▲在保护罩内的美国军用固态相控阵雷达

相控阵雷达简介

在雷达领域里面，分类非常广泛。但是有一种雷达是很强大的，那就是相控阵雷达（Phased Array Radar）。所谓相控阵雷达，就是通过电流相控，实现机械扫描的雷达。相控阵雷达的最基础的想法，是利用了仿生学的原理。类似于苍蝇的眼睛，每一个单元都是一个眼睛，这样视角能比人的单个的眼睛的视角要宽广得多。高速飞机、导弹和人造地球卫星的出现，要求雷达具有更高的探测能力、更大的覆盖空域、更高的数据率和适应多目标环境。机械扫描雷达惯性大，目标容量有限，无法满足这样的要求。相控阵雷达的波束在几个微秒时间内便可在全空域内跳跃，波束形状灵活多变，并可由计算机直接对信号进行处理和对雷达进行控制，与传统的机械扫描雷达相比发生了根本性的变化。

早期相控阵雷达

林肯实验室于1958年左右开始在无线电物理系特别雷达小组进行相控阵雷达开发项目。 最初的应用是卫星监测。苏联在1957年推出第一颗人造地球卫星——海洋卫星I之后，这项工作就已经和国家利益挂钩了。

林肯实验室在赫伯特·韦斯（Herbert G.Weiss）的领导下在开发Millstone Hill雷达中发挥了关键作用，他们开发出了一个远距离雷达。当时，Millstone Hill雷达是世界上少有的具有卫星检测和跟踪能力的雷达仪器之一。威斯与美国空军的其他人都预见到了，美国将急需监测所有通过其领土的卫星的技术能力。而完成这项任务所需的雷达监视量显然是巨大的，这意味着需要大功率，大天线孔径和高光束灵敏度的雷达。

解决这个监视问题的一个方法是建立一个大约五千个UHF元素的平面阵列。Weiss的直觉告诉他，美国尚未具有生产这种可靠的低成本组件的能力，而这需要使工程师能够使用五千个单独的发射器和接收器来实现雷达。然而，美国在Millstone Hill雷达发射机（2.5兆瓦峰值功率，100千瓦平均功率）中有一些大型超高频速调管，并且这些速调管可以被并入到相控阵列雷达中。因此他开始搜索将使用几个这样的大速调管的各种混合机械扫描和电子扫描天线阵列的配置。

上图是大多数混合概念的图，可以检测到遍及美国的所有卫星，直到三千海里的轨道高度。对于这种混合电子扫描/机械扫描方法，有批评者认为它只能以扫描模式跟踪卫星，依然无法跟踪其有限的垂直搜索窗口之外的美国更感兴趣的卫星。因此，美国似乎赞成了采用由五千元件组成的全相控阵的方法。那个时代的国防部门的许多工程师真的希望国家能建立一个完整的平面相控阵雷达。

相控阵雷达的发展

在随后的几年里，林肯实验室对阵列元件设计，移相器，固态发射和接收模块，砷化镓单片微波集成电路和阵列校准、测试等相控阵技术做出了重大贡献。

林肯实验室对阵列天线理论的研究始于1958年，并在随后的几年中坚持了下去。

设计相控阵列的一个重大挑战是满足扫描范围和带宽的要求，还要同时避免盲点和维持低旁瓣。 图（a）显示了使用移相器以电子方式将雷达光束扫过扫描扇区的公司馈相相控阵天线的概念。RF源产生雷达波形，并且被划分到各个路径（即元件通道），每个路径都包含有移相器和放大器。

图（b）示出了覆盖扫描扇区的理想化元件辐射图。

当阵列的所有移相器正确对准时，阵列产生所需指向方向的主光束。如图（c）所示。

通常情况下，设计的通道之间的串扰非常小。然而，一旦信号已到达辐射天线元件，就会出现大量的串扰（即阵列相互耦合）。这些相互耦合信号的幅度和相位可能严重影响相控阵列的性能。

如果阵列元件的间隔大约为一半波长，则会发生大量的互耦合。这种耦合表现在元素辐射模式及其反射系数的恶劣变化。另外，除非在阵列的设计中注意，否则雷达扫描扇区中就会出现盲点。这些盲点是因为元件图案具有零点并且阵列的反射系数具有接近于1的峰值的角度，如下图所示。在这些盲点处，总雷达信号幅度显着降低。

相控阵雷达的未来

相控阵雷达扫描天空的速率是普通雷达的五倍。相控阵雷达和普通雷达的一个重要区别就是，相控阵雷达并没有可以移动的部分。对一片区域完整的扫描只需要30秒，而传统雷达需要4-5分钟。

相控阵雷达的天线包含15000多个元件，它们都由电流而非机械的方式被控制。这就让相控阵雷达完成扫描任务的时间大大缩短，策略和方式更加丰富了。

相控阵雷达其实已经被海军用来实现军事战术和目的长达30年了。而其他的使用者现在才慢慢意识到相控阵雷达在气象监测，民航监管，和国土防御上的巨大潜力。甚至可以说，一个相控阵雷达完全可以实现过去一个雷达站中所有雷达实现功能的总和。你可以用一个相控阵雷达系统取代国家的全部500多台气象雷达，能够将这个数量减小200多台。

编译来源：

1、The Development of Phased-Array Radar Technol  ogy，

Alan J. Fenn, Donald H. Temme, William P. Delaney, and William E. Courtney

2、https://www.youtube.com/watch?v=rDWUTngdpls

作者

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白玉晶 徐佩奇 赵永成

本文转载自

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电子伊甸园