現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)發(fā)展

高 環(huán)

現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)發(fā)展

高 環(huán)

（海軍裝備部）

主要論述了現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)特點，并對其關(guān)鍵技術(shù)及未來發(fā)展方向相應(yīng)論述。

相控陣?yán)走_(dá)；微電子機械系統(tǒng)；光電子

0 引言

傳統(tǒng)機械掃描雷達(dá)通過轉(zhuǎn)動天線將脈沖或者連續(xù)信號傳輸?shù)教綔y空域中，該形式的雷達(dá)天線波束受伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的限制，無法快速完成波束轉(zhuǎn)向和復(fù)雜波形等雷達(dá)探測需求。

相控陣天線由多個天線或子陣單元構(gòu)成，這些單元可以以特定的幅度和相位發(fā)射電磁波，以產(chǎn)生所需的波束形狀和指向。相較于傳統(tǒng)的機械掃描雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)具有更快的波束指向和形狀變化能力，能夠同時形成多個波束，在掃描空間形成不同的功率分布，相控陣技術(shù)對于多目標(biāo)跟蹤和辨識等任務(wù)具有高度自適應(yīng)的能力，其波束可以任意指向，且可以在微秒到百微秒級別進(jìn)行捷變，這使得雷達(dá)能夠在搜索的同時，對多個目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和辨識。因此，相較于傳統(tǒng)雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)具有更高的靈活性、多功能性和多目標(biāo)處理能力[1]。

1 相控陣?yán)走_(dá)的特點

1.1 天線波束的快速掃描能力

相控陣天線由多個可獨立調(diào)節(jié)相位和幅度的單元組成。通過調(diào)節(jié)每個單元的相位和幅度，相控陣天線可以實現(xiàn)對天線波束的電子掃描，從而快速掃描整個可探測區(qū)域。由于相控陣天線的電子掃描速度非?？欤虼丝梢栽谳^短的時間內(nèi)快速掃描大范圍，并對目標(biāo)的參數(shù)進(jìn)行估計，包括但不限于徑向速度、波門位置等，具有較高的對抗干擾和生存能力。這對解決遠(yuǎn)距離、多批次、小目標(biāo)的觀測具有重要意義。

1.2 天線波束形狀的快速變化能力

相控陣天線通過調(diào)節(jié)每個單元的相位和幅度，可以實現(xiàn)天線波束的形狀變化。和傳統(tǒng)天線的雷達(dá)體制相比，相控陣?yán)走_(dá)具有更快、更靈活的波束形狀變化能力，可以輕松適應(yīng)不同的目標(biāo)需求和任務(wù)需要，可提高雷達(dá)抗干擾能力。

1.3 空間定向與空域濾波能力

相控陣天線具有良好的空間定向和空域濾波能力。通過控制天線單元相位和幅度，可以實現(xiàn)具有特定方向和寬度的波束，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的空間定向和精確控制。此外，相控陣天線還可以通過調(diào)節(jié)相位和幅度以實現(xiàn)比傳統(tǒng)雷達(dá)更高效的空域 濾波。

1.4 空間功率合成能力

相控陣?yán)走_(dá)中的每個天線單元可以發(fā)射或接收電磁波，它們可以被配置為在空間中以特定的方式進(jìn)行加權(quán)和組合。通過利用這種空間加權(quán)組合技術(shù)，相控陣天線可以將能量集中在某個特定方向上，降低背景噪聲，提高探測靈敏度和距離分辨率。

1.5 天線與雷達(dá)平臺共形能力

相控陣天線具有共形性，也就是說它可以與雷達(dá)平臺緊密結(jié)合，成為雷達(dá)平臺的一部分，從而實現(xiàn)雷達(dá)平臺的緊湊化設(shè)計。這種共形性設(shè)計可以大大減少雷達(dá)平臺的物理體積和體重，并增強雷達(dá)系統(tǒng)的靈活性、機動性和隱蔽性。共形天線可分為兩類，一種為多層結(jié)構(gòu)的智能共形天線；還有一類是在此基礎(chǔ)上簡化和拓展的蜂窩夾層天線結(jié)構(gòu)[2]。

1.6 靈活的陣列信號處理能力

相控陣能夠?qū)邮盏降男盘栠M(jìn)行精確的波束形成，通過調(diào)整發(fā)射元件的相位幅度形成高精度的窄波束提高分辨率和信號捕捉能力。其次相控陣有靈活的電子掃描能力，可短時間內(nèi)對多個目標(biāo)進(jìn)行快速偵測和跟蹤，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和目標(biāo)追蹤能力。此外相控陣還可以實現(xiàn)多種信號處理技術(shù)，如正交波形處理和自適應(yīng)波束形成等。通過利用先進(jìn)的算法和數(shù)字信號處理技術(shù)，相控陣能排除干擾雜波，提高雷達(dá)性能，適應(yīng)不同工作環(huán)境和場景的需求。

