無(wú)源有源相控陣?yán)走_(dá)原理、電掃陣列及典型雷達(dá)系統(tǒng)

1、相參技術(shù)相參雷達(dá)是指雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)、本振電壓、相參震蕩電壓和定時(shí)器的觸發(fā)脈沖均由同一基準(zhǔn)信號(hào)提供，使得這些信號(hào)之間可以保持確定的相位關(guān)系，同時(shí)接收的回波信號(hào)也可以提取信號(hào)的相位信息。相參技術(shù)對(duì)主振源信號(hào)具有極高的頻率穩(wěn)定度要求和頻譜純度，對(duì)天線性能，信號(hào)處理器等都具有很高的要求。頻率，不同相位的信號(hào)疊加效果移相器移相器的作用是將信號(hào)的相位移動(dòng)一個(gè)角度，相位和頻率保持穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系是移相器的一個(gè)重要特性。45180ControlVQltag&sforPIN七泊(婷歪達(dá)迪宿電工戰(zhàn)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(chǎng)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

2、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(lì)功率比PIN管移相器大，開(kāi)關(guān)時(shí)間在微秒(us)量級(jí)。半導(dǎo)體PIN二極管PIN二極管開(kāi)關(guān)從“開(kāi)”到“關(guān)”或者相反動(dòng)作的起始狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間稱為開(kāi)關(guān)時(shí)間。以半導(dǎo)體PIN二極管作為開(kāi)關(guān)器件的數(shù)字式移相器相位轉(zhuǎn)換時(shí)間可以達(dá)到納秒(ns)量級(jí)。GaAsFETGaAsFET開(kāi)關(guān)是數(shù)控移相器的主要構(gòu)成元素，它作為一個(gè)三端器件，可以通過(guò)對(duì)柵偏置電壓的控制來(lái)改變?cè)绰╅g電阻，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，轉(zhuǎn)換時(shí)間也在納秒(ns)量級(jí)。有了信號(hào)疊加的原理和移相器，相控陣?yán)走_(dá)原理就好理解了，其基本思想：通過(guò)移相器改變每個(gè)輻射元件發(fā)射信號(hào)的相位

3、，以提供相長(zhǎng)/相消干涉，從而實(shí)現(xiàn)波束的電子掃描，在期望的方向上形成窄波束，雷達(dá)天線不需要機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。丄電子掃描陣列很好的解決了機(jī)械雷達(dá)的機(jī)械慣性和掃描需要時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了波束指向的無(wú)慣性快速掃描，為任務(wù)的靈活敏捷性創(chuàng)造了很好的條件。相控陣天線是相控陣?yán)走_(dá)組成的核心之一，相控陣天線既有有源、無(wú)源之分，也有一維、二維之分。無(wú)源電子掃描陣列PassiveElectronicallyScannedArray,PESA無(wú)源電子掃描陣列天線表面的陣元只有改變信號(hào)相位的能力而沒(méi)有發(fā)射信號(hào)的能力，信號(hào)的產(chǎn)生還是依靠天線后方的信號(hào)產(chǎn)生器，然后利用波導(dǎo)管將產(chǎn)生的信號(hào)號(hào)送到信號(hào)放大器上，再傳送到陣列單元上面，接收

4、時(shí)則反向而行。通常，PESA雷達(dá)具有一個(gè)發(fā)射機(jī)和數(shù)千個(gè)天線單元和移相器。常見(jiàn)的全向或定向天線如下:NotchSubstrate=iGroundPlaneCouplingStructureSbriplineMetalPatchNotchRadiatorinStripline/RectangularPatch廠RadiatorMetalStripDipoleSlotCutinVPrintedCircuitDipoleTransmissionLineTransmittingTeiti巳rttsforphasedarrayradarName討k我chRadiationPatteniDirectivib

5、7PolarizationBaiidmdthCQUunetitsPatchoBroaclstdeLinearCircularNarrowEasiestDes-ignDipoleBroadsideLowLineaiMectiiunBalunLPDAEndFireMediumLinealWideBalun&P.voBowTieXBroadsideMediumLinearWideBalun&AbscuberCutulaiLoop0BroadsideLinearCircularNarrowCoinlicatedFeedingSprisl畫(huà)BroadsideLin亡arCircularWideBalun

6、&AbsorberSlotBroadsideLinearMecliiunBi-clir&ctionalTSAEtidTireMetliunijHighLinearWideFeedtrausitionQuasiYagiEndFireHieliLinear曲雪達(dá)CGixpgt早期機(jī)載無(wú)源/有源相控陣?yán)走_(dá)中最常用的輻射天線是貼片天線，因?yàn)樗鼈兪亲钊菀自O(shè)計(jì)的。J現(xiàn)在有源相控陣更多的使用短槽(Notch)天線，因?yàn)橄啾扔谫N片天線，它具有寬帶的特性和更好的增益。ElecncnlsGa-inEplaneP斗a)n帖iTthiHplarwwidthScanpcrlbrmiinccMictoatnppatchl

