谈谈有源电子扫描阵列雷达.docx

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1、谈谈有源电子扫描阵列雷达目录1. 序言12. AESA雷达系统如何工作23. AESA的优势34. AESA雷达面临的挑战55. AESA雷达及其未来56. AN/APG-79 AESA W67. ANAPG-82(V)1 AESA Radar78. ANAPG-83AESA Radar89. 装配在F-16战机上的AN/APG-83AESA雷达910. 三维有源电子扫描阵列火控雷达IO1. 序百有源电子扫描阵列通常称为AESA,是一种相控阵雷达系统。它由一系列 天线阵列组成，这些天线阵列形成天线波束，可以在不实际移动天线的情况下 对准不同的方向。AESA系统目前用于许多不同的军事平台，包括军

2、用飞机和 无人机，以提供出色的态势感知能力。随着无源电子扫描阵列(PESA)雷达的发展，ASEA技术的发展可以追溯 到1960年代初，该系统是一种固态系统，可从单一信号源获取信号，并使用 移相器模块选择性地延迟某些部件同时允许其他部件进行无延迟传输。以这种 方式发送信号会产生不同形状的波束，有效地将信号束指向不同的方向。第一个AESA系统是在1980年代开发的，与旧的PESA系统相比具有许多 优势。与使用一个发射器/接收器模块的PESA不同，AESA使用许多发射器/接 收器模块，这些模块与天线元件连接，并可以产生多个同时、频率不同的雷达 波束。从上世纪60年代开始，历经40余年的努力，有源电子

3、扫描阵(AESA), 通常也称为有源相控阵技术，终于在机载雷达上取得了成功的应用。国际在线报道：美国国防部国防科学委员会主席的一份关于发展美国军用 机雷达的建议报告中特别强调了有源相控阵技术可以极大地扩展雷达的功能和 提高雷达的性能，21世纪美国的战斗机雷达、预警与监视飞机的雷达都应是AESA体制的。2. AESA雷达系统如何工作典型雷达系统通常通过将天线连接到功能强大的无线电发射器以发出短脉 冲信号来工作，然后断开发射器的连接，将天线连接到灵敏的雷达接收机，雷 达接收机会放大目标物体的回波信号。通过测量信号返回所需的时间，雷达接 收机可以确定到物体的距离。然后，接收机将结果输出到显示器。发射

4、器元件 通常是速调管或磁控管，其适用于放大或产生窄范围的频率至高功率水平。如 果雷达系统要扫描空域，必须移动雷达天线以指向不同的方向。从I960年代开始，引入了能够以受控方式延迟发射机信号的新型固态设 备。这就是第一个实用的大规模无源电子扫描阵列（PESA）,或简称为相控阵 雷达。PESA从单一来源获取信号，将其分成数百条通道，有选择地延迟其中 一些通道的信号，然后将其发送到各个天线。来自独立天线的无线电信号在空 间上重叠，通过控制各个信号之间的干扰模式以在某些方向上增强信号，在所 有其他方向上抑制信号。系统通过电子方式控制延迟，从而可以在不移动天线的情况下非常快速地 控制波束指向。PESA可

5、以比传统的机械系统更快地扫描空间。由于电子技术 的进步，PESA增加了产生多波束的能力，使雷达在扫描空域的同时，跟踪目 标，实现边扫描边跟踪或引导半主动雷达制导导弹。PESA在1960年代迅速在 船舶和大型固定地点上普及（远程预警雷达），随后随着电子技术的发展，机 载雷达也随之普及相控阵体制。AESA是固态电子学进一步发展的结果。在较早的系统中，传输的信号最 初是在速调管或行波管或类似的设备中产生的，这些设备相对较大。接收机的 高频组件也很大。到1980年代，神化钱微电子技术的引入极大地减小了接收 器元件的尺寸，直到可以以类似于手持无线电设备的尺寸（只有几立方厘 米）。JFET和MESFET的