1.7 抗干擾能力

現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)在抗干擾方面采用多種波束和信號處理方式改進(jìn)雷達(dá)性能。通過自適應(yīng)波束形成技術(shù)，相控陣?yán)走_(dá)調(diào)整每個陣元的相位和幅度對波束進(jìn)行快速調(diào)整以適應(yīng)不同干擾環(huán)境保證工作性能。其次還可以結(jié)合多普勒域進(jìn)行空時聯(lián)合維度處理，在二維域內(nèi)進(jìn)行濾波，干擾和雜波的定位維度，從而大大拓展了雷達(dá)的目標(biāo)探測性能?，F(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)通過極化多樣性，區(qū)分不同極化回波的目標(biāo)和干擾，達(dá)到抑制的目的。除此之外，相控陣?yán)走_(dá)還可以結(jié)合孔徑滑窗，多信號分類算法（Multiple Signal Classification，MUSIC）等現(xiàn)代信號處理算法提升傳統(tǒng)雷達(dá)在抗干擾方面的能力。

2 現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)

2.1 數(shù)字陣列技術(shù)

現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)數(shù)字陣列技術(shù)包括全數(shù)字陣列和數(shù)字子陣技術(shù)兩種。

1）全數(shù)字陣（Fully Digital Array，F(xiàn)DA）

FDA是一種基于數(shù)字信號處理的雷達(dá)陣列系統(tǒng)。在FDA中，每個陣元都與一個獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）和數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）相連接。接收到的模擬信號經(jīng)過ADC進(jìn)行數(shù)字化，然后在DSP中進(jìn)行相位、幅度和波束形成等信號處理操作。FDA的主要特點是具有靈活的波束形成和快速的調(diào)整能力。它可以通過編程改變陣元的相位和幅度來實現(xiàn)不同的波束形成和指向，從而實現(xiàn)目標(biāo)的探測和跟蹤。

2）數(shù)字子陣（Digital Subarray，DS）

DS是一種將傳統(tǒng)模擬陣列和數(shù)字處理技術(shù)相結(jié)合的雷達(dá)陣列配置。在DS中，陣列被分為多個子陣，每個子陣由若干個陣元組成。每個子陣使用一個ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并使用DSP進(jìn)行數(shù)字信號處理。然后，多個子陣的處理結(jié)果可以進(jìn)一步集成，以實現(xiàn)全陣的信號處理和波束形成。DS的優(yōu)點是在保持一定的模擬電路簡單性的同時，利用數(shù)字處理的靈活性和可編程性，提高了陣列的靈活性和性能。

雷達(dá)數(shù)字陣列技術(shù)的主要優(yōu)勢包括以下四點：

1）靈活性：數(shù)字陣列技術(shù)可以實現(xiàn)靈活的波束形成和指向，可以根據(jù)需要進(jìn)行快速的調(diào)整和適應(yīng)不同的任務(wù)需求。

2）抗干擾能力：數(shù)字陣列可以通過數(shù)字信號處理技術(shù)抑制干擾，并提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力和信噪比。

3）可編程性：數(shù)字陣列具有較高的可編程性，可以根據(jù)需要進(jìn)行算法和參數(shù)的優(yōu)化和更新，提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能。

4）多功能性：數(shù)字陣列技術(shù)可支持多種雷達(dá)模式，如搜索、跟蹤和成像等，并且可以在不同模式之間快速切換。

2.2 基于人工電磁材料相控陣列雷達(dá)技術(shù)

基于人工電磁材料（Artificial Electromagnetic Materials，AEM）的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)是一種利用新型材料結(jié)構(gòu)和電磁波傳播特性來增強相控陣?yán)走_(dá)性能的技術(shù)。

傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)使用金屬或介質(zhì)作為陣列元件，而基于AEM的相控陣?yán)走_(dá)利用設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的人工電磁材料來替代傳統(tǒng)的材料，以實現(xiàn)更好的性能和功能。

描述基于人工電磁材料相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的關(guān)鍵特點和優(yōu)勢包括：

