有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)發(fā)展趨勢

2017-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

有源相控陣(AESA,亦譯有源電掃描陣列)雷達(dá)已成為現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置,不僅會(huì)在許多新機(jī)型中取代機(jī)械掃描陣列(MSA)和無源電掃描陣列(PESA)雷達(dá),還用于現(xiàn)役飛機(jī)的批量升級。AESA也已滲入以前由MSA和PESA技術(shù)主導(dǎo)的其他領(lǐng)域,包括機(jī)載預(yù)警雷達(dá)、面對空導(dǎo)彈火控雷達(dá)和立體搜索雷達(dá)。這種發(fā)展勢頭還會(huì)持續(xù)下去,并將得到進(jìn)一步的發(fā)展。但是,AESA也不是“萬能藥”,并非適合所有雷達(dá)應(yīng)用。因?yàn)樗鼤?huì)對支撐硬件提出許多獨(dú)特的要求,而在傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)中,這樣的硬件很少甚至根本沒有。這些要求增加了系統(tǒng)集成的費(fèi)用,并且在不同程度上影響到其應(yīng)用。

有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)發(fā)展趨勢HFSS培訓(xùn)的效果圖片1
雷聲公司的 RACR 基于 APG-79 AESA 雷達(dá)的經(jīng)驗(yàn)

毋庸置疑,隨著技術(shù)日趨成熟,制造費(fèi)用不斷下降,AESA近期有望成為一種主流技術(shù),用于多種大批量雷達(dá)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。要知道AESA因何能夠獲得如此巨大的成功,首先需要了解電掃描陣列或相控陣的發(fā)展歷程。

ESA雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

世界上第一種“現(xiàn)代化”的軍用量產(chǎn)型相控陣?yán)走_(dá)是曾在二戰(zhàn)后期部署的德國制造的VHF波段GEMA FuGM41“猛犸象”或“板墻”系列對空/對海監(jiān)視雷達(dá)。這種創(chuàng)新性的雷達(dá)引入了電子或“靈活”波束控制概念-天線主瓣的方向不再通過天線視軸的物理指向來控制,而是通過改變經(jīng)由天線陣列陣元的信號(hào)的相對相位或延時(shí)來實(shí)現(xiàn)。雖然更早出現(xiàn)的英國“本土鏈”雷達(dá)(曾對不列顛之戰(zhàn)發(fā)揮決定性作用)是利用天線陣元對之間的相位關(guān)系來測向,但“猛犸象”雷達(dá)才是第一種通過多個(gè)獨(dú)立的相位或延時(shí)控制單元實(shí)現(xiàn)收發(fā)的批生產(chǎn)型號(hào)。

這種方法帶來的最大好處就是不再需要通過機(jī)械的方法控制龐大笨重的天線掃描大范圍空域,而通過電子控制波束指向獲得靈活的波束控制能力。這是ESA相對于MSA的重要優(yōu)勢,因?yàn)樗軌蜢`活控制波束,跟蹤單個(gè)目標(biāo)或群目標(biāo),以及提高對大范圍空間的掃描速率。對于設(shè)計(jì)和維護(hù)人員來說,與MSA相比,采用ESA會(huì)帶來復(fù)雜度、體積和重量方面的問題,至今上述因素仍是影響ESA技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙。

20世紀(jì)70年代,隨著美國和前蘇聯(lián)開發(fā)了一系列重要的系統(tǒng),ESA技術(shù)取得了長足進(jìn)步。但不管怎么發(fā)展,其宗旨都是獲得同時(shí)跟蹤大批量高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力,進(jìn)而支持導(dǎo)彈制導(dǎo)應(yīng)用,以及戰(zhàn)術(shù)/戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈和低/高空巡航導(dǎo)彈防御應(yīng)用。

美國部署了雷聲公司開發(fā)的450兆赫茲FPS-115“鋪路爪”雷達(dá),前蘇聯(lián)開發(fā)部署了150兆赫茲的NIRI 5N15“第聶伯河”/“雞舍”系列PESA雷達(dá),兩者均用于執(zhí)行關(guān)鍵的戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈捕獲和跟蹤任務(wù)。后來的“鋪路爪”型號(hào),平均功率為145.6千瓦,峰值功率為582.4千瓦,采用的陣元數(shù)量至少1792個(gè),每個(gè)陣元的輻射功率為325瓦。

