中國相控陣雷達重大突破，一文帶你了解其工作原理及類型

2017-05-02  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

中國電科(CETC)第五十五研究所(NEDI)所重點實驗室張凱博士近日發(fā)表在國際半導體器件權(quán)威期刊《IEEE Electron DeviceLetters》上的論文《High-Linearity AlGaN/GaN FinFETs for Microwave Power Applications》即《三維鰭式GaN高線性微波功率器件》被國際半導體行業(yè)著名雜志《Semiconductor Today》進行專欄報道,受到國內(nèi)外業(yè)界關注。

《Semiconductor Today》報道截圖

一

中國相控陣雷達組件重大突破

張博士的論文聚焦重點實驗室近期在GaN高線性技術(shù)方面獲得的多個重要突破,創(chuàng)新提出三維GaN FinFET微波功率器件,克服了GaN平面器件瓶頸,極大改善了跨導平整度,大幅提升GaN器件線性度,同時維持高的輸出功率和效率,為下一代移動通信高性能元器件奠定基礎。本成果也是首次展示GaN三維器件相對于二維器件在微波功率應用的優(yōu)勢與潛力,有力推動了GaN三維器件的實用化進程。該成果研制過程中得到國家自然科學基金、預研基金等課題的支持。

NEDI提出的高線性GaN FinFET器件以及跨導特性

(SemiconductorToday是總部位于英國具有獨立性和非盈利性的國際半導體行業(yè)著名雜志和網(wǎng)站,專注于報道化合物半導體和先進硅半導體的重要研究進展和最新行業(yè)動態(tài),具有很強的行業(yè)影響力。)

影響相控陣雷達的除了雷達基礎結(jié)構(gòu)設計之外,作為最前端負責無線電收發(fā)的T/R組件性能對雷達整體性能的影響也是非常大的。目前國際主流的T/R組件類型有砷化鎵和氮化鎵兩種,其中氮化鎵是近幾年才出現(xiàn)的新興事物,不光應用于雷達射頻等設備,無線電通信也非常需要高性能的氮化鎵半導體組件。

KLJ-7A相控陣雷達,安裝有多達1000多個T/R組件

然而由于材料特性等原因,作為新生事物氮化鎵T/R組件會出現(xiàn)一些原先所沒有遇到過的問題。除了采用金剛石作為襯底材料來改善熱傳導性能,降低組件功耗之外,三維GaN FinFET的應用可以說是另辟蹊徑。

在當前半導體行業(yè)開始推進各種三維結(jié)構(gòu)芯片的潮流下,引入三維結(jié)構(gòu),將GaN二維器件改進成三維結(jié)構(gòu),可以說是一大創(chuàng)新。簡單的說,一樣的功耗,體積的T/R組件,將能提供出更精確的雷達波形和更高的射頻功率,在不增加外部能耗需求的情況下,進一步提高雷達基本性能。

二

相控陣雷達工作原理及類型簡介

我們知道,蜻蜓的每只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范圍要比人眼大得多。與此類似,相控陣雷達的天線陣面也由許多個輻射單元和接收單元(稱為陣元)組成,單元數(shù)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(guī)則地排列在平面上,構(gòu)成陣列天線。利用電磁波相干原理,通過計算機控制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(shù)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。

相控陣雷達的優(yōu)點:

(1)波束指向靈活,能實現(xiàn)無慣性快速掃描,數(shù)據(jù)率高;

(2)一個雷達可同時形成多個獨立波束,分別實現(xiàn)搜索、識別、跟蹤、制導、無源探測等多種功能;

(3)目標容量大,可在空域內(nèi)同時監(jiān)視、跟蹤數(shù)百個目標;

(4)對復雜目標環(huán)境的適應能力強;