1）材料設(shè)計與工藝：基于AEM的相控陣?yán)走_(dá)利用人工設(shè)計和精確加工的微納米結(jié)構(gòu)，使得材料在電磁波頻段具有特定的電磁特性。通過選擇合適的材料組成、結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，可以實現(xiàn)對電磁波的控制。

2）增強輻射和收發(fā)能力：AEM材料可以改變電磁波的傳播特性，如波束寬度、輻射方向和增益等。通過合理設(shè)計的AEM結(jié)構(gòu)，相控陣?yán)走_(dá)可以實現(xiàn)更好的輻射和接收性能，提高目標(biāo)探測和跟蹤的精度和效率。

3）抗干擾和隱身性能：AEM材料的設(shè)計可以改變雷達(dá)波束的輻射特性，實現(xiàn)對干擾源的抑制和削弱，從而提高雷達(dá)的抗干擾能力。此外，AEM材料可用于設(shè)計隱身結(jié)構(gòu)，減少雷達(dá)系統(tǒng)對敵方偵測的可能性。

4）多波段和多功能性：基于AEM的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)可以用于多種頻段的雷達(dá)系統(tǒng)，包括微波、毫米波和太赫茲波等。這種材料的多波段性質(zhì)使得相控陣?yán)走_(dá)能夠在不同頻率下工作，并具備多功能性能。

5）尺寸和重量優(yōu)勢：相比傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)結(jié)構(gòu)，基于AEM的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)可以實現(xiàn)尺寸和重量的顯著減小。這是由于AEM材料可以通過精確的微納米制造技術(shù)實現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)，提高陣列的集成度和緊湊性。

基于人工電磁材料的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)是一種創(chuàng)新的雷達(dá)技術(shù)，具有優(yōu)異的特性和潛在的應(yīng)用前景。它為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)帶來了更好的性能、抗干擾能力和隱身性，有望在軍事、航空航天和安全監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。然而，這項技術(shù)仍處于研究和發(fā)展階段，需要進(jìn)一步的實驗驗證和工程應(yīng)用。

2.3 MIMO陣列雷達(dá)、多功能雷達(dá)技術(shù)等技術(shù)

2.3.1 MIMO陣列雷達(dá)

多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）陣列雷達(dá)是一種基于多天線的雷達(dá)系統(tǒng)，通過利用陣列中的多個天線來實現(xiàn)多種優(yōu)勢。其關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面：

1）多天線配置：MIMO陣列雷達(dá)中的天線配置是關(guān)鍵之一。通過選擇合適的天線數(shù)量和布局方式，可以實現(xiàn)不同的波束形成和方向性，從而提高目標(biāo)分辨率和抗干擾性能。

2）多路徑信號處理：由于目標(biāo)與多個天線之間存在多條路徑，MIMO陣列雷達(dá)可以利用多路徑信號來實現(xiàn)波束形成、容積掃描和距離—角度解析。通過使用多種信號處理算法（如波束賦形和空時信號處理），可以提高雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)定位和成像能力。

3）多發(fā)射—多接收：MIMO陣列雷達(dá)能夠同時發(fā)射多個獨立的信號，并同時接收和處理多個返回信號。通過利用空時編碼和多通道接收，可以實現(xiàn)多種天線的協(xié)同工作，提高雷達(dá)系統(tǒng)的信息傳輸速率和目標(biāo)跟蹤性能。

4）聯(lián)合優(yōu)化：MIMO陣列雷達(dá)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，以最大程度地發(fā)揮多天線系統(tǒng)的潛力。這需要在天線設(shè)計、信號處理和資源分配等方面進(jìn)行綜合考慮，以實現(xiàn)性能和能效的最佳平衡。

2.3.2 多功能雷達(dá)技術(shù)

多功能雷達(dá)技術(shù)旨在實現(xiàn)一個雷達(dá)系統(tǒng)在多個模式下的靈活運行，以滿足不同的應(yīng)用需求。其關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面：

1）頻率和波形設(shè)計：多功能雷達(dá)可以通過改變工作頻率和波形設(shè)計來適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。例如，較高頻率和窄脈沖可以提供高分辨率成像，而較低頻率和寬脈沖可以提供較長的探測距離。

2）資源分配：多功能雷達(dá)需要合理分配資源，包括天線、功率、帶寬和信號處理能力等。通過動態(tài)配置和優(yōu)化資源分配，可以實現(xiàn)不同模式下的性能最優(yōu)化。

3）信號處理算法：多功能雷達(dá)需要開發(fā)適應(yīng)不同模式的信號處理算法。這些算法可以包括目標(biāo)搜索、跟蹤、成像、通信和環(huán)境感知等功能，以實現(xiàn)系統(tǒng)的多樣化應(yīng)用。