6、引入在雷达系统的发射组件应用也是如此。雷达发射机 应用了低功率固态波形发生器，通过射频放大器将来自固态波形发生器的信号 进行放大，从而使任何这样配备的雷达都可以在更宽的频率范围内进行发射信 号，发出每个脉冲都可以改变工作频率。将整个发射和接收组件（发射器、接收器和天线)缩小到单个“发射器接收器模块” (TRM)中，将这些组件组合成 AESAo与PESA相比，AESA的主要优势在于不同模块能够以不同的频率运行。与 PESA不同，在PESA中，信号是由少量的发射器以单个频率生成的，而在 AESA ,每个模块都会生成并辐射自己的独立信号。这使得AESA可以产生 许多同时的“子波束”，由于频率不同，它

7、可以识别，并可以主动跟踪大量目 标。AESA还可以使用来自多个TRM的组合信号的后处理，一次产生由许多不 同频率组成的波束，在后续处理重新创建显示，就如何只发射单个波束的效果 一样。3. AESA的优势在单脉冲跟踪体制未获使用前，圆锥扫描体制的雷达很难对付敌方施放的 角度欺骗干扰；没有相参体制的脉冲多普勒雷达，就无法对付借着强大的地杂 波掩护的低空入侵的飞机和导弹；没有频率捷变体制的雷达，就很难同现代战 争中广泛采用的各种杂波干扰相抗衡。相控阵技术是近年来正在发展的新技术，它比单脉冲、脉冲多普勒等任何 一种技术对雷达发展所带来的影响都要深刻和广泛。进入上世纪80年代，机 载相控阵雷达才初获应用

8、。先进的机载有源相控阵雷达是近期，即本世纪初才 进入服役。AESA的成功应用是对传统机载雷达的一次革命，极大地扩展了雷达的应 用领域和提高了雷达的工作性能，进而提高和丰富了作战飞机执行任务的能力 和作战模式。1 .抗电子干扰AESA系统的主要优势之一是其对电子干扰技术的高度抵抗力。雷达干扰通常是通过确定敌方雷达信号的频率，然后以相同的频率发送信 号来干扰雷达系统。如果该雷达系统可以随着每个脉冲改变其频率，就可以进 行有效的干扰抑制。但是随着雷达的发展，干扰技术也随之发展。除改变频率外，AESA系统还可以在宽带内分配频率，甚至在单个脉冲内 也可以分配频率，这是一种称为“线性调频”的雷达技术。这些

9、特征的结合使 得与其他形式的雷达相比，干扰AESA系统要困难得多。2 .低拦截使用AESA雷达系统被敌方雷达预警接收器（RWR）拦截的可能性也很 小。RWR允许飞机或车辆确定何时有来自外部源的雷达信号，其还可以确定 信号源的方向，从而确定敌人辐射源的位置。AESA系统在克服RWR方面非常 有效。因为上面提到的“线性调频脉冲”可以迅速且完全随机地改变频率， RWR很难分辨出AESA雷达束实际上是全部还是只是一部分雷达信号。AESA天线口径场的幅度和相位都可以随意控制，可使天线旁瓣的零值指 向敌方干扰源，使之不能收到足够强度的雷达信号，从而无法实施有效干扰。 通过数字波束形成（DBF）技术，可以使

10、主波束分离成两个波束，使其零值对 准敌方干扰源；若干扰源位于雷达旁瓣方向，则在该方向也可以形成零值，使 敌方收不到雷达信号，从而无法实行有效干扰。AESA的自适应波束形成能力 是机载雷达在复杂的电磁环境中得以保持其作战能力的重要因素。3 .更高的可靠性使用AESA系统的另一个好处是每个模块独立运行，因此单个模块的故障 不会对整个系统性能产生任何重大影响。AESA技术还可用于在飞机和其他配 备的系统之间创建高带宽数据链接，从而能够实现多功能。由于信号的发射和 接收是由成百上千个独立的收/发和辐射单元组成，因此少数单元失效对系统 性能影响不大。试验表明，10%的单元失效时，对系统性能无显著影响，不

11、需立即维修； 30%失效时，系统增益降低3分贝，仍可维持基本工作性能。这种柔性降级 （graceful degradation）特性对作战飞机是十分需要的。4 .多模式功能由于AESA雷达T/R模块中的射频功率放大器（HPA）同天线辐射器紧密 相连，而接收信号几乎直接耦合到各T/R模块内的射频低噪声放大器（LNA）,这就有效地避免了干扰和噪声叠加到有用信号上去，使得加到处理 器的信号更为“纯净”，因此，AESA雷达微波能量的馈电损耗较传统机械扫描雷 达大为减少AESA雷达技术还支持多种模式，使系统可以执行多种任务，包 括：1）实孔径测绘2）合成孔径雷达（SAR）功能3）海面搜索4）地面移动目标

