),上述雷达均旨在引导RIM-160改进型“海麻雀”导弹。

AESA技术也逐渐推广应用到搜索捕获雷达之中。且不说“朱姆沃尔特”级驱逐舰双波段雷达系统的S波段雷达,单是泰利斯/雷声公司的地面防空雷达系列中S波段GM200和GM400也堪称典范之作。俄罗斯金刚石-安泰联合企业/NNIIRT开发的IL119“天空”SVU和VHF波段55Zh6ME RLM-M“天空”M型3坐标反隐身搜索和捕获雷达同样引人关注。前者采用84个阵元,每个阵元的额定功率为1.4~1.7千瓦;后者采用168个阵元,额定功率也许更大。

AESA雷达的优势与局限

为什么AESA最终会取代PESA和MSA设计,而后者仅局限于某些特定的应用呢?

首先,最重要的原因是波束形成和波束捷变能力。在现代AESA的设计中,波束参数可以高达数千赫兹的速率改变,这是早期推行ESA应用的驱动力,这样天线可以很高的刷新率跟踪多个目标,这对于拦截超声速飞行的巡航导弹、飞机或再入战斗部等快速目标至关重要。

波束捷变能力还可以驱动天线执行不同任务,获得时间共享、多路复用或交叉使用的能力。在火控应用中,这允许雷达同时跟踪多个分散的目标,或同时执行搜索、导弹中段或末段制导任务。在搜索应用中,允许雷达在跟踪同时执行立体搜索任务。在监视应用中,它允许交替执行对地测绘和动目标检测任务。在战斗机应用中,可提供测绘、地形跟随或回避、空面目标搜索和数据传输等功能交替执行的能力。因此,1部独立的AESA多功能雷达可以取代2部以上功能单一的常规雷达。

第二个重要原因是,AESA雷达的可靠性大大优于常规雷达,这主要得益于其采用了成百上千个T/R模块。即使多个T/R模块故障,也只会降低天线性能,而不会导致其失效。只有当共享子系统,如电源或波束控制器故障时,AESA雷达才会出现致命故障。而MSA容易发生机械故障,且行波管、波导、馈源和高压电源等电子器件均易发生单点故障。

相较于PESA,AESA最重要的优势是其具有独立控制每个阵元的增益和相位的能力,这会对以下几个领域产生重要影响:

首先是波束形成更精确,不同的波束还可以采用不同的口面锥削分布,这在副瓣抑制时经常使用。副瓣抑制是隐身技术关注的重要问题,因为极低旁瓣可降低被敌方截获的概率。

其次,AESA能提供比PESA或MSA宽得多的带宽,这有利于低截获概率模式和针对带内辐射源的电子攻击。在某些设计中,这种能力允许将雷达AESA用作威胁告警系统的附加高增益天线,或作为带宽能力高达数千兆比特每秒的数据链,或两者兼而有之。AESA接收机的噪声指数一般比PESA/MSA接收机低6分贝以上,大功率孔径AESA还能用作重要的定向能武器,可对电子密集目标系统或电子设备造成毁灭性影响。就雷达结构截面积而言,固定的AESA本身就优于万向支架式的MSA,更容易与其他隐身平台融合。

但是,获得这些优势并非不需要付出代价。与MSA相比,AESA雷达更复杂,研发费用更高,重量和体积也比MSA大得多。功耗和冷却也是开发AESA面临的两大难题,这已成为其与小型平台整合难以逾越的鸿沟。许多设计中,半导体器件的功率密度限制和T/R模块级冷却架构直接影响着AESA性能增长。随着实时处理要求的提高,AESA对软件依赖性更强,会带来许多不属于射频领域的独特的工程问题。

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