(5)抗干擾性能好。全固態(tài)相控陣雷達的可靠性高,即使少量組件失效仍能正常工作。

但相控陣雷達設備復雜、造價昂貴,且波束掃描范圍有限,最大掃描角為90°~120°。當需要進行全方位監(jiān)視時,需配置3~4個天線陣面。

傳統(tǒng)機械式雷達通過不停轉(zhuǎn)動來掃描目標

相控陣雷達與機械掃描雷達相比,掃描更靈活、性能更可*、抗干擾能力更強,能快速適應戰(zhàn)場條件的變化。多功能相控陣雷達已廣泛用于地面遠程預警系統(tǒng)、機載和艦載防空系統(tǒng)、機載和艦載系統(tǒng)、炮位測量、靶場測量等。美國“愛國者”防空系統(tǒng)的AN/MPQ-53雷達、艦載“宙斯盾”指揮控制系統(tǒng)中的雷達、B-1B轟炸機上的APQ-164雷達、俄羅斯C-300防空武器系統(tǒng)的多功能雷達等都是典型的相控陣雷達。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,固體有源相控陣雷達得到了廣泛應用,是新一代的戰(zhàn)術(shù)防空、監(jiān)視、火控雷達。

相控陣雷達有多神?

“宙斯盾”系統(tǒng)的核心就是SPY—1D相控陣雷達,特別是它出眾的預警搜索能力和識別能力,仿佛給妄圖“獨立”的臺灣新領導人一根救命稻草,一把夢幻的保護傘,而相控陣雷達又再一次走進國人的視線中。說到相控陣雷達或技術(shù),大家可能很陌生,但如果說起去年美國軍方關于中國如何監(jiān)測其隱型戰(zhàn)斗機的報道,大家可能就清楚了。用一大串電視接收天線來監(jiān)視天空,經(jīng)濟又有效,這就是最原始、最基礎的雷達,相控陣雷達。

下面談一談雷達和相控陣雷達的發(fā)展情況。

1、雷達及其分類

雷達(Radar,即 radio detecting and ranging),意為無線電搜索和測距。它是運用各種無線電定位方法,探測、識別各種目標,測定目標坐標和其它情報的裝置。在現(xiàn)代軍事和生產(chǎn)中,雷達的作用越來越顯示其重要性,特別是第二次世界大戰(zhàn),英國空軍和納粹德國空軍的“不列顛”空戰(zhàn),使雷達的重要性顯露的非常清楚。雷達由天線系統(tǒng)、發(fā)射裝置、接收裝置、防干擾設備、顯示器、信號處理器、電源等組成。其中,天線是雷達實現(xiàn)大空域、多功能、多目標的技術(shù)關鍵之一;信號處理器是雷達具有多功能能力的核心組件之 雷達種類很多,可按多種方法分類:

(1)按定位方法可分為:有源雷達、半有源雷達和無源雷達。

(2)按裝設地點可分為;地面雷達、艦載雷達、航空雷達、衛(wèi)星雷達等。

(3)按輻射種類可分為:脈沖雷達和連續(xù)波雷達。

(4)按工作被長波段可分:米波雷達、分米波雷達、厘米波雷達和其它波段雷達。

(5)按用途可分為:目標探測雷達、偵察雷達、武器控制雷達、飛行保障雷達、氣象雷達、導航雷達等。

相控陣雷達是一種新型的有源電掃陣列多功能雷達。它不但具有傳統(tǒng)雷達的功能,而且具有其它射頻功能。有源電掃陣列的最重要的特點是能直接向空中輻射和接收射頻能量。它與機械掃描天線系統(tǒng)相比,有許多顯著的優(yōu)點。例如、相控陣省略了整個天線驅(qū)動系統(tǒng),其中個別部件發(fā)生故障時,仍保持較高的可*性,平均無故障時間為10萬小時,而機械掃描雷達天線的平均無故障時間小于1000小時。下面主要介紹先進的相控陣雷達。