12、指示和跟踪5）空对空搜寻和追踪AESA雷达具备同时多功能，即指有源相控阵能在同一时间内完成一个以 上的雷达功能。它可以用一部分T/R模块完成一种功能，用另外的T/R模块 完成其它功能；也可用时间分隔的方法交替用同一阵面完成多种功能。如雷达 在进行地图测绘（SARGMTI）、地物回避、地形跟随、威胁回避的同时，还 可实现对空中目标的搜索和跟踪，并对其进行攻击。由于AESA是由多个子阵组成，而每个子阵又是由多个T/R模块组成，因 此，可以通过数字式波束形成（DBF）技术、自适应波束控制技术和射频功率 管理等技术，使雷达的功能和性能得到极大的扩展，可以满足各种条件下作战 的需要。并能因此而开发出很多

13、新的雷达功能和空战战术。4. AESA雷达面临的挑战与大多数技术一样，在AESA雷达技术的发展过程中，也面临着一些挑 战，比如电源、散热、重量和价格等。随着技术的不断进步，已经取得了很大 的进步，例如，AESA雷达的重量在过去几年中随着尺寸的减小而减少了一半 以上，这使得AESA雷达安装在飞机上成为可能从而为战斗机在多个方向上定 向并提供更广阔的视野。5. AESA雷达及其未来随着AESA技术的发展，雷达将变得更小、价格更低。这使许多国家能够 将AESA纳入地面、海洋和空中的传统雷达系统中：1）认知雷达：AESA技术的发展与信号处理方面的进步息息相关。这反映 了非军事领域的电子创新。由于软件的

14、改进，手机今天可以执行比十年前更多 的任务。软件创新的迅捷速度将对雷达领域产生影响，特别是在人工智能（AI）领域。做到这一点的关键在于，机器具有从目前以及过去的操作中汲取 教训并将其应用于当前环境的能力。所谓的“认知雷达”可以适应人工智能的 要素。2）新的半导体材料：氮化钱（GaN）已经应用在AESA领域，它是一种高 性能半导体，越来越多地用于TR模块中。与使用碑化钱（AsGa）的传统 AESAT/R模块相比，它具有极高的耐热性，因此能够处理高功率传输，从而 提高了雷达性能。下一种高性能材料将满足以下要求：使现有的基于技术的系 统“不足”，或者大幅降低制造成本。3）模块小型化：摩尔定律假定单个

15、芯片上的晶体管数量每两年翻一番。这 使得电子产品功能更为强大，同时占用更少的空间。摩尔定律帮助雷达工程师 将执行雷达功能的电子设备塞入单个TR模块中。雷达的设计将继续朝着微型 化的方向发展，因为电子器件正在进入纳米技术领域。这可能提供将电子设备 安装在不断缩小的空间中的能力，并可能有助于进一步减少雷达的物理覆盖范 围。例如，ANSPY1雷达的总重量为65,733千克：纳米技术在雷达设计中的 智能应用可以帮助大幅减少尺寸和重量，这不仅适用于军舰，而且适用于整个 平台。4）成本：成本是国防采购中一个长期存在的问题。与AESA雷达系统的技 术性能一样，制造成本是影响AESA应用的关键因素。5）使用寿

16、命：在2016年，在美国陆军冬季贸易展览会上，雷神公司首次 将其基于氮化钱（GaN）的AESA应用到爱国者（Patriot）防空和导弹防御系 统，从而在国防技术领域成为头条新闻。自首次亮相以来，该系统已成功完成 IOoO个工作小时。通过将两个面向相反方向的升级系统配对，实现360度范 围空域的覆盖。6. ANAPG79 AESA 雷达F-18D/C/E/F原来配装雷达APG-65/73,其AESA改进型编号为APG- 79o该雷达仍由APG6573雷达的制造商雷神公司研制。APG79采用先进的 AESA体制，于2003年7月30日在美国中国湖（China Lake）海空作战中心 配装在F/A-18上进行成功首飞。新雷达可以同现有F/A-18机载武器相匹配， 同时，设计留有日后充分扩展的余地。A