相控陣雷達

　　採用相控陣天線的雷達。與依靠改變天線口徑瞄準方向以改變波束指向的機械掃描雷達不同，相控陣雷達是一種電子掃描雷達，即由大量輻射器組成的相控陣天線的波束進行掃描時天線口徑是不動的，而是通過數位電子技術改變各輻射器的相位，使波束指向在數十微秒內變換到天線搜索範圍內的任意方向。相控陣雷達波束的電子式掃描，實質上是相控掃描，它具有機械掃描雷達無法實現的靈活性和資料率。一部相控陣雷達，可以完成多部不同功能的機械掃描雷達的任務。波束按方位、仰角兩維相控掃描的相控陣雷達設設備復雜而且成本很高；方位機械旋轉掃描、仰角相控掃描的雷達比較簡單一些，但仍不能完全克服機械掃描雷達的弱點。

　　發展概況　40年代就有用機械方法改變輻射器之間相位差以實現波束掃描的雷達。較早的一種是利用機械旋轉移相器，使波束在方位29°范圍內每秒掃描10次，但波束掃描隻能順序進行，速度和靈活性與移動饋源進行掃描的方法相差無幾。50年代後期，因機械掃描雷達不能滿足洲際導彈防禦的需要，人們開始研制現代相控陣雷達。1960年，試驗性的分米波段相控陣雷達問世。1968年，美國高功率大型超高頻相控陣雷達AN/FPS－85建成運行，其作用距離達6000～7000公裡，它能檢測、跟蹤、識別地球軌道目標和彈道導彈。在戰略防禦方面，相控陣雷達比機械掃描雷達經濟實用。60年代後期出現瞭收、發天線陣合而為一的相控陣雷達。70年代研制成功全固態組件的巨型預警相控陣雷達和瞬時帶寬達200兆赫、可進行目標成像的導彈靶場測量相控陣雷達。在戰術防禦方面，出現瞭車載、艦載的由相控陣雷達組成的對空防禦系統、機載多功能相控陣雷達、方位機械旋轉和仰角相位掃描的三坐標雷達。中國在70年代已研制出方位、仰角兩維相位掃描的雷達。

　　工作原理　相控陣雷達由各基本單元組成（圖1），

其特點是具有移相系統，並且計算機與各主要部分相連。

　　發射時，各輻射器輻射的信號到達目標時同相，信號同相疊加，波束的最大值指向目標方向；接收時各輻射器收到的信號同相合成。在直線陣（圖2）中輻射器的間距為d，在偏離法線θ角的方向，相鄰輻射器間的電磁波行程差為d sinθ，相位差為

（ λ為發射信號的波長）。欲使波束指向 θ方向，各輻射器應設置延遲器或移相器，以抵消上述之行程差或相位差而使之同相。

　　特性　波束的指向可以瞬時變換，可針對目標性質和分佈控制波束掃描和停留時間，使時間和能量的利用率比機械掃描雷達大為提高，從而完成更多的任務。相控陣系統的反應速度快，適於對付多批快速機動的目標。

　　計算機為相控陣雷達的組成部分。它的用途是對技術性能（發射信號波形和能量、信號和數據處理參數、波束指向和掃描速度等）和工作方式（搜索、截獲、跟蹤等）進行程序化控制和自動化管理，並按目標環境自適應地選擇工作方式和技術參數。一部相控陣雷達可同時完成多種功能，如對多目標搜索、跟蹤、制導、再截獲，殺傷效果鑒定，無源探測等。雷達功能的變換可通過改變軟件來實現。

　　相控陣雷達可設計成每個輻射器有單獨的接收、發射組件，系統可靠性較高，即使個別組件損壞基本上也不影響系統性能。此外，天線固定，容易對雷達結構進行加固，因而抗爆炸能力比天線轉動的雷達為強。

　　但是，實際使用的平面天線陣的最大掃描角為±45°～±60°，當監視方位為360°時則需要3～4個天線陣。與機械掃描雷達相比，相控陣雷達的復雜性和成本都較高。

　　用途　相控陣雷達具有多功能、高數據率、多目標處理能力，可完成機械掃描雷達不能完成或需要多種機械掃描雷達才能完成的特殊軍事任務。例如，監視遠程彈道導彈和外空目標的預警雷達；對飛機、導彈進行搜索和跟蹤、並對防空導彈制導的地－空防禦系統；監視炮彈的彈道和落點，推算炮位的炮火監視雷達；導彈靶場測量多彈頭和誘餌的測量雷達；飛機著陸系統的地面雷達；機載多功能（搜索、跟蹤、地物回避、導航、測繪等）雷達等。波束在方位上采用機械掃描、在仰角上采用相控掃描的體制，主要用於航管和防空的三坐標引導雷達。

　　數字式移相器　二進制步進式移相器比連續可變式移相器簡單實用，移相精度取決於移相器的位數。使用P位移相器時移相值應各為π/2ⁿ弧度（式中n=0，1，2，…，p-1）。大多數相控陣雷達用3位或4位移相器，用PIN二極管（見微波二極管）作為電控開關，用帶狀線電路作為移相元件的移相器使用較廣。但波長在5厘米以內的高功率時多采用鐵氧體移相器。數字式移相器不能精確抵消相位差值

，最大化誤差為 π/ 2 ^p。使用3位移相器時，天線增益損失僅0.23分貝，而最大量化天線旁瓣約 -18分貝。采用各輻射器間相位量化誤差不相關的方法能降低最大量化旁瓣值。

　　陣的瞬時帶寬　瞬時帶寬是衡量不失真地發射或接收寬帶信號的能力的指標。圖2中，左端和右端輻射器間電磁波傳播時延差為

， c為光速。對於寬帶，這些輻射器的信號在合成時的不重疊效應不容忽略。如允許左端與右端輻射器的信號在2/ B的時間裡不重疊（ B為信號帶寬），則信號帶寬 B≤ θ ₀ f/ 128sin θ，式中 θ ₀為波束3分貝點寬度（度）， f為發射載頻（赫）。超過上式帶寬時則須采用二進制數字式延遲線補償行程差。最小位的延遲為一個波長，位數由 D sin θ/ λ 確定。延遲器件為穩定、低耗、無色散的電纜或帶狀線，利用以 TEM模工作的鐵氧體或二極管作為延遲轉換開關。距離分辨力良好的目標成像雷達或抗寬帶幹擾的雷達，均要求大的瞬時帶寬。

　　

參考書目

　P.J.Kahrilas，Electronic Scanning Radar Systems Design Handbook，Artech House，Dedham，1976.

　M.I. Skolnik，Introduction to Radar Systems，2nd ed.，McGraw-Hill，New York，1980.