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无源/有源相控阵雷达原理及其典型系统(转载)

2017-10-08 13:42:15 兆胜空调 511

从最基本的概念开始逐步理解相控阵雷达的原理。

相参雷达

相参雷达是指雷达系统的发射信号、本振电压、相参震荡电压和定时器的触发脉冲均由同一基准信号提供,使得这些信号之间可以保持确定的相位关系,同时接收的回波信号也可以提取信号的相位信息。

相同频率,不同相位的信号叠加后的效果如下图。

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移相器

移相器的作用是将信号的相位移动一个角度,相位和频率保持稳定的对应关系是移相器的一个特性。

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有了信号叠加的原理和移相器,相控阵雷达原理就呼之欲出了,其基本思想:通过改变每个辐射元件发射信号的相位,以提供相长/相消干涉,以便在期望的方向上形成波束,从而控制波束指向不需要通过机械运动来实现了。

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那么,问题来了!对于一个线性阵列,要想形成某个角度指向的波束,每个移相器到底该移多少相位呢?

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可以通过下面公式进行简单计算,例如阵元间距为15cm,波长为10cm,波束方位为30度,第二个相对于第一个需要移相360*15*sin(30°)/10=270°,那么第八个阵元相对于第一个阵元需要移相7*270°=1890°,减去n个360°,也就是需要移相90°。

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波束宽度

波束宽度是指主波束方向图功率下降到一定程度内的角度范围,功率下降3dB时的波束宽度叫做半功率波束宽度。

波束宽度主要与波长、天线阵的口径长度以及扫描角有关,直观的理解就是阵元数越多,阵元间隔越大、波长越短,波束宽度越窄,天线增益就越高。

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如果照射的角度增大,会带来波束宽度和增益的恶化。

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如果阵元间距取值不合适,相控阵天线扫描时的辐射场就会在主瓣以外的其他方向上形成有规律的类似主波束的删瓣,其位置是频率和阵元间距的函数。下图是阵元间距不同情况下的删瓣如。

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例如对于矩形栅格的相控阵来说,给定最大扫描角为90度,则阵元间最大间距为半波长;并且波长要选取工作频段中的最短波长。

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无源相控阵雷达

无源相控阵雷达只有一个发射机,多个天线单元。每个天线辐射源的波前是球面的,但它们在天线的前面组合(叠加),从而产生沿特定方向行进的平面波。通过计算机控制改变相移,从而改变波束的指向角度θ。

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典型的无源相控阵雷达系统

  • AN/FPQ-16 PARCS at Cavalier Air Force Station

  • AN/MPQ-53

  • AN/MPQ-65

  • AN/SPQ-11 Cobra Judy

  • AN/SPY-1 Aegis combat system

  • AN/TPQ-36 and AN/TPQ-37 Firefinder radars

  • AN/APY-1/2 Boeing E-3 Sentry

  • AN/APY-7 for Northrop Grumman E-8 Joint STARS

  • AN/APQ-164 B-1B (Northrop Grumman formerly Westinghouse ESG)

  • AN/APQ-181 B-2 Spirit (initial version, now AESA)

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有源相控阵雷达

有源相控阵雷达,也叫有源电子扫描阵列(Active Electronically Scanned Array, AESA)雷达,随着雷达技术正在变得越来越复杂,威胁也越来越大,如今的战场更具挑战性和危险性。为了应对这些更复杂的威胁,世界上最新的战斗机正在配备有源相控阵雷达。

有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射/接收组件,每一个组件都能自己产生、接收电磁波,因此在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。

AESA雷达的大带宽,敏捷性使得战斗机能够在更远的距离上更快的检测,跟踪和识别更多的目标,并在复杂的电磁环境中生存。并且具有全天候高分辨率合成孔径雷达成像,为飞行员提供了一个能够进行精确目标识别和打击的大型表面图像。

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线性阵与平面阵

相控阵可以是线性的,也可以是平面的。线性阵是先将多个阵元合成一路信号后进行统一移相,而平面阵是每个阵元都具有独立的的移相器。线性阵可以在一维上移动波束,而平面阵则可以在二维上移动波束。

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相控阵雷达的一大先天优势是天线波束的快速扫描与形状捷变。那么,这个扫描与变化的快慢和哪些因素有关呢?

