機載有源相控陣預警雷達及應用

摘 要:基于日益復雜的現代戰場環境對預警機所帶來的挑戰，將有源相控陣雷達裝備于預警機是一個提高預警機性能的有效途徑。對相控陣雷達原理做了簡要介紹，通過總結和分析有源相控陣雷達的特點，列舉有源相控陣雷達在國外預警機上的應用實例和相關參數，指出機載有源相控陣預警雷達使預警機在時間能量管理、掃描跟蹤速度、多目標處理能力、測量精度、抗干擾能力以及可靠性等方面都有了根本性的改善，可有效提高預警機現代戰場上的生存能力和作戰效能。

關鍵詞:機載預警雷達; 有源相控陣; 雷達原理; 雷達特點; 應用實例

中圖分類號:TN959-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0020-03

Airborne Active Phased-array Early-warning Radar and Its Application

KONG Ting1，2，GONG Fang2，XIE Yan-hong1，ZHANG Yuan-yuan1

(1. Teaching and Research Department， Naval Flying College， Huludao 125001， China;

2. College of Information and Communication Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China)

Abstract: Based on the fact that the early-warning aircraft is challenged by the increasingly complex environment of the modern battlefield， it is an effective way to equip the early-warning aircraft with the active phased-array radar so as to improve it performance. Therefore， the principle of the phased-array radar isintroduced briefly.By summarizing and analyzing the characteristics of the active phased-array radar， and citing the applications of active phased array radar on early-warning aircraft in foreign countries and relevant parameters， it is pointed out that the airborne active phased-array early-warning radar can fundamentally improve the performance of the early-warning aircraft， such as time-energy management， scanning-tracking speed， multi-target handling capacity， detection accuracy， anti-jamming capability， reliability and so on. It can eventually embody the effective improvement of the survivability and fighting efficiency of early-warning aircraft in the modern battlefield.

Keywords: AEW radar; active phased array; radar principle; radar characteristic; application instance

0 引 言

海灣戰爭和科索沃戰爭表明，制空權是贏得現代高技術局部戰爭最后勝利的關鍵因素。預警機是裝有遠距離搜索警戒雷達(又叫預警雷達)、敵我識別/二次雷達、電子對抗、通信和導航、綜合顯控及指揮控制等完善的電子設備，用于搜索、監視、跟蹤和識別空中和海上目標的作戰支援飛機。現代預警機不僅能及早地發現和監視從300 ~600 km以外各個空域入侵的空中目標，而且還能引導和指揮已方戰斗機進行攔截，所以又稱預警指揮機，它是空中的指揮所，是現代高技術局部戰爭中爭奪制空權的重要手段之一。預警機系統的核心是機載預警(AEW)雷達，它是預警機最重要的傳感器和情報來源，這種雷達以高空飛行的飛機為平臺，克服了地球曲率的影響，具有可視距離遠、可檢測遠程低空飛行目標的優點，同時還具有很強的機動靈活性。正是由于預警機的強大功能，也使得它成為現代高技術局部戰爭中的重點進攻目標之一[1-2]。隨著現代戰爭戰場環境的不斷變化，預警機也面臨著反輻射導彈、隱身目標、超低空突防、綜合電子干擾以及多方向、多批次、大密度飽和攻擊的威脅。為此，20世紀90年代以來，一些國家在新一代預警機當中采用了功能更為強大的有源相控陣雷達[3]，以期全面提高機載預警雷達的戰術和技術性能，增強預警機在現代戰場上的生存能力和作戰效能。

1 相控陣雷達原理

“相控陣”，即“相位控制陣列”的簡稱。就是由許多輻射單元排成陣列形式構成的走向天線，各單元之間的輻射能量和相位是可以控制的。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各輻射單元的電流間的相位關系來實現波束在空間掃描，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[4]。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，能以一部天線實現全空域電掃。通常的共形陣天線有環形陣、圓面陣、圓錐面陣、圓柱面陣、半球面陣等[5]。綜上所述，相控陣雷達因其天線為相控陣型而得名。

相控陣體制有兩種實現形式，一種是無源相控陣，一種是有源相控陣。無源相控陣由雷達發射機統一饋電，波束掃描由位于輻射單元后的移相器控制。而有源相控陣則把功率放大單元、雙工器、低噪聲放大器前端移相器等都集成在位于輻射單元后的收/發(T/R)組件中，這樣，波束的掃描(包括功率輻射的幅度與相位)由T/R組件控制。相比于無源相控陣，有源相控陣在功率管理上更具靈活性，且由于采用了集成電路，其損耗更小，可靠性更高。隨著固態有源器件的發展，有源相控陣技術近幾年得到了迅速的發展，并在現代雷達中得到了更加廣泛的應用，成為提高雷達在惡劣電磁環境下對付快速、機動及隱身目標的一項關鍵技術。