美國陸軍裝備的雷聲公司C波段MPQ-53“愛國者”交戰(zhàn)雷達(dá)和前蘇聯(lián)的X波段5N63/30N6(用于S-300PT/SA-10)和9S32(用于S-300V/SA-12)交戰(zhàn)雷達(dá)也是PESA雷達(dá),都是為摧毀飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈而開發(fā)的。上述3種雷達(dá)采用了相同的設(shè)計(jì)理念-采用無源光學(xué)空間饋電和由移相器組成的透射主天線陣。前蘇聯(lián)雷達(dá)采用精心設(shè)計(jì)的單脈沖饋源喇叭排列,置于透鏡組件之后。類似的空間饋電設(shè)計(jì)也用于前蘇聯(lián)為S-300V/SA-12地空導(dǎo)彈系統(tǒng)開發(fā)的X波段9S19“高屏”反彈道導(dǎo)彈捕獲雷達(dá)和為S-300PM/SA-20A地空導(dǎo)彈系統(tǒng)開發(fā)的5N64/64N6“大鳥”S波段雙面陣戰(zhàn)場管理雷達(dá)。

類似的作戰(zhàn)需求也推動(dòng)美國海軍開發(fā)了SPY-1“宙斯盾”S波段無源相控陣?yán)走_(dá)。該雷達(dá)每個(gè)天線面有4096個(gè)陣元,分成140個(gè)模塊,每個(gè)模塊包含32個(gè)陣元,利用復(fù)雜的波導(dǎo)饋源網(wǎng)絡(luò)分發(fā)發(fā)射和接收信號(hào)。SPY-1A采用混合陣,每個(gè)天線陣面內(nèi)嵌有4352個(gè)固態(tài)接收機(jī),采用8部發(fā)射機(jī)為每個(gè)陣面提供高達(dá)132千瓦的總峰值功率。

第一代ESA雷達(dá)的共有特征是,采用無源透射鐵氧體移相器和行波管發(fā)射機(jī),從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的峰值功率。對重量敏感的應(yīng)用,如地面導(dǎo)彈連,則優(yōu)選光學(xué)空間饋電,而“宙斯盾”系統(tǒng)和更低波段的彈道導(dǎo)彈防御雷達(dá)則采用饋電網(wǎng)絡(luò)。截至目前,所有上述雷達(dá)的型號(hào)及派生型仍在服役和生產(chǎn)。

20世紀(jì)80年代,第二代ESA雷達(dá)面世,主要針對機(jī)載應(yīng)用,充分汲取了雷達(dá)設(shè)計(jì)師在70年代早期獲得的經(jīng)驗(yàn)。美國西屋公司為B-1B“槍騎兵”轟炸機(jī)開發(fā)了X波段APQ-164雷達(dá),是從EAR(電子捷變雷達(dá))演示驗(yàn)證機(jī)發(fā)展而來的PESA型號(hào),具備一定的低截獲概率(LPI)能力。雷達(dá)共用1個(gè)由1526個(gè)陣元組成的獨(dú)立孔徑,用于地面測繪、武器瞄準(zhǔn)和自動(dòng)地形跟隨等。利用行波管和接收機(jī)鏈路冗余技術(shù),達(dá)成ESA天線的高可靠性要求。

隨后不久,休斯公司就為B-2A“幽靈”隱身轟炸機(jī)開發(fā)了Ku波段APQ-181無源相控陣?yán)走_(dá)。APQ-181是一種低截獲概率雷達(dá),具備隱蔽攻擊能力。它采用了與APQ-164相同的天線技術(shù),提供類似的導(dǎo)航、瞄準(zhǔn)和自動(dòng)地形跟隨能力。不僅如此,它還附加了一項(xiàng)比較苛刻的要求,即天線陣面的雷達(dá)發(fā)射截面積必須滿足類似“小鳥”的尺寸,這樣才能保證B-2優(yōu)異的隱身性能。APQ-181雷達(dá)再一次驗(yàn)證了ESA相較于MSA的關(guān)鍵優(yōu)勢,且適于隱身探測,這也是長期以來推動(dòng)AESA,尤其是機(jī)載AESA雷達(dá)不斷向前發(fā)展的關(guān)鍵因素。

雖然美國早期的機(jī)載ESA方案主要針對轟炸機(jī)應(yīng)用,但前蘇聯(lián)的首部X波段機(jī)載PESA雷達(dá)-季霍米洛夫NIIP公司開發(fā)的BRLS-8B“盾牌”(Zaslon,北約稱“閃舞”)脈沖多普勒機(jī)載攔截雷達(dá)卻是為“米格-31”重型戰(zhàn)斗機(jī)開發(fā)的。這是因?yàn)樵撔蛻?zhàn)機(jī)承擔(dān)著攔截美國AGM-86B空射巡航導(dǎo)彈、BGM-109G陸射“戰(zhàn)斧”和RGN-109潛射巡航導(dǎo)彈的艱巨任務(wù)?！岸芘啤崩走_(dá)陣列由1700個(gè)陣元組成,能夠同時(shí)引導(dǎo)4枚“阿莫斯”遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈打擊隱藏在地雜波中的低信號(hào)特征目標(biāo),是用于裝備前線戰(zhàn)斗機(jī)的第一種批生產(chǎn)型ESA雷達(dá)。其最顯著的特征是L波段IFF詢問機(jī)的PESA陣列被嵌入X波段雷達(dá)陣列之中。

與第一代ESA一樣,第二代ESA雷達(dá)也采用無源透射鐵氧體技術(shù)移相器和行波器發(fā)射機(jī),唯一不同的是后者采用天線饋電網(wǎng)絡(luò),這也是堆棧行結(jié)構(gòu)的典型特征。在此類雷達(dá)中首次采用的多種理念一直沿用于后續(xù)AESA的研發(fā)與設(shè)計(jì)中。

俄羅斯繼續(xù)采用PESA技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列新式雷達(dá),如季霍米洛夫NIIP公司為“蘇-30MKI/MKM”戰(zhàn)機(jī)開發(fā)的N011M混合型ESA雷達(dá)以及為“蘇-35S”戰(zhàn)機(jī)開發(fā)的N035“雪豹-E”派生型雷達(dá),法扎特倫公司為“蘇-33”艦載機(jī)開發(fā)的Zhuk-MFS/MFSE雷達(dá),列寧人公司仿造APQ-164為“蘇-34”轟炸機(jī)開發(fā)的B004多功能火控雷達(dá),NIIP梁贊GRPZ公司用于N001VE機(jī)掃雷達(dá)升級改造的Pero無源相控陣?yán)走_(dá)。Pero采用獨(dú)特的反射式空饋設(shè)計(jì),其X波段喇叭置于陣列前面的尾桁之上。該技術(shù)也用于專為9K317“山毛櫸”M2/SA-17新型戰(zhàn)場防空導(dǎo)彈系統(tǒng)開發(fā)的X波段9S36交戰(zhàn)雷達(dá)。

20世紀(jì)90年代,美國和歐洲的AESA雷達(dá)技術(shù)取得了長足進(jìn)步,俄羅斯緊跟其后。雖然新研的AESA雷達(dá)采用了許多以前為PESA雷達(dá)開發(fā)的技術(shù),但也引入了完全有別于PESA的發(fā)射機(jī)技術(shù)。砷化鎵平面單片集成電路工藝的成熟是AESA得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一,因?yàn)榇蠊β示w管和單片移相器的制造均有賴于這種工藝的成熟。雖然早在25年前就已經(jīng)普及小功率接收機(jī)用的低噪聲系數(shù)砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效晶體管(MESFET)器件,但直到微波單片集成電路(MMIC)技術(shù)成熟到能在關(guān)鍵應(yīng)用中將必需的電路封裝在有限空間的T/R模塊內(nèi)時(shí),研制AESA才具備了現(xiàn)實(shí)的可能。L波段和S波段MMIC技術(shù)早在15年前就已經(jīng)成熟,更具挑戰(zhàn)性的X波段MMIC技術(shù)在10年前獲得應(yīng)用。PESA采用無源移相器件,而AESA的T/R模塊則集成了多個(gè)MMIC,形成獨(dú)立控制的接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和波束控制器。在T/R模塊設(shè)計(jì)方面,俄羅斯稍遜于美國,但有望很快縮短差距。

滲透軍用雷達(dá)主流應(yīng)用領(lǐng)域

目前,AESA技術(shù)已滲透到許多關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域,包括X波段機(jī)載火控雷達(dá)、VHF至S波段預(yù)警搜索雷達(dá)和特定的S/X波段彈道導(dǎo)彈防御雷達(dá)。在不斷插入現(xiàn)役雷達(dá)的升級改造以及作為一種全新設(shè)計(jì)取代傳統(tǒng)雷達(dá)的發(fā)展中,AESA技術(shù)不斷取得進(jìn)步。

戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)機(jī)載雷達(dá)多為X波段。首部AESA批生產(chǎn)雷達(dá)是原西屋公司,現(xiàn)諾斯羅普·格魯曼公司為F-22A“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)開發(fā)的由1500個(gè)陣元組成的APG-77雷達(dá)。該雷達(dá)已成為AESA技術(shù)發(fā)展風(fēng)向標(biāo),現(xiàn)已發(fā)展到第二種配置APG-77(V)1,其中采用的模塊與為F-35戰(zhàn)斗機(jī)開發(fā)的只有1200個(gè)陣元的APG-81雷達(dá)通用。

同期并行開發(fā)的是雷聲公司1100個(gè)陣元的APG-79雷達(dá)。該雷達(dá)最初為批量升級改造F/A-18E/F“超級大黃蜂”戰(zhàn)機(jī)開發(fā),最后卻發(fā)展成一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)。為APG-79開發(fā)的T/R模塊技術(shù)用于對F-15C戰(zhàn)斗機(jī)APG-63(V)3和F-15E戰(zhàn)斗機(jī)APG-82(V)1的AESA升級。早期的F-15雷達(dá)采用由行波管驅(qū)動(dòng)的機(jī)械掃描陣列技術(shù),后來一部分F-15C戰(zhàn)機(jī)換裝了早期采用“條”式T/R模塊技術(shù)的APG-63(V)2雷達(dá),近期的升級改造涉及APG-63(V)3/APG-82配置,其中采用了基于APG-79設(shè)計(jì)的獨(dú)立T/R模塊。這種先進(jìn)的T/R模塊技術(shù)也移植到APQ-181雷達(dá)的深度改進(jìn)之中,在其AESA型號(hào)中采用了一對2000個(gè)陣元的X波段陣列。同期,諾·格公司還開發(fā)了1000個(gè)陣元的APG-80雷達(dá),用于老式F-16戰(zhàn)機(jī)的批量現(xiàn)代化改造,作為一種全新設(shè)計(jì),APG-80現(xiàn)已發(fā)展成尺寸可變的靈活波束雷達(dá)(SABR)。

當(dāng)美國X波段機(jī)載AESA雷達(dá)占據(jù)主導(dǎo)地位之時(shí),專門針對ISR應(yīng)用的X波段AN/ZPY-2多平臺(tái)雷達(dá)技術(shù)插入計(jì)劃(MP-RTIP)才開始啟動(dòng)。MP-RTIP雷達(dá)專門用于提供監(jiān)視成像和地面動(dòng)目標(biāo)指示能力,主要針對E-8、E-10和RQ/MQ-4“全球鷹”平臺(tái)。AESA技術(shù)也是設(shè)計(jì)新一代干擾機(jī)EA-18G“咆哮者”干擾支持吊艙的關(guān)鍵,計(jì)劃采用氮化鎵(GaN)器件。

雖然歐洲制造商落后于美國,但目前也能提供幾種X波段AESA產(chǎn)品,包括泰利斯公司為達(dá)索公司“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)開發(fā)的RBE2型雷達(dá),歐洲雷達(dá)聯(lián)盟為“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)開發(fā)的ECR-90雷達(dá)和塞萊克斯公司更小型的Vixen500E和1000E型AESA雷達(dá)(對新一代“鷹獅”戰(zhàn)斗機(jī))。所有設(shè)計(jì)都充分汲取了機(jī)載多功能固態(tài)有源陣?yán)走_(dá)(AMSAR)開發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。