2、相控陣雷達的概況

相控陣技術(shù),早在30年代后期就已經(jīng)出現(xiàn)。1937年,美國首先開始這項研究工作。但一直到50年代中期才研制出2部實用型艦載相控陣雷達。60年代,美國和前蘇聯(lián)相繼研制和裝備了多部相控陣雷達,多用于彈道導彈防御系統(tǒng),如美國的AN/FPS-46、AN/FPS-85、MAR、MSR,前蘇聯(lián)的“雞籠”和“狗窩”等。這些都屬于固定式大型相控陣雷達,其共同點:采用固定式平面陣天線,天線體積大、輻射功率高、作用距離遠。其中美國的AN/FPS-85和前蘇聯(lián)的“狗窩”最為典型,70年代,相控陣雷達得到了迅速發(fā)展,除美蘇兩國外,又有很多國家研制和裝備了相控陣雷達,如英、法、日、意、德、瑞典等。其中最為典型的有:美國的AN/TPN-25 、AN/TPQ-37和GE-592、英國的AR-3D、法國的AN/TPN-25、日本的NPM-510和J/NPQ-P7、意大利的RAT-31S、德國的KR-75等。這一時期的相控陣雷達具有機動性高、天線小型化、天線掃描體制多樣化、應用范圍廣等特點。80年代,相控陣雷達由于具有很多獨特的優(yōu)點,得到了更進一步的應用。在已裝備和正在研制的新一代中、遠程防空導彈武器系統(tǒng)中多采用多功能相控陣雷達,它已成為第三代中、遠程防空導彈武器系統(tǒng)的一個重要標志。從而,大大提高了防空導彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能。在21世紀,相控陣雷達隨著科技的不斷發(fā)展和現(xiàn)代戰(zhàn)爭兵器的特點,其制造和研究將會更上一層樓。

3、相控陣原理

相控陣,就是由許多輻射單元排成陣列形式構(gòu)成的走向天線,各單元之間的輻射能量和相位關是可以控制的。典型的相控陣是利用電子計算機控制移相器改變天線孔徑上的相位分布來實現(xiàn)波束在空間掃描,即電子掃描,簡稱電掃。相位控制可采用相位法、實時法、頻率法和電子饋電開關法。在一維上排列若干輻射單元即為線陣,在兩維上排列若干輻射單元稱為平面陣。輻射單元也可以排列在曲線上或曲面上.這種天線稱為共形陣天線。共形陣天線可以克服線陣和平面陣掃描角小的缺點,能以一部天線實現(xiàn)全空域電掃。通常的共形陣天線有環(huán)形陣、圓面陣、圓錐面陣、圓柱面陣、半球面陣等。綜上所述,相控陣雷達因其天線為相控陣型而得名。

雷達探測目標距離的原理:雷達波從發(fā)射到從目標返回的總時間,乘上光速,等于目標距離的兩倍。

相控陣雷達有相當密集的天線陣列,在傳統(tǒng)雷達天線面的面積上目前可安裝一千多到兩千多個相控陣天線 (F-22約有2000個),任何一個天線都可收發(fā)雷達波,而相鄰的數(shù)個天線即具有一個雷達的功能。掃描時,選定其中一個區(qū)塊(數(shù)個天線單元)或數(shù)個區(qū)塊對單一目標或區(qū)域進行掃描,因此整個雷達可同時對許多目標或區(qū)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制而不必由機械轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)射窄波束,因而也可充當電戰(zhàn)天線使用,如電磁干擾甚至是構(gòu)想中發(fā)射反相位雷達波來抵消探測電波等。

以一個線型光控相控陣天線陣面為例進行理論分析,如圖1所示。其陣元間距為d=半波長,8個天線單元為一個子陣,每個子陣由一個OTTD進行延時補償。

4、相控陣雷達分類

相控陣雷達大體可分為兩大類,即全電掃相控陣和有限電掃相控陣。全電掃相控陣又可稱固定式相控陣,即在方位上和仰角上都采用電掃,天線陣是固定不動的。有限電掃相控陣是一種混合設計的天線,即把兩種以上天線技術(shù)結(jié)合起來,以獲得所需要的效果,起初把相掃技術(shù)與反射面天線技術(shù)相結(jié)合,其電掃角度小,只需少量的輻射單元,因此可大大降低設備造價和復雜程度。

方向動畫示意圖

天線陣,根據(jù)掃描情況可分為相掃、頻掃、相/相掃、相/頻掃、機/相掃、機/頻掃、有限掃等多種體制。相掃系列利用移相器改變相位關系來實現(xiàn)波束電掃。頻掃是利用改變工作頻率的方法來實現(xiàn)波束電掃。相/相掃是利用移相器控制平面陣兩個角坐標實現(xiàn)波束電掃。相/頻掃是利用移相器控制平面陣一個坐標而另一坐標利用頻率變化控制來實現(xiàn)波束電掃.機/相掃是在方位上采用機掃、仰角上采用相掃。機/頻掃是在方位上采用機掃、仰角上采用頻掃。

5、相控陣雷達的特點

相控陣雷達之所以具有強大的生命力,因為它優(yōu)勝于一般機械掃描雷達。它具有以下特點:

(1)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(xiàn)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,并能同時制導多枚導彈攻擊多個空中目標。因此,適用于多目標、多方向、多層次空襲的作戰(zhàn)環(huán)境。

(2)功能多,機動性強。相控陣雷達能夠同時形成多個獨立控制的波束,分別用以執(zhí)行搜索、探測、識別、跟蹤、照射目標和跟蹤、制導導彈等多種功能。一部相控陣雷達能起到多部專用雷達的作用,如“愛國者”的一部多功能相控陣雷達可以完成相當于“霍克”和“奈基”-2型9部雷達的功能,而且還遠比它們能夠同時對付的目標多。因此,可大大減少武器系統(tǒng)的設備,從而提高系統(tǒng)的機動能力。

(3)反應時間短、數(shù)據(jù)率高。相控陣雷達可不需要天線驅(qū)動系統(tǒng),波束指向靈活,能實現(xiàn)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(shù)據(jù)率。相控陣天線通常采用數(shù)字化工作方式,使雷達與數(shù)字計算機結(jié)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(fā)控準備時間,便于快速、準確地實施畦達程序和數(shù)據(jù)處理。因而可提高跟蹤空中高速機動目標的能力。

(4)抗干擾能力強。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,并能合理地管理能量和控制主瓣增益,可以根據(jù)不同方向上的需要分配不同的發(fā)射能量,易于實現(xiàn)自適應旁瓣抑制和自適應抗各種干擾,有利于發(fā)現(xiàn)遠離目標和小雷達反射面目標(如隱形飛機),還可提高抗反輻射導彈的能力。

(5)可靠性高。相控陣雷達的陣列組較多,且并聯(lián)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(tài)器件的發(fā)展,格控陣雷達的固態(tài)器件越來越多,甚至已生產(chǎn)出全固態(tài)兒控陣雷達,如美國的?！皭蹏摺崩走_,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。

當然,相控陣雷達不是十全十美的,也有其缺點。主要是造價貴,典型的相控陣雷達比一般雷達的造價要高出若干倍。此外,相控陣雷達對于短程彈道導彈的襲擊可以說是無能為力,這也是美國及臺灣為什么擔心大陸方面在福建沿海部署東風導彈的原因。而1991年,海灣戰(zhàn)爭期間,伊拉克用“飛毛腿”導彈襲擊以色列的時候,其“愛國者”導彈根本無法有效將其擊落,何況短短的臺灣海峽呢?

三

“薩德”反導系統(tǒng)相控雷達

1 薩德的組成和工作原理

薩德系統(tǒng)主要由四大部分組成:①雷達,②火控系統(tǒng),③發(fā)射車,④攔截器。

工作原理分為四大步驟:

1)雷達探測到導彈來襲。

2)指揮和火控系統(tǒng)確認并鎖定目標。

3)發(fā)射車發(fā)射攔截彈。

4)攔截導彈在空中摧毀來襲導彈。

薩德系統(tǒng)主要有兩套核心組件:攔截彈和雷達系統(tǒng)。

作為一枚通信汪,我更關注的是那個用來探測和跟蹤目標的雷達系統(tǒng),就是被稱為薩德系統(tǒng)的眼睛的AN/TPY-2相控陣雷達。也有人認為真正對中國最大的威脅是這個相控陣雷達。

相控陣雷達采用的正是相控陣天線技術(shù),也是今天4.5G Massive MIMO作為民用之一采用的技術(shù),同時未來5G相控陣基站將成為主流。

2 AN/TPY-2雷達系統(tǒng)

AN/TPY-2雷達系統(tǒng)工作在X波段(9.5GHz),天線陣面積為9.2平方米,安裝有25344個(有人說30464個)天線單元,采用數(shù)字波束形成(DigitalBeamForming,DBF)處理器。方位角機械轉(zhuǎn)動范圍-178°~+178°,俯仰角機械轉(zhuǎn)動范圍0°~90°,但天線的電掃范圍,俯仰角及方位角均為0°~50°。

AN/TPY-2可以實現(xiàn)從探測、搜索、追蹤、目標識別等多功能任務為一體,據(jù)有關報道稱,其探測的距離最遠可達2000公里,基本上大半個中國都在它的覆蓋之下。它使用的窄波束,稱可精確評估目標彈頭的預計位置,并識別假彈頭。

AN/TPY-2雷達系統(tǒng)的組成主要分為如下圖的5大部分:

1)相控陣天線

2)電子設備單元(車)

3)1兆瓦的主電源單元(車)

4)冷卻設備單元(車),主要為天線陣列提供冷卻

5)操作控制車,內(nèi)置可操作、維護和通信監(jiān)控的操作控制臺(使用自有的供電系統(tǒng))

▲AN/TPY-2雷達

▲相控陣天線設備

▲AN/TPY-2雷達系統(tǒng)組成

電子設備車是一種模塊化、一體化的拖車,車箱配備核生化防護能力及環(huán)境控制裝置的密閉保護罩。主要設備有:2臺用于數(shù)據(jù)處理的VAX7000計算機、4臺MP2大規(guī)模并行信號處理機,以及接收機/激勵器、檢測目標發(fā)生器和高速記錄儀等。MP2處理機是大規(guī)模并行處理技術(shù)的首次軍事應用,用途是頻譜分析、脈沖壓縮與連續(xù)探測,以及對來自接收機的數(shù)字化雷達回波抽樣進行初步圖像處理。VAX7000計算機負責實際作戰(zhàn)任務的計算,任務前與任務后的數(shù)據(jù)處理等。

電源設備車由1臺內(nèi)燃機、1臺交流發(fā)電機、1個控制盤、1個轉(zhuǎn)換開關組成,能提供1.1兆瓦的電力。

冷卻設備車是1個長12米、重16.3噸的封閉式拖車,車內(nèi)裝有供天線冷卻用的液體冷卻設備和為天線及電子設備提供電力分配的裝置。

▲冷卻設備單元

▲AN/TPY-2雷達和冷卻設備單元

操作控制車是一個單獨的系統(tǒng),可保證操作人員監(jiān)視雷達跟蹤效果以及與外部的通信,有獨立的電力系統(tǒng)。部署時其功能可以并入雷達系統(tǒng)。