对于采用移相器的相控阵天线,天线波束指向的快速变换能力,在硬件上取决于开关器件及其控制信号的计算、传输和转换时间。也就是说,采用不同类型的移相器,会对天线波束转换时间产生很大的影响。

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铁氧体移相器

铁氧体移相器的基本原理是利用外加直流磁场改变波导内铁氧体的导磁系数,从而改变电磁波的相速,得到不同的相移量。

铁氧体移相器的主要优点是承受功率较高,插入损耗较小,带宽较宽。其缺点是所需激励功率比PIN管移相器大,开关时间在微秒(us)量级。

半导体PIN二极管

PIN二极管开关从“开”到“关”或者相反动作的起始状态达到稳定状态的时间称为开关时间。以半导体PIN二极管作为开关器件的数字式移相器相位转换时间可以达到纳秒(ns)量级。

GaAs FET

GaAs FET开关是数控移相器的主要构成元素,它作为一个三端器件, 可以通过对栅偏置电压的控制来改变源漏间电阻,从而实现开关动作, 转换时间也在纳秒(ns)量级。

典型的有源相控阵雷达系统

  • AN/APG-80, for the F-16E/F Desert Falcon

  • AN/APG-77, for the F-22 Raptor

  • AN/APG-81, for the F-35 Lightning II

  • AN/APG-83 SABR, for the F-16V Block20 Viper and B-1B Lancer upgrades

  • AN/APY-9, for the E-2D Advanced Hawkeye

  •         ...

  • AN/APG-63(V)2 and AN/APG-63(V)3, for the F-15C Eagle, Republic of Singapore's F-15SG

  • AN/APG-79, for the F/A-18E/F Super Hornet and EA-18G Growler

  • AN/APG-82(V)1 for the F-15E Strike Eagle

  • AN/APQ-181 upgrade from PESA to AESA, for Northrop Grumman B-2 Spirit bomber

  •         ...

  • FlexDAR Flexible Distributed Array Radar

  • U.S. National Missile defense Sea-based X-band Radar (XBR)

  • AN/SPY-3 multifunction radar for U.S. DD(X) and CVN-21 next-generation surface vessels

  • AN/SPY-6

    ...


F-22上的AN/APG-77多功能火控雷达

AN/APG-77多功能雷达是一种有源相控阵雷达,可探测远程多目标和隐形飞行器,通过F-22飞机上的综合信息处理机遇其他传感器和航电设备相连,其可对天线的收发波束方向图进行控制并对所接收到的雷达数据进行处理。

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有源电扫描阵列由2000个低功率X波段收发组件构成,每一个辐射单元的发射机和接收机是分置的,具有高的灵活性、低RCS和宽带宽。每个收发组件为70mm*3mm,可产生10W的射频功率,采用的是砷化镓(GaAs)技术。

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工作方式

  • 空空:对空搜索与跟踪、边搜索边测距、边跟踪边扫描、单目标跟踪、群目标分辨等;

  • 空地:地形测绘、地面动目标跟踪、地面动目标指示(GMTI);

  • 空海:海面目标检测、固定目标跟踪。

据报道,APG-77除了采用聚束SAR模式获得3m的高分辨,还采用逆SAR获得超高分辨,使其分辨力可以达到0.3m。

F-35上的AN/APG-81多功能火控雷达

APG-81是充分借鉴了APG-77的研制经验与成熟技术,并且具有“多通道”接收机和激励器,每个通道针对不同的参数,各自分析一个离散的雷达回波信号,N个通道便同时可以获得多个参数结果,实现了基于单个脉冲的多功能。

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APG-81可以同时承担通信、干扰或者目标搜索等任务,实时跟踪目标,监视敌电子辐射信号和干扰敌方雷达,为飞行员提供精确的目标定位信息和自动跟踪提示。

综合航电系统主要由综合射频传感器系统和综合射频孔径组成,孔径综合后的有源多功能阵列可支持雷达、电子战和通信/导航/识别等任务。

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APG-81的主要功能

  • 空空搜索与跟踪

  • 空地攻击

  • SAR成像,超高分辨力SAR成像

  • 单脉冲地形测绘

  • 高增益的ESM

  • ECM

  • ATC导航/气象传感器

雷达的X波段AESA天线(1200个阵元)位于机头内,实现与雷达和前半球ECM有关的功能,从AESA天线辐射出去的电子对抗ECM信号能量强度足以烧毁敌方电子设备。其对于干扰后半球来的威胁是通过单独使用安装在机头机翼和机尾的小天线。

综合射频传感器系统采用“即插即用”的架构,雷达核心处理机和一级组件是固定式的,雷达传感器和T/R组件均可随时使用新型组件来替换。

F-16上的AN/APG-83可拓展的敏捷波束雷达(SABR)

APG-83 AESA对传统机械扫描的APG-66和APG-68雷达提供以下功能增强,以确保F-16在未来几十年内保持可持续发展: