相控陣雷達
總述
相控陣雷達又稱作相位陣列雷達,是一種以改變雷達波相位來改變波束方向的雷達,因為是以電子方式控製波束而非傳統的機械轉動天線麵方式,故又稱電子掃描雷達。
相控陣雷達有相當密集的天線陣列,在傳統雷達天線麵的麵積上可安裝上千個相控陣天線,任何一個天線都可收發雷達波,而相鄰的數個天線即具有一個雷達的功能。掃描時,選定其中一個區塊(數個天線單元)或數個區塊對單一目標或區域進行掃描,因此整個雷達可同時對許多目標或區域進行掃描或追蹤,具有多個雷達的功能。由於一個雷達可同時針對不同方向進行掃描,再加之掃描方式為電子控製而不必由機械轉動,因此資料更新率大大提高,機械掃描雷達因受限於機械轉動頻率因而資料更新周期為秒或十秒級,電子掃描雷達則為毫秒或微秒級。因而它更適於對付高機動目標。此外由於可發射窄波束,因而也可充當電子戰天線使用,如電磁幹擾甚至是構想中發射反相位雷達波來抵消探測電波等。
工作原理
我們知道,蜻蜓的每隻眼睛由許許多多個小眼組成,每個小眼都能成完整的像,這樣就使得蜻蜓所看到的範圍要比人眼大得多。與此類似,相控陣雷達的天線陣麵也由許多個輻射單元和接收單元(稱為陣元)組成,單元數目和雷達的功能有關,可以從幾百個到幾萬個。這些單元有規則地排列在平麵上,構成陣列天線。利用電磁波相幹原理,通過計算機控製饋往各輻射單元電流的相位,就可以改變波束的方向進行掃描,故稱為電掃描。輻射單元把接收到的回波信號送入主機,完成雷達對目標的搜索、跟蹤和測量。每個天線單元除了有天線振子之外,還有移相器等必須的器件。不同的振子通過移相器可以被饋入不同的相位的電流,從而在空間輻射出不同方向性的波束。天線的單元數目越多,則波束在空間可能的方位就越多。這種雷達的工作基礎是相位可控的陣列天線,“相控陣”由此得名。
相位控製可采用相位法、實時法、頻率法和電子饋電開關法。在一維上排列若幹輻射單元即為線陣,在兩維上排列若幹輻射單元稱為平麵陣。輻射單元也可以排列在曲線上或曲麵上.這種天線稱為共形陣天線。共形陣天線可以克服線陣和平麵陣掃描角小的缺點,能以一部天線實現全空域電掃。通常的共形陣天線有環形陣、圓麵陣、圓錐麵陣、圓柱麵陣、半球麵陣等。綜上所述,相控陣雷達因其天線為相控陣型而得名。
例如,美國裝備的“鋪路爪”相控陣預警雷達在固定不動的圓形天線陣上,排列著15360個能發射電磁波的輻射器和2000個不發射電磁波的輻射器。這15360個輻射器分成96組,與其他不發射電磁波的輻射器搭配起來。這樣,每組由各自的發射機供給電能,也由各自的接收機來接收自己的回波。所以,它實際上是96部雷達的組合體。如果我們把通常的雷達稱作“個體戶”,那麼相控陣雷達就相當於一個“合作社”了。
特點
相控陣雷達之所以具有強大的生命力,因為它優勝於一般機械掃描雷達。它具有以下特點:
能對付多目標
相控陣雷達利用電子掃描的靈活性、快速性和按時分割原理或多波束,可實現邊搜索邊跟蹤工作方式,與電子計算機相配合,能同時搜索、探測和跟蹤不同方向和不同高度的多批目標,並能同時製導多枚導彈攻擊多個空中目標。因此,適用於多目標、多方向、多層次空襲的作戰環境。
功能多,機動性強
相控陣雷達能夠同時形成多個獨立控製的波束,分別用以執行搜索、探測、識別、跟蹤、照射目標和跟蹤、製導導彈等多種功能,一部相控陣雷達能起到多部專用雷達的作用,而且還遠比它們能夠同時對付的目標多。因此,可大大減少武器係統的設備,從而提高係統的機動能力。
反應時間短、數據率高
相控陣雷達可不需要天線驅動係統,波束指向靈活,能實現無慣性快速掃描,從而縮短了對目標信號檢測、錄取、信息傳遞等所需的時間,具有較高的數據率。相控陣天線通常采用數字化工作方式,使雷達與數字計算機結合起來,能大大提高自動化程度,簡化了雷達操作,縮短了目標搜索、跟蹤和發控準備時間,便於快速、準確地實施畦達程序和數據處理。因而可提高跟蹤空中高速機動目標的能力。
抗幹擾能力強
相控陣雷達可以利用分布在天線孔徑上的多個輻射單元綜合成非常高的功率,並能合理地管理能量和控製主瓣增益,可以根據不同方向上的需要分配不同的發射能量,易於實現自適應旁瓣抑製和自適應抗各種幹擾,有利於發現遠離目標和小雷達反射麵目標(如隱形飛機),還可提高抗反輻射導彈的能力。
可靠性高
相控陣雷達的陣列組較多,且並聯使用,即使有少量組件失效,仍能正常工作,突然完全失效的可能性最小。此外,隨著固態器件的發展,格控陣雷達的固態器件越來越多,甚至已生產出全固態兒控陣雷達,如美國的。“愛國者”雷達,其天線的平均故障間隔時間高達15萬小時,即使有10%單元損壞也不會影響雷達的正常工作。
美中不足的是,相控陣雷達設備複雜、造價昂貴,且波束掃描範圍有限,最大掃描角為90°~120°。當需要進行全方位監視時,需配置3~4個天線陣麵。多功能相控陣雷達已廣泛用於地麵遠程預警係統、機載和艦載防空係統、機載和艦載係統、炮位測量、靶場測量等。美國“愛國者”防空係統的AN/MPQ-53雷達、艦載“宙斯盾”指揮控製係統中的雷達、B-1B轟炸機上的APQ-164雷達、俄羅斯C-300防空武器係統的多功能雷達等都是典型的相控陣雷達。隨著微電子技術的發展,固體有源相控陣雷達得到了廣泛應用,是新一代的戰術防空、監視、火控雷達。