系統(tǒng)之間的通信連接采用光纖數(shù)據(jù)鏈路。整套系統(tǒng)和組件共需2.1兆瓦的功率來工作。

▲操作控制車

▲內(nèi)部操作控制臺

▲操作控制車內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

四

有源相陣控雷達和無源相陣控雷達區(qū)別

有源相陣控雷達和無源相陣控雷達的區(qū)別是就是無源是只有單個或者幾個發(fā)射機子陣原只能接收,而有源是每個陣原都有完整的發(fā)射和接收單元

區(qū)別就是無源是只有單個或者幾個發(fā)射機子陣原只能接收,而有源是每個陣原都有完整的發(fā)射和接收單元!機載雷達經(jīng)歷了從機械掃描形式到相控陣電子掃描,再到最新的保形"智能蒙皮"天線的發(fā)展過程,電子掃描雷達在作戰(zhàn)使用中的優(yōu)勢在哪里?未來的綜合式射頻(RF)傳感器系統(tǒng)的總體特點和關鍵技術(shù)是哪些?

近50多年來,機載雷達不斷采用新的技術(shù)成果,性能不斷提高,其中重要的有全向多脈沖射頻(MPRF)模式和高分辨率多普勒波束銳化(DBS)技術(shù)在雷達中的實際應用。目前,由于在信號處理和砷化鎵微波集成電路領域技術(shù)的進步,雷達作為戰(zhàn)術(shù)飛機主傳感器的地位仍然會繼續(xù)保持下去。有源ESA的出現(xiàn)是技術(shù)上的又一進步。它的每一個陣元中都有一個RF發(fā)射機和靈敏的RF接收機,在各個發(fā)射/接收(T/R)模塊內(nèi)都有一個功率放大器、一個低噪聲放大器和用砷化鎵技術(shù)制造的相位振幅控制裝置。有源ESA雷達技術(shù)放棄了傳統(tǒng)的中心式高功率發(fā)射機,除了具有無源相控陣雷達的優(yōu)點外,還提高了能量的使用效率并具有自適應波束控制、強抗干擾能力和高可*性等優(yōu)點。

西方國家第一代有源相控陣雷達系統(tǒng)接近定型的有美國裝備F-22和日本裝備FS-X的雷達。英、法和德國共同研制的AMSAR項目也確定使用先進的有源相控陣雷達技術(shù),為其后續(xù)的歐洲戰(zhàn)斗機雷達的升級改裝做準備。從今天的角度來看,雷達技術(shù)未來的下一個發(fā)展方向是保形"智能蒙皮"陣列,它把有源ESA技術(shù)和多功能共用RF孔徑結(jié)合了起來,在天線陣元的安排上,與飛機機身的結(jié)構(gòu)巧妙地配合,實現(xiàn)寬波段和多功能。保形天線陣列有高性能的處理器并使用空-時自適應處理技術(shù)有效地抑制了外部的噪聲、干擾和雜波并能以最優(yōu)化的方式來探測所感興趣的目標。雖然有許多相關的技術(shù)問題需要解決,但保形"智能蒙皮"技術(shù)并非是個不切實際的解決方案,預計在20~25年的時間內(nèi)就可以達到實用階段。

在10~15年內(nèi),對戰(zhàn)術(shù)飛機射頻傳感器(包括雷達)未來所執(zhí)行的任務來說,最迫切的需要是增加功能、提高性能,并且還要注重經(jīng)濟性和可維護性。美國的"寶石路"計劃已經(jīng)證明,航空電子系統(tǒng)通過采用通用模塊、資源共享和傳感器的空間重構(gòu)(重構(gòu)的設備包括雷達、電子戰(zhàn)及通信-導航-識別等射頻傳感器)可以做到系統(tǒng)的造價和重量減小一半,而可靠性提高三倍。它所確立的綜合模塊化航空電子的設計原則已用于JSF戰(zhàn)斗機的綜合傳感器系統(tǒng)(ISS)和多重綜合式射頻傳感器工程的設計中,歐洲類似的用于未來戰(zhàn)術(shù)飛機的綜合式射頻傳感器項目也正在實施。

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