4）硬件設(shè)計：多功能雷達(dá)要求在硬件設(shè)計上具備靈活性和可重構(gòu)性。這包括可調(diào)諧的濾波器、寬帶天線和高速數(shù)據(jù)接口等，以滿足不同模式下的要求。

2.4 空間功率合成技術(shù)

在現(xiàn)代的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，空間功率合成技術(shù)是一種關(guān)鍵技術(shù)，它可以通過利用天線陣列的空間多元性來提高雷達(dá)探測的靈敏度和可靠性。

空間功率合成技術(shù)的基本思想是利用陣列天線的空間多元性，將天線單元發(fā)射的微波信號相加，形成具有指定方向和形狀的波束，從而實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)有效地增強信號能量，同時削弱一定范圍內(nèi)的干擾信號。

當(dāng)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)遇到強干擾時，傳統(tǒng)的信號處理方法可能會失效，因為干擾信號與目標(biāo)信號的特征相似，難以區(qū)分。而空間功率合成技術(shù)可以利用多個天線單元之間的相對位置和信號強度差異，實現(xiàn)目標(biāo)信號的增強和干擾信號的抑制，從而提高雷達(dá)系統(tǒng)的探測性能和抗干擾能力。

空間功率合成技術(shù)是一種非常成熟的技術(shù)，在實際應(yīng)用中廣泛使用。其中，最常見的算法包括常規(guī)空時處理算法、自適應(yīng)空時處理算法等。常規(guī)空時處理算法包括波束形成和波束跟蹤等技術(shù)，主要通過預(yù)定義的波束模式來減少干擾信號。自適應(yīng)空時處理算法則利用天線陣列的空間多元性和自適應(yīng)信號處理技術(shù)來實現(xiàn)對干擾信號的實時抑制，可以應(yīng)對復(fù)雜的干擾環(huán)境和混雜的目標(biāo)場景。

這里根據(jù)無源部分與入射波的關(guān)系，介紹三種空間功率合成技術(shù)，如圖1所示[3]。

1）準(zhǔn)光功率合成系統(tǒng)：當(dāng)輸入和輸出波束正交極化時極化器起作用；

2）波導(dǎo)內(nèi)功率合成系統(tǒng)：在波導(dǎo)內(nèi)的有限空間內(nèi)分成多路分別合成；

3）尺寸擴展型波導(dǎo)內(nèi)功率合成系統(tǒng)：采用調(diào)諧喇叭將能量饋入更多的放大器中。

圖1 空間功率合成按無源部分與入射波的關(guān)系分類

空間功率合成系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)中有源部分的布置可以分成兩類：“瓦片”（Tile）結(jié)構(gòu)和“托盤”（Tray）結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 空間功率合成按系統(tǒng)中有源部分的布置分類

圖2清楚地展示了這兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別：圖2（a）瓦片結(jié)構(gòu)中，輸入波的傳播方同與陣列面（功放排列面）垂直；圖2（b）托盤結(jié)構(gòu)中，傳播方向與陣列面相切。瓦片結(jié)構(gòu)適合采用單片集成的方式，但是需要每個合成單元尺寸足夠小。典型的瓦片結(jié)構(gòu)采用諧振天線，從而帶寬有限。托盤結(jié)構(gòu)則不然，它適合寬帶的行波天線，而且散熱系統(tǒng)也容易實現(xiàn)。

空間功率合成指的是能耦合空間中能量的結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)光功率合成是空間功率合成的一個子集。由于早期的空間功率合成系統(tǒng)一般采用反透鏡或者反射鏡來控制能量的分布，所以被稱之為準(zhǔn)光。準(zhǔn)光的概念已經(jīng)被推廣到開放式的陣列系統(tǒng)，即使它沒有用透鏡或者反射鏡。近幾年的發(fā)展導(dǎo)致這種分類己經(jīng)不僅僅局限于準(zhǔn)光系統(tǒng)，而是己經(jīng)推廣到所有空間功率合成系統(tǒng)。

相比于其他功率合成的方式，空間功率合成具有以下幾個方面的優(yōu)點：

1）抑制干擾：空間功率合成技術(shù)可以通過利用天線陣列的空間多元性，削弱或消除干擾信號，從而有效提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力。傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)容易被強干擾所干擾，無法準(zhǔn)確識別目標(biāo)，而空時自適應(yīng)處理（Space-Time Adaptive Processing, STAP）可以實現(xiàn)對目標(biāo)和干擾信號的有效區(qū)分，提高雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性[4]。

