淺析地基反導預警雷達中的X波段相控陣天線

馬 靜，孫 磊，劉明罡

(1. 南京電子技術研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術國防重點實驗室， 南京 210039)

·天饋伺系統·

淺析地基反導預警雷達中的X波段相控陣天線

馬 靜1，2，孫 磊1，2，劉明罡1，2

(1. 南京電子技術研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術國防重點實驗室， 南京 210039)

基于地基預警雷達的中段反導任務需求，首先，介紹了當前美國兩類典型的X波段相控陣天線的系統架構、天線規模、掃描范圍等特點；然后，從應用場景和波瓣性能分析比較了二者的區別；最后，介紹了一個采用高密度集成、大范圍電掃體制的X波段相控陣天線工程實例。

地基反導預警雷達; X波段相控陣天線; 陣面排列; 子陣

0 引 言

導彈防御作戰中，地基反導預警雷達是反導預警系統的重要組成部分。地基反導預警雷達主要由以下兩部分組成：早期預警相控陣雷達和多功能相控陣雷達。前者的主要任務是在預警衛星的信息支援下，擔負目標警戒和早期預警任務，并預測彈道，為后者提供目標指示和引導信息，確保對目標跟蹤探測的連續性和穩定性。后者的主要任務是對多批目標進行截獲、跟蹤、落點預報、分類識別，為末段攔截武器提供精確的目標指示信息，并做攔截效果評估。

其中，早期預警雷達需要大范圍的搜索警戒區域，遠距離的探測威力，所以，多選用低頻段(P或L波段)相控陣天線。如：美國的AN/FPS-115“鋪路爪”雷達和丹麥“眼鏡蛇”雷達[1-3]。

而多功能相控陣雷達承擔了中段、末段反導任務，需要更小的分辨率用于精密跟蹤測量，更大的瞬時帶寬用于成像識別，所以，多選用X波段多功能相控陣天線。如：美國的“薩德”(THAAD)系統中的AN/TPY-2雷達和GBR-P雷達[4-5]。

本文首先概述了X波段相控陣天線在地基反導預警雷達中的軍事需求；然后，分析比較了美國反導預警雷達中兩類典型的X波段相控陣天線；最后結合一個工程實例，介紹了X波段相控陣天線在設計中應用的關鍵技術。

1 X波段相控陣天線在地基反導預警雷達中的需求背景

彈道導彈是現代高技術戰爭中的重要作戰武器，具有射程遠、速度快、精度高等優點，在現代戰爭中發揮著舉足輕重的作用。有矛必有盾，潛在的軍事威脅越發凸顯出彈道目標探測的迫切性和重要性。

彈道導彈防御由天基紅外衛星系統和遠程預警雷達系統提供預警信息，地基雷達在預警信息引導下搜索并捕獲目標，對目標進行跟蹤、分辨、識別、殺傷評估，并為低層攔截提供目標指示信息。典型的反導防御系統工作流程，如圖1所示。

從整個防御作戰過程不難看出，多功能相控陣雷達是反導防御系統中廣義上的跟蹤制導火控雷達，是攔截彈能對來襲導彈進行成功攔截的決定性因素。為了實現最佳的攔截效果，多功能相控陣雷達天線需要完成諸如跟蹤、成像、識別、評估等多項功能，而所有這些處理都是以截獲目標為前提的。

雷達天線對目標的探測截獲過程實際上是反導預警系統中兩部分雷達設備(早期預警雷達和多功能相控陣雷達)的交接班過程。這兩部分設備在整個反導防御過程中的處理時間基本上是串行的，同時又是緊密相關，互為補充的。早期預警雷達可以較早的發現和跟蹤來襲導彈，但其探測精度不足以直接對攔截彈進行制導；而多功能相控陣雷達雖然能夠提供高精度制導信息，但卻無法早期截獲目標，缺乏大范圍的自主搜索能力。

圖1 反導防御系統工作流程示意圖

反導防御作戰的交接班過程就是通過多功能相控陣跟蹤制導雷達對引導目標的探測截獲來實現的。如果對目標的跟蹤過程是一個閉合回路的話，那么上述交接班過程就是將前后兩部分雷達系統的閉環進行交聯，實現信息的傳遞和角色的過渡。從這個意義上來說，多功能相控陣跟蹤制導雷達在整個反導防御系統中起著承上啟下的關鍵作用。

多功能相控陣雷達的主要任務是精確跟蹤、識別和制導，為了實現這一目的，雷達的測量精度要求很高。因此，天線波束寬度要設計的極窄，以滿足測角精度和距離分辨率的要求。同時，要具有一定帶寬的瞬時寬帶工作能力。