7、ow75poorMicrostripdipolehighwg.oodPrinteddipole.hi關(guān)MTto70UO1Id】WgewtNoluhhigh的，亍i|有源電子掃描陣列ActiveElectronicallyScannedArray,AESA從外部來(lái)看，PESA和AESA很難區(qū)分，但其內(nèi)部組成是不同的，有源相控陣?yán)走_(dá)的每個(gè)輻射器都配裝有一個(gè)發(fā)射/接收組件，每一個(gè)組件都能發(fā)射和接收電磁波。PEWMSARaceiverl圳-AntenniilcmEHtsEflrivtHbyEingluIuf己亡trsvufFiitteftrnplltrHP*Firitcece-itfELKAifter

8、SMamis-farmed-LargesignalIcmskwitwiEc-nrdiatinelrrwuiirrtandframntl-iir/LNAArrtcnnaielcmentsc口！nner匚IjtoEransmitterndreceiverLpm*TRnsmnPi山gTyRiModuliRtierQuGpwtoAC4HUProcnsingT/Rmodule：behindaichradiating：eleine-nt-TrinimlltirdiithbirtadthrowhimmanvinwiHHFAtFkrtLNAdirtrib&rte-dthramfliaFiterinainrna

9、nysm-allLNAx-SmllsignallossbctwcitnHPA/MJNlAandradiatingcln-nnntJt內(nèi)drelvtr雪達(dá)通信型子翩從上圖對(duì)比可以看出，對(duì)于AESA的大多數(shù)元件例如低噪放、功放、雙工器、移相器等都被小型化并組成一個(gè)T/R模塊，每個(gè)單獨(dú)的T/R模塊都可以被理解為一個(gè)小型雷達(dá)。I屮刖艸即2030RFinRFoutPhaseshifterIIf-JSPOTY：switch卜ExcitBrReGeivef*?ftModuleLowNoiAjnpEfiGainAniplifierVarieWsPhaseShifterHighPm*-Ajnplifi(HM)T

10、/Rmadulssphotoanddiagram有源相控陣通常有三種情況：一是陣元級(jí)有源相控陣天線，也就是每個(gè)天線單元通道均有對(duì)應(yīng)的T/R模塊；二是子陣級(jí)有源、陣元級(jí)無(wú)源的相控陣天線；三是子陣級(jí)、陣元級(jí)均為有源的相控陣天線，其先在子陣級(jí)先進(jìn)行一次功率放大并分配到m個(gè)通道，再分別接T/R模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大。通常，T/R模塊的數(shù)量可被用來(lái)評(píng)估一部雷達(dá)的性能，例如:66672216AN/APG79RBE2-AAAESA相比于PESA的優(yōu)點(diǎn)AESA的獨(dú)特設(shè)計(jì)使其相比于PESA具有許多的優(yōu)點(diǎn)。在AESA中，低噪放更接近接收機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)比PESA更好的信噪比，從而具有更高的檢測(cè)靈敏度。PASSIVEES

11、AACTIVEESALossJElement-0.7dBPhaseShifter-0.8dBLevel1FeedLoss-0.15dB-OJOdBElementDuptexerLow-PowerReceiverProtection-0.6dBLeve!2FeedFLNANoiseFigure:F十0.25dB-0,25dB-0.2dB-0.5dBCentralDuplexerWaveguideCentralReceiverProtectionNoiseFigure:f+3.O5dBNOTEForboththepassiveESAandtheactiveESA.thereceivernoisef

12、igureequalsthenoisefigureoftheLNA(F)plusthetotailossofallelementsaheadoftheLNA.INAisputbelli仃已lossycomponentsG=10dB1S=-3dBNF=3dB1F=3dBLJ1豈Gain(dBNF(dB)Loss-33LNA1C3Net76Noisefigurekreducedbyaround2.79dBwhLNAisputinfrontoflossycomponents=dB.3-10dBNlF=3dE=3dBLCJ_TLNAGain(dB)NF(dB)LNA103Loss-33Net73.21

13、LNAisinfrontofpassiveIgssv匚口rnponentst雪達(dá)凰信也子戰(zhàn)在相同的檢測(cè)性能情況下，AESA通常具有更高的占空比和更低的峰值功率，具有更好的低截獲性能。另外，由于AESA上的每個(gè)T/R模塊不依賴單個(gè)高功率放大器，因此它們可以同時(shí)以不同的頻率發(fā)射信號(hào)，也就是說(shuō)AESA可以將陣列分成幾個(gè)較小的子陣來(lái)同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)立的波束，實(shí)現(xiàn)同時(shí)多任務(wù)。有源相控陣?yán)走_(dá)除了具備較強(qiáng)的低截獲和抗干擾能力，另外的顯著優(yōu)勢(shì)就是波束捷變能力和同時(shí)多波束的能力。多個(gè)T/R模塊故障只會(huì)降低天線性能，不會(huì)導(dǎo)致失效，可靠性增加。o通過(guò)舉例進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，假設(shè)陣元間距為15cm，波長(zhǎng)為10cm，波束方位為