法扎特倫公司是俄羅斯第一家提交X波段AESA雷達(dá)的生產(chǎn)商,早在2007年便交付了供“米格-35”戰(zhàn)斗機(jī)使用的Zhuk-AE有源陣?yán)走_(dá)。之后不久該公司便與季霍米洛夫NIIP公司展開了為“蘇-27/30”和T-50 PAK-FA新一代隱身戰(zhàn)斗機(jī)提供大型AESA雷達(dá)的競標(biāo)。季霍米洛夫NIIP公司同期開發(fā)的L波段AESA項(xiàng)目備受關(guān)注,該雷達(dá)旨在嵌入戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼前緣和外側(cè),提供敵我識(shí)別和反隱身探測。

雖然X波段AESA雷達(dá)在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo),但諾·格公司的AN/ASQ-236雷達(dá)吊艙卻獨(dú)辟蹊徑,專為精確地面測繪而設(shè)計(jì)開發(fā)了Ku波段AESA雷達(dá)。

20世紀(jì)90年代,X波段AESA雷達(dá)逐漸滲入機(jī)載預(yù)警雷達(dá)市場。以色列IAI/Elta公司基于波音707-320平臺(tái)開發(fā)了L波段EL/M-2075“費(fèi)爾康”雷達(dá),后驗(yàn)證機(jī)被銷往智利,而相關(guān)技術(shù)卻演變成G550平臺(tái)攜載的EL/W-2085雷達(dá),現(xiàn)裝備以色列和新加坡。1998年,因?yàn)椤靶ㄎ病钡脑?采用相同的技術(shù)研發(fā)的EL/W-2090型L波段三面陣AESA雷達(dá)未能成功銷往澳大利亞,也未能如愿銷售給中國,最終印度購得此套系統(tǒng)。瑞典S波段“愛立眼”機(jī)載雷達(dá)出口取得了巨大成功,用戶有瑞典、巴西、希臘、墨西哥、巴基斯坦、泰國和阿聯(lián)酋,平臺(tái)可選用商用噴氣式或渦輪螺旋槳飛機(jī)。美國唯一的機(jī)載預(yù)警與指揮控制AESA雷達(dá)是諾·格公司開發(fā)的L波段多功能電掃描陣列(MESA),雷達(dá)以波音737-600為平臺(tái),系統(tǒng)現(xiàn)已銷往澳大利亞、土耳其和韓國。

雖然機(jī)載應(yīng)用是AESA研發(fā)的主要目標(biāo),但新出現(xiàn)的地面應(yīng)用也逐漸得到推廣。其中之一是導(dǎo)彈防御用的目標(biāo)捕獲與火控雷達(dá)。以色列埃爾塔公司率先推出了EL/M-2080“綠松”L波段雷達(dá),用于支持“箭”式反彈道導(dǎo)彈。之后不久,美國雷聲公司推出了25344個(gè)陣元的AN/TPY-2型THAAD地基雷達(dá)/前沿部署的X波段機(jī)動(dòng)式寬帶AESA雷達(dá),用作THAAD系統(tǒng)的捕獲與交戰(zhàn)雷達(dá)。該領(lǐng)域內(nèi)體積最龐大,功率最強(qiáng)勁的雷達(dá)當(dāng)屬包含45056個(gè)陣元的海基X波段雷達(dá),是專為地基攔截器三級外太空反彈道導(dǎo)彈開發(fā)的,其AESA天線陣面直徑達(dá)22米。

AESA技術(shù)占主導(dǎo)的另一個(gè)領(lǐng)域是X波段捕獲和火控雷達(dá),可用來為作戰(zhàn)艦只提供保護(hù),使其免受掠海巡航導(dǎo)彈的攻擊。典范之作包括雷聲公司為“朱姆沃爾特”級驅(qū)逐艦和“福特”級航母開發(fā)的AN/SPY-3多功能雷達(dá),泰利斯公司為荷蘭“澤文·普羅文森”號(hào)護(hù)衛(wèi)艦和德國“薩克森”號(hào)護(hù)衛(wèi)艦開發(fā)的APAR四面陣相控陣?yán)走_(dá)(3000個(gè)陣元)和澳大利亞CEA技術(shù)公司為“安扎克”級護(hù)衛(wèi)艦開發(fā)的CEA-FAR/CEAMOUNT(含1024個(gè)陣元),上述雷達(dá)均旨在引導(dǎo)RIM-160改進(jìn)型“海麻雀”導(dǎo)彈。