綜上所述，反導預警系統中的多功能相控陣雷達一般采用X波段相控陣，以較大的電口徑獲得較窄的波束寬度；以較小的相對頻帶寬度獲得滿足成像識別要求的絕對頻帶寬度。

目前，美國在反導防御系統研究領域處于領先地位。經過數十年的研究試驗，圍繞彈道導彈中段、末段防御攔截任務，美國導彈防御地基雷達(GBR)中的X波段相控陣天線，已經形成兩大體制系列。

2 美國GBR雷達中的X波段相控陣天線

美國GBR雷達中X波段相控陣天線可分為兩大體制系列，即機動式大范圍電掃體制和固定式小范圍電掃體制。這兩大體制的典型代表就是：“薩德”(THAAD)相控陣天線和GBR-P相控陣天線。

2.1 THAAD相控陣天線

THAAD系統的AN/TPY-2相控陣雷達中采用了X波段固態多功能相控陣天線，如圖2所示。針對末段高層雷達與彈道導彈相對角度變化大的特點，該天線設計的掃描區域很大。工作中心頻率為9.5 GHz，電掃范圍為±53°。

圖2 THAAD系統中的X波段相控陣天線

該天線主要由天線陣面和移動裝置兩部分組成。陣面口徑約9.2 m2，采用滿陣形式排布單元，每個天線單元對應一路有源通道，單元數目為25 344個。天線可由C-5或C-17運輸機運輸。

天線陣面分成72個子陣，每個子陣含352個有源通道。一個子陣又由11個T/R組合(T/R EA)、一個子陣級組件(SAM)和一個交流/直流(AC/DC)變換器組成。其中，單個T/R組合含有32路有源T/R通道與輻射單元、8個電源變換器、4個由專用集成電路(ASIC)和隨機存取存儲器(RAM)組成的波束控制器。

該雷達系統包含兩類波束形成網絡，分別為：子陣內的T/R單元級波束形成網絡、子陣間和差波束形成網絡，如圖3所示。在天線系統中為了形成低副瓣就必須對和差通道進行加權，其接收和通道采用兩級加權的方式，即在T/R組件內通過預置衰減器的衰減量加上子陣間的饋線網絡衰減值一起形成和波束所需的泰勒分布。而差通道采用子陣間的饋線加權形成差波束所需的貝利斯分布，其子陣內的幅度分布等同于和通道分布。

圖3 THAAD天線波束形成網絡示意圖

THAAD系統從1990年正式提出，1992年開始研制一套演示驗證系統和兩套試驗評估系統，到2006年底已經參與了多次全系統試驗，并成功驗證了雷達功能。美國從2008年以后已正式部署THAAD雷達系統。

近年來，又出現了升級版的前置X波段雷達-可移動式(FBX-T)，在原有基礎上增加了信號帶寬，從500 MHz提升到1 GHz，天線口徑從9.2 m2增加到10.2 m2，單元數也增至30 464個，并且方位機械可轉動，旋轉范圍為-178°～+178°。目前，已經在日本部署了兩部，有報道稱今后計劃在韓國和土耳其各部署一部。

2.2 GBR-P相控陣天線

GBR-P雷達是一部占地很大的特殊雷達，相當于驗證型的GBR樣機，安裝于夸賈林靶場，如圖4所示。

圖4 GBR-P雷達照片

該雷達的天線陣面為八角形狀，近似圓形口徑排布，含有16 896路有源收發通道，其有效天線口徑約12 m2。陣面具備機械轉動加電掃描功能，機械轉動的方位范圍為±178°、仰角范圍為0～90°；電掃方位角和仰角范圍同為±12.5°。

GBR-P天線陣面由8個超級子陣組成，每個超級子陣又分為48個子陣，如圖5所示。子陣內包括固態收發模塊、子陣控制模塊、喇叭輻射單元、極化器、子陣電源、子陣波束形成網絡。

天線正面的每個輻射喇叭單元與背面的固態收發模塊一一對應，并且通過盲插匹配連接器互聯，其目的是為了便于從天線陣列背面維護、拆卸收發模塊。

GBR-P相控陣天線的設計是非常有特色的，它采用了大單元間距非周期排列形式。這樣的優點在于：同樣掃描角度下，陣面所需的單元數要比按照規則滿陣排列的單元數少，對于大型固態有源相控陣來說不僅成本顯著降低，還意味著結構實現方便、電站需求低、系統熱耗小等優點。

與此同時，它的不足也是顯而易見的：電掃范圍窄、掃描增益下降快、接收波束很難實現低副瓣、周期性柵瓣無法避免只能盡量抑制。

該天線設計中有兩個需要注意的關鍵技術：高效輻射喇叭單元設計技術和非周期旋轉柵瓣抑制技術。

為了實現最佳的口面利用效率和柵瓣抑制，輻射單元不能采用普通的角錐喇叭形式，因為普通的角錐喇叭是基模激勵的，單元H面方向圖零點位置與陣列柵瓣位置不重合，即使在不掃描的時候也會出現很高的柵瓣。雖然可以通過介質加載的方式來改變H面單元波瓣形狀，但是，介質加載后又會增加損耗，導致單元輻射效率降低。所以，估計其單元采用隔板喇叭的方式，在H面形成雙余弦分布的電場，使第一零點位置與柵瓣重合，以達到抑制柵瓣的作用。但是，掃描后柵瓣位置發生變化，無法再通過單元波瓣零點抑制柵瓣，柵瓣電平會隨著掃描角增加而抬高，天線的掃描增益也會隨之迅速下降。

通過非周期排列布局，可以降低柵瓣電平。如果采用單元級隨機，全陣非周期化，首先，工程實現尤其是結構實現困難；其次，也會導致天線波束的副瓣電平升高、增益下降。所以，GBR-P相控陣天線整個陣面是非周期的，但是其8個超級子陣內部仍然是周期性排列，只是在超級子陣間進行了旋轉、錯位、非周期化。這樣可以在抑制一定柵瓣的情況下，適度降低設計與制造難度。

通過仿真推測，其柵瓣電平相對于主瓣約有-12dB左右的抑制效果，非周期化后的陣因子方向圖如圖6所示[6]。

與GBR-P體制類似的還有?；鵛波段雷達(SBX)，放置在一個鉆井平臺上，在海面上可移動部署，已經應用于美國中段反導系統。

2.3 二者比較分析

THAAD是一部用于戰區高層反導的用戶作戰評估雷達，雷達按照實戰需求進行設計，作用距離設計為500 km(0.1 m2目標)。該相控陣天線采用了滿陣設計，掃描范圍大、副瓣電平低。

GBR-P是一部驗證型的試驗樣機，采用了有限掃描的方案，犧牲了電掃范圍，換取了大威力和低成本的優點，而其對全空域的掃描覆蓋，是通過機械掃描補償的。在小角度掃描范圍內作用距離遠，測量精度高，但天線副瓣電平高，抗干擾能力較差。

表1比較了二者一些主要參數比較，由于許多資料上對美國THAAD(或FBX-T)和GBR-P雷達的參數說法不一，表中參數的選擇參照了比較常見的報道[7-8]。

表1 美國反導雷達天線主要參數比較

美國反導系統中所需的X波段相控陣天線規模都十分龐大，大單元非周期排列相控陣通過犧牲掃描性能來降低成本。但近年來有報道稱美國已放棄GBR-P雷達的部署計劃；而SBX雷達從2005年投入使用到2013年為止仍處于“有限的測試支持狀態”。洛杉磯時報的調查發現，盡管它確實能到截獲到遠方目標，但它的探測范圍極為狹窄，因此，基本無法應付專家們認為最有可能的攻擊方式：一連串混雜著誘餌的導彈。

與之對應的是THAAD系統和前置式X波段相控陣天線逐漸增加全球部署。由此可見，機動部署是解決費效比的突破口，通過可移動式的前置布站來彌補雷達天線探測距離的不足，成為美國目前發展中段防御地基雷達的出發點。

3 X波段相控陣天線在工程中的實際應用

筆者曾參與設計研制了一個X波段寬帶多功能相控陣雷達天線試驗系統[9]。天線借鑒了THAAD相控陣天線的設計思路，采用高密度集成、大范圍電掃的固態全有源相控陣體制，具備寬帶寬角掃描功能，使用單脈沖三波束(和、方位差，俯仰差)跟蹤測量，搜索同時形成多個波束，以提高搜索速度，其原理框圖如圖7所示。

圖7 X波段相控陣天線試驗系統原理圖

天線陣面具有以下特點：X波段高密度集成、寬帶寬角掃描(2 GHz工作帶寬，±45°掃描范圍)、大瞬時帶寬(1.7 GHz)、大熱流密度冷卻。天線陣面有效口徑約1 m2；包括3 072路有源通道，每路有源通道對應一個輻射單元；采用子陣級寬帶延時滿足成像識別需求。

在天線研制過程中應用了一系列關鍵技術，主要包括以下四點：

1)高密度有源子陣集成設計技術

X波段陣面要求安裝緊湊、維護方便、結構組成需進行模塊化設計。由于工作頻段高，要在厘米級實現收發通道，需對天線陣面做出最優設計、精密集成、合理布局。有源子陣模塊主要包括了天線單元、有源組件、射頻網絡、電源和波控的綜合走線、驅動放大模塊以及冷卻管道等多個部件，實現了能量的分配、放大、輻射，信號的接收、合成，以及波束掃描控制等功能；同時，保證有源單元的供電和散熱，是一個實現多種功能的復雜系統模塊。

2)大瞬時帶寬相控陣天線系統設計

實現寬帶成像，對于相控陣天線來說，就是要解決天線在頻率范圍內的“波束色散”現象。在寬帶大角度掃描狀態下，天線波束指向隨頻率變化發生偏移，陣面上需要增加延時器以校正不同頻率波束的指向偏移。單元級加延時的方案寬帶性能最好，但是設備量大，目前，工程上幾乎不可能實現[10]。試驗天線以子陣為延時單位，天線波束的色散問題得到較好解決，在1.7 GHz頻率帶寬內掃描后各頻率的波束指向均得到了修正，如圖8所示。

圖8 測試的寬帶掃描方向圖(高中低頻點)

3)多功能陣面結構設計技術

天線陣面口徑僅有1 m左右，內部結構單元密集而空間有限,功能模塊多，在部件安裝、陣面走線、冷卻管網排布、陣面結構精度分配、安裝精度保證和控制等方面提出了很高的要求。通過采用模塊化、組合化結構設計；框架與冷卻一體化設計；多模塊無引線互聯設計；盲插定位精度控制等一系列手段，最終實現了天線陣面的高效集成，如圖9所示。

圖9 裝在運輸平臺上的X波段相控陣天線

4)天線寬帶寬角掃描技術。除了合理限定單元間距以外，還要符合設計寬帶寬角掃描特性的輻射單元。天線選用帶狀線印刷振子是考慮到印制板結構簡單，電路加工精度高，易于批量生產。同時，為了準確的測量及評估天線寬帶波束的帶內幅頻特性，在天線暗室校準測試過程中，采用了寬帶喇叭做標校的比較法，較好地消除了測試系統本身對天線寬帶特性的影響，準確的反映了天線最終的幅頻特性，如圖10所示。

圖10 天線寬帶掃描后的發射幅頻響應

4 結束語

毋庸置疑，美國仍是目前地基反導防御系統研究較深入、反導試驗較多、工程應用較廣的國家。針對不同的工作任務需求采用不同體制的X波段相控陣天線。在需要遠距離高精度探測的場合，采用了犧牲部分掃描特性的非周期大間距相控陣天線；在需要大范圍空域掃描覆蓋的場合，采用了常規滿陣排列的高密度X波段相控陣天線。

不管哪種應用場景，關鍵是綜合考慮天線的性能與造價，選取最適合的體制，達到系統費效比最佳的目的。

持續深入學習研究美國反導預警雷達中的X波段相控陣天線技術，是值得國內每位相關從業人員都長期關注的工作。

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馬 靜 男，1977年生， 碩士，高級工程師。研究方向為固態有源陣列天線、寬帶相控陣、數字陣列天線。

孫 磊 男，1974年生，研究員級高級工程師。研究方向為有源相控陣陣面系統架構、寬帶相控陣、數字相控陣等。

劉明罡 男，1981年生，博士。研究方向包括微波及陣列天線。

Analysis of X-band Phased Array Antenna in Early-warning System for Ground-based Radar

MA Jing1,2，SUN Lei1,2，LIU Minggang1,2

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China) (2. National Key Laboratory of Antenna and Microwave Technology, Nanjing 210039, China)

Base on anti-missile defense mission of early warning Ground-based radar, firstly, the characteristics of two X-band phased arrays in USA are introduced, include system constitution、antenna scale、scanned area; secondly, the different of the two radars' application scenarios and beam performance is analysis. Finally, a X-band phased array in engine example is given, the array uses superintegration and big electronic scanning area.

ground-based radar; X-band phased array antennas; arrangement of the array; subarray

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.013

馬靜 Email：markjin2000@sina.com.cn

2015-11-10

2016-01-23

TN82

A

1004-7859(2016)04-0054-06