14、30度，第二個(gè)相對(duì)于第一個(gè)需要移相360*15*sin(30)/10=270。，那么第八個(gè)陣元相對(duì)于第一個(gè)陣元需要移相7*270。=1890。，減去n個(gè)360，也就是需要移相90。A粘雷施倍電子戰(zhàn)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(shí)的波束寬度叫做半功率波束寬度。波束寬度主要與雷達(dá)波長(zhǎng)、天線陣的有效口徑長(zhǎng)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(zhǎng)越短，波束寬度越窄，天線增益就越高。、-KW鰹g睚瞇呂不同數(shù)量的陣元，形成的天線方向圖如下所示:IsotropicElementArrayArrayPhShifter-IDirection旳

15、一Jod冊(cè)WQ:DirectionBsuoas罷b曲匚CJdsBtrDirectionN=10ElementsN=20Elernents2o1(-.EEO10dBi-90-60-3003060Angleoffbroadside(deg)-60-300306090AngleoffBroadside(deg)當(dāng)雷達(dá)工作頻率不變，陣元數(shù)一定的情況下，增加陣元間距可以增大天線陣的孑L徑，但是當(dāng)陣元間距大于工作波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)刪瓣，顯著影響雷達(dá)性能。d=X/4separationd=XJ2separationKa10dBwL1T|Ib-Hr4s1-_.n90-90-60-3003060AngleoffBr

16、oadside(deg)AngleoffBroadside(de-g)(Io090100270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(gè)陣元合成一路信號(hào)后進(jìn)行統(tǒng)一移相，而平面陣是每個(gè)陣元都具有獨(dú)立的的移相器。線性陣可以在維上移動(dòng)波束，而平面陣則可以在二維上移動(dòng)波束。RailafiveBeamPattern(26eFementsquarearray)Wavelength=Xspacing=dGridofekments;Toseanwithoutgratinglobes:dxaa-DRiiav3i3xmNtfdunJ3VH-aMMUwvzrunTlSSIfflaaiNPQf

17、flHIWCltKJOOM3M13NHSEIJJStW說(shuō)yuv?idsiona31IZOTTOtfN0IU5OJ-UHWIaiLMa/iiiaaoiwyovayiduviHTZZONlaflirttsDNiraa-EMIQJWUJ3VaaoantfJIIWL陽(yáng)IBNW。/卒汽宙匪號(hào)吐留旱闖舌寫(xiě)目申翰星辯熾曾少L電車(chē)?yán)锫筛钍送翸旱層酚去宙輕m7寫(xiě)目瀏觀訊運(yùn)7爭(zhēng)曰翕辜訝凹目皋傘陽(yáng)士、號(hào)訊回冶巨T8-DdvIllP-35APGS1RadarPertarmance黑達(dá)逢箱電子壯*torthrop*7應(yīng)心心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(cè)繪高增益的ESMECMATC導(dǎo)航

18、/氣象傳感器雷達(dá)的X波段AESA天線（1200個(gè)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(duì)抗ECM信號(hào)能量強(qiáng)度足以燒毀敵方電子設(shè)備。其對(duì)于干擾后半球來(lái)的威脅是通過(guò)單獨(dú)使用安裝在機(jī)頭機(jī)翼和機(jī)尾的小天線。國(guó)鄭瀏觀業(yè)酈謝凹目申蟲(chóng)矗-囚舌軟耿図凹目馬飛図囚早葦王目。智孕鴦?lì)揞癁gM曲亠U峑半丑9T-d議羽險(xiǎn)L幻詢醉車(chē)?yán)?9-DdV業(yè)99-DdV図曲EfW醴駭劊MVS3VE8-DdV(!9VS)9MOMl9UkE8-9dVU9T-d。謝顯峑切岳帝母田剝訊期巨瞬切岳甘/丄業(yè)器猖劊車(chē)?yán)飮砻⑸嗷卣咔性肋M(jìn)一業(yè)Uffi珂/毋蟲(chóng)里與帝申”田脂闿脂”田送駭麥器猖劊密礙呂莎多目標(biāo)跟蹤;更強(qiáng)的電子戰(zhàn)能力；大范圍高分辨率的SAR成像性能;交互模式操作，提高情境意識(shí)；海上模式；3-5倍的可靠性和可用性；我國(guó)的雷達(dá)也正在走出國(guó)門(mén)，面向世界機(jī)載火控雷達(dá)我國(guó)“梟龍”戰(zhàn)機(jī)的有源相控陣?yán)走_(dá)，該機(jī)載火控雷達(dá)能夠完成搜索、截獲、跟蹤、制導(dǎo)多種功能，戰(zhàn)機(jī)在發(fā)射炮彈或?qū)椙皩?duì)目標(biāo)信息的準(zhǔn)確測(cè)量，包括目標(biāo)的位置和速度。相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)，有源