什麼是有源相控陣雷達?有什麼用呢?

莫莫伽


紙上的宣仔,為您解答。

有源相控陣雷達,是由多個可發射雷達波的獨立的T/R元器件構成的天線陣列從名字可以看出這個雷達的兩個特點,第一個是有源,即陣列上每個發射元器件都是有源器件,可以獨立向外發射電磁波信號;第二個是相控陣體制。雷達波束的偏轉靠的是天線陣面上各個發射器件對電磁波的相位調節,通過波的干涉原理,在預期的方向上得到最大的雷達波束增益,從而實現對波束的偏轉控制。在發射某個形狀和方向的波束前,通過計算機解算出發各個器件的相位偏移,並將電信號傳送給每個T/R器件來實現精確控制。在T/R模塊內部,相位的改變是通過選擇不同的延時電路實現。這樣的好處是,省去了傳統機械掃描雷達的機械迴轉機構,僅使用電信號控制就能精確控制雷達波束的方向。

相控陣雷達天線是有多個T/R模塊組成


相控陣體制控制波束掃描的原理

機械掃描雷達,需要回轉機構

有源相控陣雷達的英文是Active Electronically Scanned Array,簡稱AESA,直接翻譯成中文的話應該叫主動電掃陣列,所以有源相控陣雷達也叫主動電掃雷達,最早不僅指相位控制的電掃雷達,也指頻率掃描的電掃雷達,不過頻掃雷達具體應用不多,現在AESA基本專指有源相控陣雷達了。有源相控陣雷達AESA的概念與無源相控陣雷達Passive Electronically Scanned Array PESA(被動電掃陣列)相對。二者都是相位控制波束掃描,區別在於有源相控陣沒有中央發射機,每個T/R都是有源器件,相位調節直接在T/R器件上實現,而無源相控陣雷達只有一箇中央發射機是有源的,天線陣列上的T/R都是無源器件,相位的控制靠移相器來實現。

無源相控陣PESA和有源相控陣AESA的區別

有源相控陣的優點

高增益,插入損耗小

有源相控陣雷達由於是多個T/R的波束合成,因此可以將增益做的很高,T/R數越多,中央方向的增益也越高,同時旁瓣抑制能力好,減小在其他方向上被敵方發現的幾率,提高雷達的低可探測能力;

AESA 10個T/R,20個T/R,40個T/R波束合成的差別,T/R數越多,主瓣增益越高,旁瓣抑制能力越好

無源相控陣的內部電路比較複雜,比有源相控陣多了移向器,2級反饋,波導管和中央發射機保護裝置,因此插入損耗比有源相控陣大得多,因此相同的總髮射功率下,AESA的損耗更小,可以探測更遠的目標;

無源相控陣和有源相控陣的鏈路損耗對比

多波束

和可靠能力

除此之外,由於無源相控陣只有一箇中央發射機,T/R上的能量是中央發射機分配來的,因此不論移相器如何工作,它在同一時間只能產生一個波束,而有源相控陣每個T/R都是有源器件,因此可以採用分組的方式將陣面上的T/R分成數個分組,通過相位控制來實現多波束掃描;同樣由於T/R器件是有源的,單個器件損壞對雷達整體的性能不構成致命影響。用我國預警機總設計師王小謨院士的話說,有源相控陣在50% T/R損壞的情況下依然可以正常工作。而無源相控陣只要中央發射機損壞,就無法工作了。

功率大,應用範圍廣

有源相控陣雷達的功率,不受中央發射機功率的約束,只採用簡單疊加T/R數量就可以將功率疊上去,因此它的應用範圍非常廣,從戰鬥機到火控雷達,到軍艦的搜索雷達,再到彈道導彈防禦系統的大型早期預警雷達,都可以採用有源相控陣體制,只需要改變T/R數量就可以實現。

F-22的AESA雷達,有1957個T/R

052C的346 AESA雷達,每個陣面T/R數在4000個以上

美國的大型預警雷達,每個陣面T/R超過1萬個

帶寬範圍更寬

有源相控陣雷達擁有比無源相控陣雷達更寬的帶寬,因此可以通過頻率捷變來減少被敵人發現的概率,是實現低截獲概率雷達(Low Proportion Inception)的前提。除此之外,由於帶寬更寬,敵方想要干擾阻塞難度也就更大,因此有源相控陣雷達的戰場表現比其他雷達要好得多。

有源相控陣的缺點

有源相控陣雷達的最大缺點,就是一個字:貴。因為每個T/R只有幾W的發射功率,需要使用很多T/R模塊才能實現滿足要求的功率。T/R所在的MMIC,都是一個複雜的電路板,上面除了射頻器件外,還要有高精度的A/D,D/A器件,數字處理器或者FPGA,要能夠處理非常複雜的波形數據。一個戰鬥機的有源相控陣雷達就要有上千個T/R組成,比如F-22的AN/APG-77,有1957個;而像052C、052D上面搭載的大型有源相控陣雷達達到了4X4m,單個陣面上的T/R超過4000個,價格真不是一般貴。當年我們的052C,光那個346雷達採購價格就超過了5億元。如今055已經服役,使用的有源相控陣雷達恐怕要比這個更貴了。