2）提高探測性能：STAP可以通過合成的強波束在一定范圍內(nèi)增強目標(biāo)回波信號能量，從而提高雷達(dá)系統(tǒng)的探測性能。多個天線單元相位控制可以形成指向不同方向的波束，提高雷達(dá)系統(tǒng)偵察、搜索和跟蹤目標(biāo)的能力[5]。

3）改善分辨率：STAP技術(shù)可以通過提高目標(biāo)回波信號的信噪比，提高雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率和定位精度。在復(fù)雜的目標(biāo)環(huán)境中，相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)可以實時針對不同目標(biāo)進(jìn)行信號處理，為雷達(dá)系統(tǒng)提供更精確的目標(biāo)信息。

4）適應(yīng)復(fù)雜場景：STAP具有自適應(yīng)性，可以根據(jù)場景中信號干擾的變化實時調(diào)整信號處理參數(shù)，適應(yīng)復(fù)雜場景。相較于傳統(tǒng)信號處理方法，STAP具有更好的實時性和自適應(yīng)性，適用于不斷變化的復(fù)雜場景。

STAP技術(shù)的發(fā)明源于解決機載雷達(dá)雜波抑制的難題[6-7]，該技術(shù)成為機載預(yù)警雷達(dá)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一，美國P-8A巡邏機配備了應(yīng)用STAP技術(shù)的AN/APY-10雷達(dá)，如圖3所示。

圖3 P-8A巡邏機及AN/APY-10雷達(dá)

AN/APY-10雷達(dá)是由Raytheon公司為P-8A巡邏機研制的一部對海和對陸監(jiān)視雷達(dá)，是AN/APS-137（V）5雷達(dá)的改進(jìn)型，作為能發(fā)現(xiàn)和跟蹤海面艦艇目標(biāo)、潛望鏡和潛艇通氣管的搜索雷達(dá)而研制。它在識別所發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、評估戰(zhàn)斗損失和跟蹤方面具有廣泛的能力，運用STAP技術(shù)對陸海雜波有成熟的抑制能力。

2.5 無源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)

無源相控陣?yán)走_(dá)（Passive Electronically Scanned Array radar，PESA）是一種新型的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的有源相控陣?yán)走_(dá)，PESA不需要單獨的發(fā)射機和接收機，而是將所有的單元都同時用于接收和發(fā)射信號，從而減少了雷達(dá)體積和重量。PESA還可以大幅降低功耗和維護(hù)成本，因此被廣泛應(yīng)用于空域監(jiān)視和目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域。

PESA技術(shù)的優(yōu)勢主要包括以下幾個方面：

1）機載平臺穩(wěn)定性高：由于PESA不需要獨立的發(fā)射和接收器，因此整個雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射接收單元可以高度集成。這種集成設(shè)計可以大幅降低平臺上的重量和體積，提高雷達(dá)系統(tǒng)的機動性和穩(wěn)定性。在高速飛行、突破重力環(huán)境和瞬時高重力場景下，PESA可以更加穩(wěn)定地工作。

2）波束的快速形狀變化：PESA可以通過改變單元之間的相位差，調(diào)整天線陣列的波束形狀和角度，快速地改變天線的指向，有效地跟蹤目標(biāo)，適應(yīng)不同的跟蹤需求和任務(wù)要求。此外，通過多個波束的疊加，可以形成更寬廣的覆蓋范圍，使得雷達(dá)系統(tǒng)的探測范圍和探測效率更高。

3）高頻強度：由于PESA無需獨立的發(fā)射機，因此可以有效提高發(fā)射功率和接收靈敏度，獲得更高的目標(biāo)探測性能。與傳統(tǒng)的機械掃描雷達(dá)相比，PESA可以獲得更高分辨率和更短的搜索時間，實現(xiàn)更高效的目標(biāo)跟蹤和空域監(jiān)視。

總之，PESA技術(shù)簡化了雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計，提高了機載平臺穩(wěn)定性和探測性能，適應(yīng)更加復(fù)雜的目標(biāo)環(huán)境和任務(wù)需求。使用PESA技術(shù)可以在較低成本和更高效的雷達(dá)探測性能之間達(dá)到平衡，廣泛應(yīng)用于軍事、民用和航空航天等領(lǐng)域。無源探測主要有四種類型[8]：

1）使用有源雷達(dá)接收其它無線電設(shè)備的輻射信號，利用多頻段接收能力或多個接收波束實現(xiàn)無源探測。

2）利用非相干外輻射源（如廣播、電視、通信等）進(jìn)行照射，然后接收并處理目標(biāo)反射信號進(jìn)行無源探測。

3）利用自主設(shè)計的相干輻射源對目標(biāo)進(jìn)行照射，并利用設(shè)計的波形進(jìn)行接收、匹配及雜波抑制等處理。

4）利用目標(biāo)的無線電熱輻射與其背景輻射的差別進(jìn)行無源探測，并形成多個接收波束對目標(biāo)回波進(jìn)行長時間相參積累。

PESA相比傳統(tǒng)雷達(dá)對天線波束有更多優(yōu)勢，其中一個重要的方面就是能夠充分利用主瓣之外的能量完成多個波束的目標(biāo)照射功能。

以下介紹利用副瓣能量形成多波束的技術(shù)方法：設(shè)雷達(dá)波束的平均副瓣電平為av，令在發(fā)射天線副瓣區(qū)域內(nèi)檢測同樣大小目標(biāo)時可能達(dá)到的作用距離為SL，則它與在發(fā)射天線主瓣照射區(qū)域的作用距離，即雷達(dá)最大作用距離max的關(guān)系，如式（1）所示

利用波束副瓣能量對照射區(qū)域進(jìn)行相干積累。令積累時間CI與主瓣探測的波束駐留時間DW的比值CD為：CD=CI/DW則在副瓣照射區(qū)內(nèi)的雷達(dá)探測距離可表示為

當(dāng)雷達(dá)具有較高的副瓣功率，在副瓣區(qū)域可以完成對近程目標(biāo)的照射和探測，完成上述功能的基礎(chǔ)是相控陣接收多波束技術(shù)，尤其是遠(yuǎn)距離的相控陣，具有更高的功率和副瓣電平，其發(fā)射機功率的合理利用更具有意義。

PESA在裝備方面有著重要的應(yīng)用，以美國海軍為例，AN/SPY-1D雷達(dá)是宙斯盾AN/SPY-1系列雷達(dá)中的一個改進(jìn)型號，如圖4所示。

圖4 宙斯盾AN/SPY-1D

AN/SPY-1雷達(dá)是一部工作在S波段的固定式多功能PESA，最初為防空設(shè)計，許多美海軍巡洋艦和驅(qū)逐艦的宙斯盾系統(tǒng)已經(jīng)升級為美國海軍宙斯盾防空反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)的核心。

2.6 有源共形相控陣承載天線技術(shù)

有源共形相控陣（Active Conformal Antenna Arrays，ACAA）技術(shù)是一項涉及天線陣列、信號處理、硬件設(shè)計和射頻前端控制等多個領(lǐng)域的技術(shù)，它采用了先進(jìn)的集成電路和控制技術(shù)，實現(xiàn)了天線和組件的一體化集成，從而減小了系統(tǒng)的尺寸和重量，提高了系統(tǒng)的性能。ACAA技術(shù)的原理、優(yōu)化方法和應(yīng)用場景如下：

1）有源共形相控陣技術(shù)的原理

有源共形相控陣技術(shù)的基本原理是利用多個天線進(jìn)行發(fā)射或接收，通過控制各個天線的相位和振幅，使得發(fā)射信號或接收信號在某個方向上進(jìn)行相長干涉，在該方向上形成一個指向[9-11]。有源共形相控陣技術(shù)的優(yōu)勢在于其相位調(diào)控能力強、主瓣方向可控、可減小副瓣等。

有源共形相控陣技術(shù)中的天線陣列是由多個天線元件組成的，在進(jìn)行天線元件的選擇和設(shè)計時需要充分考慮其頻帶、帶寬、增益和方向圖等參數(shù)。目前常用的天線元件包括片狀天線、微帶天線、小型化天線和陣列天線等。在選擇合適的天線陣列時，應(yīng)考慮陣列的形狀、尺寸、電磁兼容性以及陣列的相互耦合等問題。此外，有源共形相控陣技術(shù)還需要配合相控陣算法和信號處理技術(shù)，實現(xiàn)陣列指向控制和數(shù)據(jù)的處理。

2）有源共形相控陣技術(shù)的優(yōu)化方法

在天線技術(shù)中，有源共形相控陣技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

（1）相位調(diào)控能力強：相控陣技術(shù)具有相位調(diào)控能力，能夠使信號在某個方向上形成指向。相位調(diào)控能力越強，指向控制精度越高。有源共形相控陣技術(shù)通過對各個天線的相位和振幅進(jìn)行調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的指向控制。

（2）主瓣方向可控：有源共形相控陣技術(shù)可以通過改變各個天線的相對相位，實現(xiàn)指向角的變化，進(jìn)而改變射線的輻射方向。有源共形相控陣技術(shù)的指向角可控性更強，可以實現(xiàn)更加精確的指向控制。

（3）可減小副瓣：天線的副瓣是天線主瓣反射的信號，會影響天線的抗干擾性能。相控陣技術(shù)能夠通過相位權(quán)重的調(diào)整，使得不同天線發(fā)出的信號進(jìn)行相干疊加，從而有效減小天線的副瓣。

（4）集成化程度高：有源共形相控陣技術(shù)采用了一體化的設(shè)計，將天線、射頻前端和信號處理等電子元件集成在了一個閉合的外殼中，省去了部分集成的復(fù)雜度和安裝的麻煩，從而提高了集成化程度，減小了尺寸和重量。

（5）應(yīng)用場景廣：有源共形相控陣技術(shù)對頻帶、角度、場景等方面的適應(yīng)能力強，可以應(yīng)用于雷達(dá)、通信、無人機、導(dǎo)航等多個領(lǐng)域，發(fā)揮出其更大的價值。

3）有源共形相控陣技術(shù)的應(yīng)用場景

有源共形相控陣技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于以下場景中：

（1）雷達(dá)應(yīng)用：有源共形相控陣技術(shù)可以應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中的多模式高分辨率目標(biāo)探測、跟蹤、識別等功能中，具有指向控制靈活、抗干擾能力強等優(yōu)點。

（2）通信應(yīng)用：有源共形相控陣技術(shù)可以應(yīng)用于通信系統(tǒng)中，實現(xiàn)更好的信號覆蓋和容錯能力，適用于寬帶通信、多天線多址等應(yīng)用中。

（3）無人機應(yīng)用：無人機的自主導(dǎo)航需要借助于GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但是在信號不穩(wěn)定或遭受干擾等情況下，需要采用其他方式進(jìn)行定位和控制。有源共形相控陣技術(shù)可以應(yīng)用于無人機的定位和控制中，提高其自主導(dǎo)航的精度和可靠性。

（4）導(dǎo)航應(yīng)用：有源共形相控陣技術(shù)可以應(yīng)用于基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)中，用于生成可靠的位置和方向信息，在車輛導(dǎo)航、船舶導(dǎo)航、航空導(dǎo)航等多個方面發(fā)揮作用。

有源共形相控陣技術(shù)是一項前瞻性的技術(shù)，具有指向精度高、抗干擾能力強和集成化程度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、無人機和導(dǎo)航等領(lǐng)域。實際應(yīng)用中，有源共形相控陣技術(shù)的性能和能力還受到天線元件、射頻前端、信號處理、外殼等多種因素的制約，需要進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和集成設(shè)計，以實現(xiàn)更好的應(yīng)用效果和性能提升。

新體制共形雷達(dá)的發(fā)展為雷達(dá)提供了很好的借鑒，以火控雷達(dá)為例，作為專注于火炮控制、相控陣體制與共形技術(shù)的發(fā)展使得火控雷達(dá)的形態(tài)不再受到局限，適配于多種武器的需求，奧托梅萊拉76 mm艦炮武器系統(tǒng)如圖5所示，共形雷達(dá)隱藏于炮塔結(jié)構(gòu)內(nèi)，滿足了新型艦船隱身的客觀發(fā)展需求，武器系統(tǒng)服役于新加坡、土耳其等國家。

圖5 奧托梅萊拉76 mm艦炮武器系統(tǒng)

3 相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)展望

現(xiàn)代雷達(dá)構(gòu)架呈現(xiàn)為四化：探測分布化、平臺一體化、流程智能化和協(xié)同體系化[12-13]。

1）探測分布化：隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)將越來越分布式，并且集成在更多不同的載體上。這將使得雷達(dá)系統(tǒng)更具靈活性和適應(yīng)性，可以更好地適應(yīng)各種不同地形和復(fù)雜環(huán)境的探測需求。

2）平臺一體化：未來的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)將會更多地集成在各種平臺上，例如車輛、飛機、衛(wèi)星等，這將極大地提高系統(tǒng)的可用性和靈活性。同時，這也需要相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)在尺寸、重量和功耗等方面得到進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。

3）流程智能化：智能化將是未來相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的重要趨勢，這將包括應(yīng)用人工智能和機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行更加精確的處理和分析，從而提高雷達(dá)系統(tǒng)的探測精度和目標(biāo)識別能力。

4）協(xié)同體系化：未來的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)將會和其他傳感器、平臺、通信系統(tǒng)等進(jìn)行更加深度的協(xié)同，形成更為強大的傳感器網(wǎng)絡(luò)。這將使得雷達(dá)系統(tǒng)能夠更好地進(jìn)行目標(biāo)探測和跟蹤，并實現(xiàn)更加全面的戰(zhàn)場情報獲取。

未來科技發(fā)展，微系統(tǒng)和光電子將成為推動相控陣?yán)走_(dá)變革的兩項關(guān)鍵技術(shù)[14-15]。

微系統(tǒng)技術(shù)是一種基于微電子制造工藝加工出微型結(jié)構(gòu)的技術(shù)，包括微電子機械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）和納米技術(shù)等。未來的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)將會越來越小型化，而微系統(tǒng)技術(shù)可以為其提供高性能、小尺寸、低成本的解決方案。當(dāng)前，MEMS技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，例如可以用于制造小型的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、加速度計和陀螺儀、微型電機等傳感器和執(zhí)行器。在相控陣?yán)走_(dá)方面，微系統(tǒng)技術(shù)可以為制造和調(diào)整相控陣?yán)走_(dá)天線陣面提供更高的精度和準(zhǔn)確性，并且可以實現(xiàn)更加緊湊的系統(tǒng)設(shè)計。相比傳統(tǒng)的射頻電纜連接傳輸技術(shù)，基于MEMS技術(shù)的射頻微波傳輸可以實現(xiàn)更加高效的傳輸和更高的波束功率。

另一個關(guān)鍵技術(shù)是光電子技術(shù)，它是晶體電子學(xué)、光學(xué)和通信技術(shù)的交叉學(xué)科，可以用來實現(xiàn)高性能、低噪聲和可重復(fù)的光電傳感器和電子光學(xué)設(shè)備。在相控陣?yán)走_(dá)中，光電子技術(shù)可以用于制造高性能的光學(xué)放大器和檢測器，以及用于光學(xué)信號傳輸和光學(xué)定位的器件。隨著越來越多的科技公司在光電子領(lǐng)域進(jìn)行研究和開發(fā)，光電子技術(shù)的應(yīng)用前景將會越來越廣泛。

微系統(tǒng)和光電子技術(shù)的結(jié)合將會成為相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)未來發(fā)展的重要支撐。例如，利用微系統(tǒng)技術(shù)制造的高精度遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)裝置和光學(xué)器件可以實現(xiàn)精確的光學(xué)波束轉(zhuǎn)向和調(diào)節(jié)，從而提高雷達(dá)系統(tǒng)的定位精度。另外，MEMS技術(shù)可以用于制造微型控制元件，以實現(xiàn)復(fù)雜的相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的控制。而光學(xué)技術(shù)則可以為雷達(dá)系統(tǒng)提供更高的頻率響應(yīng)能力和更寬的工作帶寬。

總的來說，未來科技領(lǐng)域微系統(tǒng)和光電子技術(shù)的發(fā)展將為相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)帶來更高的性能、更高的可靠性、更小的體積和更低的成本。同時，這些技術(shù)的深入發(fā)展也將推動雷達(dá)系統(tǒng)的進(jìn)一步創(chuàng)新，為軍事和民用領(lǐng)域帶來更多的應(yīng)用場景和商業(yè) 機會。

4 結(jié)語

由于現(xiàn)代戰(zhàn)場新戰(zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的大量出現(xiàn)，其特點對現(xiàn)代相控陣探測雷達(dá)帶來了新要求：遠(yuǎn)程打擊、精確打擊、快速打擊、對抗條件下實現(xiàn)打擊、實時目標(biāo)信息探測和長時間觀測目標(biāo)信息等?，F(xiàn)代雷達(dá)構(gòu)架愈發(fā)呈現(xiàn)為四化要求。只有結(jié)合微電子機械系統(tǒng)、光電子等新技術(shù)，發(fā)展新體制雷達(dá)，才能滿足未來戰(zhàn)場的探測需求，使雷達(dá)性能覆蓋各類任務(wù)的方方面面。

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Development of Modern Phased Array Radar Technology

GAO Huan

The present state of development in modern phased array radar technology is primarily analyzed. An in-depth analysis of the key features associated with modern phased array radar is provided and the crucial technologies involved as well as the future directions for further advancement are explored.

Phased Array Radar; Micro Electro Mechanical Systems; Photoelectron

TN957

A

1674-7976-(2023)-05-368-08

2023-07-19。

高環(huán)（1985.11—），陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)。