2 有源相控陣雷達的特點

有源相控陣雷達的特點如下:

(1) 掃描速度快，波束靈活可控，能對付多目標

機械掃描速度一般為6 r/min，即每秒36°。而相控陣雷達利用電子掃描無慣性的特點，與電子計算機相配合，形成多個獨立波束，分時或同時實現多功能，完成對不同方向、不同高度的多批目標的搜索、探測和跟蹤。這樣，一部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，特別適用于多目標、多方向、多層次空襲的作戰環境[6]。

(2) 探測距離遠

由于T/R單元緊靠天線，有源相控陣雷達收、發支路的損耗要比機械掃描雷達的小4~6 dB[7];相掃天線能充分利用機上空間使天線增益相對變大;另外，隨著固態功率器件的發展，分布式發射機提供了加大總發射功率的潛力。這一切使得有源相控陣雷達的探測距離提高了40%以上。

(3) 反應時間短、數據率高

由于相控陣雷達可以實現無慣性快速靈活的掃描，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，便于快速、準確地實施雷達程序和數據處理。因而可提高跟蹤空中高速機動目標的能力。

(4) 改善了載機的隱身能力

雷達天線的口徑面是載機雷達截面積(RCS)的一個重要貢獻成分。在機械掃描情況下，波束隨動于天線，這樣，轉動的天線的口徑面增大了對敵方的雷達發現載機的距離和概率。而相控陣天線在波束運動過程中，相控陣天線口面不動，從而減小了敵方雷達發射的電磁波在天線口徑面上的鏡面反射沿原路返回而被敵方雷達截獲的可能，改善了載機的隱身能力[8]。

(5) 被截獲概率低，抗干擾能力強

固態有源相控陣雷達的固態發射機可以實現瞬時開關，易于進行功率管理，在搜索與跟蹤目標時方便采用間斷照射方式，有利于降低雷達信號的被截獲概率;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，并合理地管理能量和控制主瓣增益，根據不同方向上的需要分配不同的發射能量，易于實現自適應旁瓣抑制和自適應抗各種干擾，有利于發現遠距離目標和小雷達截面積的目標(如隱形飛機)，還可以提高抗反輻射導彈的能力。

(6) 易于實現共形相控陣雷達天線

有源相控陣天線陣列易于與雷達載機的復雜表面共形，因此，相對于其他安裝形式而言，這種共形天線對載機的氣動性能影響最小，并可最大限度地利用載機表面，獲得更大的天線面積，這對于提高雷達的探測能力和精度大有益處[9]，因此，被認為是未來雷達天線所應普遍采用的形式[10]。同時，共形天線如果設計得當，還可有效降低載機的RCS，減小載機被敵方雷達探測的距離。

(7) 高可靠性

有源相控陣天線的T/R單元成百上千，其平均無故障時間可高達20萬小時以上，即使少量單元失效，也不會影響整個系統的工作;分布式發射機代替集中發射機，降低了系統對單點故障的敏感度，同時可避開集中發射機內高壓高功率的問題，以電掃取代機械掃描。這些優點使其可靠性成數量級地提高。

3 機載有源相控陣預警雷達的典型應用

目前，國外機載有源相控陣預警雷達的應用及其主要參數如表1所示。從中可以看出，有源相控陣雷達天線在預警機上主要有三種安裝形式:共形陣、背鰭式、背負圓罩式[11]。下面結合這三種安裝形式對機載有源相控陣預警雷達的典型應用進行介紹。

3.1 共形陣的典型應用——“Phalcon”系統

以色列研制的“Phalcon系統”是世界上第一架使用有源相控陣雷達的預警機，于1993年巴黎航空展中第一次公開展示，是當今全球最為先進的機載預警與控制系統(AWACS)之一[12]。 “Phalcon”是“Phase Array L-band Conformal(L波段共形相位陣列)”的縮寫，中文譯為“費爾康”。載機為波音公司707-300C，裝備以色列飛機工業公司(IAI)下屬的Elta公司研制的EL/lM-2075有源相控陣預警雷達[13]，可用于空中預警與控制、空中和地面目標戰術監視和情報收集。該雷達有6個天線陣面覆蓋360°方位，總共1 472個T/R模塊:機身兩旁各配備1部10 m×2 m的長方形陣列，機頭配備1部直徑為2.9 m的圓形陣列，這3個陣面采用“共形陣”形式安裝，覆蓋280°的方位;在機身后側加裝2部6.7×2 m的天線陣面，機尾加裝1部小的天線陣面，以彌補剩余的方位盲區。該雷達在方位、俯仰上均采用相控陣掃描方式。由于采用電掃的工作方式，雷達天線能夠在瞬間改變波束指向，跟蹤啟動時間為2~4 s(旋轉式機械掃描雷達需要20~40 s)。EL/M-2075有源相控陣雷達能夠同時跟蹤100個目標，對戰斗機目標的探測距離可達370 km，對直升機的探測距離可達180 km。由于天線固定，系統的任務可靠性也得到了大幅提高。

表1 國外機載有源相控陣預警雷達的應用及其主要參數

機型IAI Phalcon/Condor 707SaabS-100B Argus

Embraer EMB-145SABoeing E-737Raytheon/E System A310 AEW

研制國家以色列瑞典巴西/瑞典美國美國/以色列

配備預警雷達

型式Elta EL/2075Ericsson PS-890 ErieyeEricsson PS-890 ErieyeNorthrop-Grumman MESAElta EL/2075

波段LSL

天線安裝形式共形陣背鰭式背負圓罩式

波束掃描方式方位、俯仰二維相掃方位一維相掃，俯仰不掃描方位、俯仰二維相掃方位、俯仰二維相掃

探測距離370 km(戰斗機)180 km(直升機)300 km(戰斗機)100 km(巡航導彈)370 km對空目標不少于352 km

威力覆蓋方位360°方位左右各120°俯仰波束覆蓋10°方位360°方位360°

測高能力有無有有

目標處理能力同時跟蹤100個目標同時跟蹤300個目標3 000不詳

服役時間199519972002未服役未服役

服役單位智利空軍瑞典空軍巴西/瑞典空軍澳大利亞/土耳其空軍不詳

3.2 背鰭式的典型應用——Saab-340，EMB-145，E-737

瑞典空軍的Saab-340預警機和巴西空軍的EMB-145預警機是在以色列“費爾康”系統之后推出的兩款新型的預警機，它們裝備的機載預警雷達都是瑞典Erisson公司開發的Erieye(愛立眼)有源相控陣雷達，編號PS-890。該雷達工作在S波段。2個背對背配置的雷達天線(8 m×0.6 m)安置在機身上方的長條形雷達天線罩內，外觀類似魚背鰭(或平衡木)，并因此而得名。該雷達天線共有固態收發組件192個。每個天線可覆蓋機身兩側各120°的方位，所以在前后各有60°的雷達盲區;仰角上不掃描，由波束覆蓋10°范圍。該雷達能同時跟蹤300個目標，對戰斗機大小的目標探測距離可達300 km，對巡航導彈可達100 km。

E-737預警機是波音公司在澳大利亞“楔形尾” 空中預警與指揮引導機計劃的中標方案，該方案設計在737-700載機平臺上安裝格魯曼公司的多功能電掃描陣列(MESA)雷達，也采用背鰭式安裝在后機身上面的背部結構中。該雷達天線陣分為主陣和縱向陣:主陣安裝在機體兩側，各有120°的覆蓋范圍;頭、尾各60°的覆蓋范圍由縱向陣提供，縱向陣安裝在MESA側陣背鰭上部的扁平雷達罩中。兩個天線陣具有重疊的覆蓋范圍。天線陣整流罩沿著機體頂部運動，重約2 270 kg，其寬度約56 cm，因而能降低空氣阻力和對機體的結構應力。在9 000 m高度飛行時探測距離達850 km。雷達工作波段在L波段，方位和俯仰二維相掃，可在 350 km半徑的范圍內同時跟蹤飛機和艦艇，而且波束掃描的靈活性可把扇區的探測距離增大到740 km以上。

3.3 背負圓罩式的典型設計——A-310預警機方案

A310預警機是美國雷聲公司、以色列飛機工業公司(IAI)、歐洲空中客車公司共同提出的一種相控陣預警機方案，該方案最早是在為澳大利亞“楔形尾”空中預警與指揮引導機計劃的投標中提出，但失利于E-737系統，目前尚未找到買主。該型預警機方案采用的機載預警雷達為以色列生產的EL/M-2075有源相控陣雷達，采用背負圓罩式安裝，在機背的10.6 m直徑的圓盤形雷達罩內共有3面8.5 m長，1.6 m高的相控陣天線陣面，每個陣面各有數百個T/R模塊，各自覆蓋120°的方位，天線罩以兩根大型支柱架在飛機背上，由于方位和俯仰上均采用電掃描，故其圓盤雷達罩是不旋轉的。該雷達對空目標探測距離不低于352 km。

4 結 語

與裝備機械掃描預警雷達的預警機相比，裝備有源相控陣雷達的預警機在時間能量管理、掃描跟蹤速度、多目標處理能力、測量精度、抗干擾能力以及可靠性等方面都有了根本性的改善，提高了預警機在現代戰場上的生存能力和作戰效能。因此，相控陣預警雷達已成為新一代預警機的重要標志。可以相信，隨著現代戰爭需求的牽引和技術進步的推動，世界上將會有更多國家在列裝預警機時考慮配備有源相控陣預警雷達。

參考文獻

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