一個氮化鎵的T/R模塊

俄羅斯米格35的甲蟲雷達T/R模塊,上面用的還是Altera的FPGA


紙上的宣仔


我參與設計過相控陣雷達,所以比較瞭解,但是如果只依靠專業的知識來解釋,恐怕很多人還是很難聽懂,所以我這就裡就通過做一個通俗常見物品的比喻,來向大家解釋一下相控陣雷達的工作原理,以及什麼又是有源和無源相控陣雷達。

什麼是相控陣雷達

首先做個比喻,原始的雷達就是一個非常大的探照燈,只能照射到一個固定的方向,如果想要照射到其它方向,就必須通過轉動來實現。比如想要實現360度的照射,這就需要探照燈不停的圍繞中心旋轉。如果想要探測上下目標,就需要上下旋轉。所以非常麻煩,探測的角度有限,需要做機械運動。就是我們經常在電視上看到的那種雷達,天線不斷的在旋轉。

為什麼把探照燈比喻傳統雷達呢?因為探照燈和手電發出的光,也是一種電磁波,所以把它們比喻成雷達,也是可以的。這個時候人與探照燈或者手電,就形成了一部完整的雷達系統,燈的光源就是雷達的信號源,發射的光源照射到物品發生反射,被眼睛接收,經過處理成像在我們的大腦中。這就和雷達的工作原理一樣:發射雷達波、遇到物體反射、反射信號被接收機接收、處理器處理然後成像。

那相控陣是個什麼樣子的探照燈呢?它是成千上萬個小手電排列在一起,形成一個大陣列的探照燈(有點類似我們生活中LED光源),這裡的每個手電就是一部小雷達,每個手電都可以自己獨立工作並且轉動(當然實際的雷達天線不轉動,是通過相位控制雷達波束的指向,但也就相當於手電的轉動)。

就比如一百個小手電,按照邊長為十個排列成一個矩形方陣,所有的小手電,既可以同時照射同一個固定的方向,相當於照射一個目標。也可以分成不同的組別,例如相鄰的十個為一組,這樣就分成了十組,每組都能照射一個方向,那就是同時照射十個方向,也等於可以至少照射十個目標。這樣在不轉動雷達本身的情況下,就可以在一定的角度內實現全部方向的覆蓋。如果部署三部不同朝向的相控陣雷達或者更多,就能夠實現360的覆蓋,大家可參考軍艦上面的相控陣雷達分佈。

不過和手電不一樣的就是,真正的相控陣雷達,裡面全部的部件全都是固定的,尤其是相控陣雷達的天線是固定的,它是通過改變饋電的相位,來實現雷達波束的偏移,通過模擬電子的方式代替了傳統機械式的旋轉(這裡比較專業,大家也不需要理解的)。

現在大家都應該知道相控陣雷達原理了,它有許多的優勢,比如多目標,角度廣,探測距離遠等。另外加上集成電路的發展,相控陣雷達相比原始的雷達,體積變小了,重量變輕了,能夠按安裝在小型的作戰平臺,比如說戰鬥時上面。

另外相控陣還有一個特點,那就是可靠性,因為相控陣每個雷達模塊都獨立工作,所以壞了幾個幾十個,基本不影響雷達整體的效果。而且現實的相控陣雷達有成千上萬的小雷達模塊組成的,壞一小部分沒事。

有源與無源的區別

接下來就和大家說一說相控陣雷達的有源(主動)和無源(被動)區別。區別就在:無源相控陣,整個雷達系統只有一個雷達信號源,產生信號後,被分到各個雷達模塊。

而有源的,每一個雷達模塊,都有自己的雷達波發射源,它們是可以獨自的進行發射與接收信號(T/R組件)。

相比較無源的,有源的難度更大一些,成本也更高,但是性能卻更加先進,所以目前主流的相控陣,都是有源主動的,無源被動的慢慢被淘汰了,當然無源的在某些領域,還是可以繼續發揮功能的。

目前世界上,相控陣雷達技術最先進的國家,要屬美國了。就比如它在軍艦上首次使用了宙斯盾系統,主要就是依靠相控陣來實現功能的。還有就是前幾年鬧得比較厲害的部署在韓國的某型防禦系統,用的也是相控陣雷達,所以這個防禦系統的探測距離就比較遠,探測精度也非常高。

不知道我這麼說大家明白沒有,如果您有更好的介紹,歡迎評論。


資訊所長


幾位網友都講了相控陣雷達,各有側重,全讀完可完全瞭解相控陣技術。唯有不足是參與過此種雷達設計的"資訊所長"。其不足有二,簡述於下:(1和2)

1、相控陣技術不適用於米波等波長較長波段,這是錯的。相控陣技術理論上是沒有波長限制的,它只受天線大小所發生的發射損耗一接收增益限制,因此,一般只用於米波及更高頻率即波長更短頻段。由於吸波材料吸波性能限制,米波反而是最好的反隱身頻段,因此,我國開發了多種米波相控陣,有的還用於出口。但米波雷達天線體大,小則天線損耗過大,因此米波相控陣通常多為地面固定和車載。

2、目前各研製國家在相控陣技術方面不相伯仲,我國稍領先。表現在地面多種反隱形相控陣,空中的戰鬥機、予警機三面陣。也就是說我國在此領域種類最多,功能最全。相控陣方面,美國反而不如中國,特別在反隱身方面,比我國起步晚了些,但這技術不是多神密的,是公開的,誰都知道的。

3、鎵砷器件是釐米波、毫米波的必需器件。硅器件由於噪聲溫度高而不堪用。因此,相控陣若最短波長到釐米或以下,就價格昂貴。鎵太貴了。

4、一個相控陣可以工作在幾個波長,這比傳統雷達優越很多;還可同時實現多波束掃瞄不同方向,以及各波束可同時工作於不同波長。這些網友們都講了。


用戶9451585496694


就讓我這個偽軍迷來解釋一下什麼是雷達,敵我識別系統以及火控雷達和有緣,無緣,相控陣雷達的分別吧!

首先呢,雷達咱們可以理解成一個哨兵,站崗放哨的,它會不停的看四周,一旦發現有人來了,它會首先識別是不是自己人,就會叫醒敵我識別系統,識別迷得糊的就張嘴了喊,站住,口令,對面來的是自己人就會喊,天王蓋地虎!識別一看啊,這是自己人,就回令,小雞燉蘑菇。然後對面來的人在雷達和識別眼裡就是自己人了!該幹啥幹啥去。然後識別繼續休息,雷達繼續警戒。如果對面來的沒有口令,那我這就得喊人了,火控雷達抓緊拿著上了堂狙擊槍就出來了,雷達一看火控來了,就告訴它往前看十一點方向看著沒,那個不是咱們的人,火控說好了我看著了,然後雷達繼續站崗看四周,火控就一直盯著這個外人,心說小樣你在不走我就狙你了,然後是否開槍就等上頭的命令了!

再說相控陣雷達,相控陣雷達的工作原理其實就是多派哨兵,比如你們這三個連負責警戒,然後這三個連的哨兵排列成一個三角形就是這樣△站一起,每個連負責一個方向!(我國的空警200上就是這玩意兒)接下來就是有緣和無緣的區別了,無緣的啥意思呢?就是這個三角形中的所有哨兵眼神都不太好,看見對面來個什麼東西它會首先通知自己附近的人快點的你幫我看看那邊是不是來個人,旁邊人一看,哦確實來個人,那就問問它是不是咱們自己人吧,識別問完沒回口令就開始分工你拿槍我繼續看著它。而有緣的呢,就是這個陣列裡的所有人眼神都特別好,一看就能確定對面來的是個人,叫識別來問完口令直接槍就掏出來了!

這就是雷達,火控雷達,和相控陣雷達,以及敵我識別系統的工作方式!


戰忽局教導隊長


有源相控陣雷達是指天線表面的每一個陣列單元都完整包含信號產生、發射和接收的能力,既是將信號產生器、放大器等全部縮小到每一個陣列單元中,而天線不需要依靠信號發生器和波導管反饋信號。其中每個陣列單元均能單獨作為信號源主動發射電磁波。有源相控陣雷達相比於機械掃描雷達而言,具有應對多目標的能力、功能多和機動性較強、反應時間短、抗干擾能力強、可靠性高等特點。

由於相控陣的每個單元僅掃描其中的一塊固定區域。因此每個模塊的信號相對相位經過調整,最後會強化信號在特定方向的強度,而且還會壓制其他方向的強度。在相同的覆蓋範圍內,不需要移動雷達天線就能滿足掃描所需。與此同時,相控陣雷達需要極高的計算能力。早在第二次世界大戰時,便有人提出有源相控陣雷達理論,並開始在地面的大型彈道導彈預警雷達上做試驗。

美國空軍的一架RC-135飛機上首次進行了空中有源相控陣雷達測試。1980年才逐漸將該技術應用在艦船或者飛機上。有源相控陣由於取消了波導管,電磁波能量在傳輸中的散失就會降低,能量輸出則集中在波束上。波束信號則產生在陣列單元上,這也會降低栓送線路上的噪音影響。有源陣列天線在頻率的轉換和多模式的同時運作比無源陣列更加有效,當天線表面的陣列有部分受損或故障的情況下,雷達性能也會削弱。

有源相控陣雷達在多工模式中,可以將雷達分為幾個區塊,能發出自身波束執行不同任務。這些諸多優點也讓相控陣雷達成為未來主流發展趨勢。


航空之家


有源相控雷達是仿生''複眼''。如蒼蠅就是複眼。


要利民


有源相控陣,就是眾多發射單元排列成相控陣。


AUTUYG


簡而言之,就相當於把很多小雷達集中在一面上,並且每個雷達可以控制調節。


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