AESA技術(shù)也逐漸推廣應(yīng)用到搜索捕獲雷達(dá)之中。且不說“朱姆沃爾特”級驅(qū)逐艦雙波段雷達(dá)系統(tǒng)的S波段雷達(dá),單是泰利斯/雷聲公司的地面防空雷達(dá)系列中S波段GM200和GM400也堪稱典范之作。俄羅斯金剛石-安泰聯(lián)合企業(yè)/NNIIRT開發(fā)的IL119“天空”SVU和VHF波段55Zh6ME RLM-M“天空”M型3坐標(biāo)反隱身搜索和捕獲雷達(dá)同樣引人關(guān)注。前者采用84個(gè)陣元,每個(gè)陣元的額定功率為1.4~1.7千瓦;后者采用168個(gè)陣元,額定功率也許更大。

AESA雷達(dá)的優(yōu)勢與局限

為什么AESA最終會(huì)取代PESA和MSA設(shè)計(jì),而后者僅局限于某些特定的應(yīng)用呢?

首先,最重要的原因是波束形成和波束捷變能力。在現(xiàn)代AESA的設(shè)計(jì)中,波束參數(shù)可以高達(dá)數(shù)千赫茲的速率改變,這是早期推行ESA應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)力,這樣天線可以很高的刷新率跟蹤多個(gè)目標(biāo),這對于攔截超聲速飛行的巡航導(dǎo)彈、飛機(jī)或再入戰(zhàn)斗部等快速目標(biāo)至關(guān)重要。

波束捷變能力還可以驅(qū)動(dòng)天線執(zhí)行不同任務(wù),獲得時(shí)間共享、多路復(fù)用或交叉使用的能力。在火控應(yīng)用中,這允許雷達(dá)同時(shí)跟蹤多個(gè)分散的目標(biāo),或同時(shí)執(zhí)行搜索、導(dǎo)彈中段或末段制導(dǎo)任務(wù)。在搜索應(yīng)用中,允許雷達(dá)在跟蹤同時(shí)執(zhí)行立體搜索任務(wù)。在監(jiān)視應(yīng)用中,它允許交替執(zhí)行對地測繪和動(dòng)目標(biāo)檢測任務(wù)。在戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用中,可提供測繪、地形跟隨或回避、空面目標(biāo)搜索和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芙惶鎴?zhí)行的能力。因此,1部獨(dú)立的AESA多功能雷達(dá)可以取代2部以上功能單一的常規(guī)雷達(dá)。

第二個(gè)重要原因是,AESA雷達(dá)的可靠性大大優(yōu)于常規(guī)雷達(dá),這主要得益于其采用了成百上千個(gè)T/R模塊。即使多個(gè)T/R模塊故障,也只會(huì)降低天線性能,而不會(huì)導(dǎo)致其失效。只有當(dāng)共享子系統(tǒng),如電源或波束控制器故障時(shí),AESA雷達(dá)才會(huì)出現(xiàn)致命故障。而MSA容易發(fā)生機(jī)械故障,且行波管、波導(dǎo)、饋源和高壓電源等電子器件均易發(fā)生單點(diǎn)故障。

相較于PESA,AESA最重要的優(yōu)勢是其具有獨(dú)立控制每個(gè)陣元的增益和相位的能力,這會(huì)對以下幾個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響:

首先是波束形成更精確,不同的波束還可以采用不同的口面錐削分布,這在副瓣抑制時(shí)經(jīng)常使用。副瓣抑制是隱身技術(shù)關(guān)注的重要問題,因?yàn)闃O低旁瓣可降低被敵方截獲的概率。

其次,AESA能提供比PESA或MSA寬得多的帶寬,這有利于低截獲概率模式和針對帶內(nèi)輻射源的電子攻擊。在某些設(shè)計(jì)中,這種能力允許將雷達(dá)AESA用作威脅告警系統(tǒng)的附加高增益天線,或作為帶寬能力高達(dá)數(shù)千兆比特每秒的數(shù)據(jù)鏈,或兩者兼而有之。AESA接收機(jī)的噪聲指數(shù)一般比PESA/MSA接收機(jī)低6分貝以上,大功率孔徑AESA還能用作重要的定向能武器,可對電子密集目標(biāo)系統(tǒng)或電子設(shè)備造成毀滅性影響。就雷達(dá)結(jié)構(gòu)截面積而言,固定的AESA本身就優(yōu)于萬向支架式的MSA,更容易與其他隱身平臺(tái)融合。

但是,獲得這些優(yōu)勢并非不需要付出代價(jià)。與MSA相比,AESA雷達(dá)更復(fù)雜,研發(fā)費(fèi)用更高,重量和體積也比MSA大得多。功耗和冷卻也是開發(fā)AESA面臨的兩大難題,這已成為其與小型平臺(tái)整合難以逾越的鴻溝。許多設(shè)計(jì)中,半導(dǎo)體器件的功率密度限制和T/R模塊級冷卻架構(gòu)直接影響著AESA性能增長。隨著實(shí)時(shí)處理要求的提高,AESA對軟件依賴性更強(qiáng),會(huì)帶來許多不屬于射頻領(lǐng)域的獨(dú)特的工程問題。

從單純的增益性能來看,AESA必須解決遠(yuǎn)離天線視軸的目標(biāo)的孔徑縮短問題,以及對波束掃描在45°~70°范圍內(nèi)時(shí)波束控制角的性能受限問題。由于孔徑填充和副瓣控制的原因,相位控制AESA也會(huì)遭受帶寬本身受限的問題,這將影響所有大帶寬應(yīng)用。在許多應(yīng)用中,與低結(jié)構(gòu)性RCS兼容的唯一方案是采用多個(gè)AESA陣列,這同時(shí)又會(huì)犧牲成本、復(fù)雜度、重量、體積和冷卻方面的要求。典范之作包括為F-22A規(guī)劃但尚未裝備的側(cè)視陣列或計(jì)劃中的T-50PAK-FA側(cè)視陣列。AESA并非適合所有微波天線應(yīng)用的“萬能藥”,只是它在大多數(shù)應(yīng)用中呈現(xiàn)出的重要優(yōu)勢掩蓋了使用該技術(shù)導(dǎo)致的不足而已。

有源相控陣技術(shù)發(fā)展趨勢

毫無疑問,單片器件是推動(dòng)AESA設(shè)計(jì)不斷發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一,因?yàn)樗苯油ㄟ^大功率晶體管或間接通過冷卻性能影響著AESA的功率孔徑性能。進(jìn)一步來說,封裝技術(shù)又對冷卻性能和密度有重要影響。

砷化鎵MMIC是實(shí)現(xiàn)S及以上頻段AESA的關(guān)鍵技術(shù),也是L波段AESA率先進(jìn)入機(jī)載應(yīng)用的關(guān)鍵,因?yàn)檫@類器件與晶體管的特征頻率性能基本無關(guān)。盡管材料的載流子遷移率較優(yōu),但砷化鎵基片的熱性能較差,這也是長期困擾AESA技術(shù)發(fā)展的一個(gè)問題,也是推廣鍺化硅(SiGe)、氮化鎵(GaN)等熱特性更優(yōu)的材料的強(qiáng)大推動(dòng)力。自首部X波段AESA驗(yàn)證機(jī)問世以來,封裝技術(shù)也取得了長足發(fā)展。陣列設(shè)計(jì)理論規(guī)定陣元間距為半個(gè)波長或更短,這樣隨著頻率的升高,密度的挑戰(zhàn)也隨之增大。目前陣面上的功率密度基準(zhǔn)已超過4瓦/平方厘米。

美國早期的X波段AESA設(shè)計(jì)和俄羅斯當(dāng)前的設(shè)計(jì)均采用“條狀”或“四芯組件”封裝設(shè)計(jì)的T/R模塊。這種方法會(huì)持續(xù)產(chǎn)生生產(chǎn)可重復(fù)性問題,因?yàn)槿我煌ǖ莱霈F(xiàn)瑕疵,都需要對整個(gè)“條狀”或“四芯組件”模塊進(jìn)行再加工。目前美國和歐盟的AESA采用“單通道”法設(shè)計(jì),其中每個(gè)單元采用一組垂直于天線陣面的器件(“瓦片”法)。雖然與PESA相比,AESA不必處理較高的功率電平,但是底板饋電網(wǎng)絡(luò)也會(huì)帶來設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),尤其在損耗和帶寬方面。在X波段設(shè)計(jì)中,饋電網(wǎng)絡(luò)也許會(huì)變得更復(fù)雜,因?yàn)樾枰獎(jiǎng)澐株嚵薪讉€(gè)相位中心,實(shí)現(xiàn)雙平面單脈沖跟蹤或地面動(dòng)目標(biāo)指示偏置相位中心(DPCA)。

AESA中一個(gè)獨(dú)立的通道或單元必須包含用于接收路徑的低噪放(LNA)、功放、移相器、阻抗匹配、低插損連接、增益控制單元、RF緩沖放大器(如果需要)和數(shù)字電路(需要用來將增益和相位參數(shù)鎖存到T/R模塊移相器和增益控制器件)。現(xiàn)代AESA的T/R模塊還包括健康監(jiān)測、機(jī)內(nèi)自檢和校準(zhǔn)電路。

必須將T/R模塊內(nèi)半導(dǎo)體器件的熱量導(dǎo)出模塊,并通過冷卻系統(tǒng)導(dǎo)出天線。X波段AESA多采用聚烯烴合成油(Poly-Alpha-Olefin,一種先進(jìn)的冷卻材料),將熱導(dǎo)入飛機(jī)燃油內(nèi)或通過熱交換器導(dǎo)入周圍空氣中。

在分析AESA技術(shù)的未來發(fā)展趨勢時(shí),一方面要考慮到先進(jìn)的RF器件材料和工藝的發(fā)展,另一方面要考慮到利用影印法制造的數(shù)字器件的密度呈指數(shù)級增長的趨勢。美國雷達(dá)專家布魯克內(nèi)爾(Brookner)最近指出AESA在器件和材料技術(shù)方面的發(fā)展趨勢如下:

(1)陣列將采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)移相器;

(2)24吉赫茲低成本相控陣汽車?yán)走_(dá)的廣泛使用將不斷降低T/R模塊的成本和體積;

(3)基于1個(gè)獨(dú)立的鍺化硅/雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(BiCMOS)芯片可實(shí)現(xiàn)8~32個(gè)陣元陣列用的超大規(guī)模MMIC電路;

(4)利用氮化鎵技術(shù)提供10倍功率和更高的效率,利用一個(gè)獨(dú)立的晶體管組件提供超過1000瓦的峰值功率;

(5)基于硅的低成本鍺化硅芯片;

(6)普渡大學(xué)開發(fā)的低成本S波段雙板氮化鎵數(shù)字陣列雷達(dá),帶寬為700兆赫茲,每個(gè)陣元的峰值功率為25瓦,通過采用電磁帶隙(EBG)材料,增大天線陣元之間的隔離度,降互低藕,獲得寬角掃描,未來可能取消環(huán)形器;

(7)瞬時(shí)帶寬從10:1到30:1的陣列;

(8)通過改善A/D線性度,減少互調(diào),使接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍提高20分貝;

(9)在無源天線器件中采用金屬材料;

(10)開發(fā)互聯(lián)用的三維微加工技術(shù)。

密度呈指數(shù)級增長是數(shù)字領(lǐng)域發(fā)展的顯著特點(diǎn)之一,但在射頻器件中并非那么突出,原因在于阻抗匹配的阻礙和模擬器件的需求。技術(shù)的進(jìn)步,尤其是并行處理計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展可提供執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算的冗余能力將對雷達(dá)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。通用圖形處理單元芯片的內(nèi)存帶寬目前已超過100吉比特/秒,單個(gè)芯片通常能夠提供超過500個(gè)流水線節(jié)拍的浮點(diǎn)優(yōu)化處理核。隨著這種技術(shù)繼續(xù)發(fā)展,將產(chǎn)生更多的處理核,提供更大的內(nèi)存帶寬,使一些信號(hào)/數(shù)據(jù)處理算法得以實(shí)時(shí)應(yīng)用。

總之,隨著MMIC材料和制造技術(shù)持續(xù)發(fā)展,封裝技術(shù)的進(jìn)步和數(shù)字電路的指數(shù)級增長,這些都將為未來AESA設(shè)計(jì)開辟更多新的可能性,創(chuàng)造更多的機(jī)會(huì)。

作者:黃鶴何曉晴原載《現(xiàn)代軍事》

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