预警机中的有源相控阵 --- 从蜻蜓的眼睛谈起

预警机，最早是指装有机载监视雷达、用于探测低空飞行目标的特种军用飞机。现代预警机除了装备有先进的机载远程监视雷达，通常还装有电子侦察、敌我识别，以及通信、导航、指挥控制和电子／通信对抗等多种电子设备。它不但能及早发现和监视从各个空域入侵的空中和海面目标，还能对己方战斗机和其它武器设备进行引导和控制；不但是空中雷达站，更是空中指挥所，在多次现代战争中发挥着无以替代的作用，证明了自身重大价值，成为各国重点开发研制的尖端武器装备。目前，美国、以色列、俄罗斯、瑞典和英国等国装备了自行研制的预警机，日本、法国、印度、沙特、希腊、澳大利亚和巴基斯坦则不惜重金从他国购买预警机，现役预警机总数已逾300架，型号逾20种……从而也成为广大军事爱好者关注的焦点之一。

    在我们生活的大自然中，有很多生物，它们的眼睛并不相同。例如，昆虫的眼睛和人类的眼睛就不一样。昆虫的每只眼睛内部几乎都是由成千上万只六边形的小眼睛紧密排列组合而成，每只小眼睛又都自成体系，各自具有屈光系统和感觉细胞，而且都有视力。这种奇特的小眼睛，动物学上叫做“复眼”。蜻蜓的复眼，在昆虫界要算最大最多的，占整个头部的2/3，最多可达2.8万只左右，是一般昆虫的10倍。这样它在空中捕捉小虫时，便能得心应手，百发百中，从不落空。而人们常把雷达比作战争的眼睛。实际上，就像生物的眼睛有很多类型一样，雷达作为战争的眼睛，也有很多种。今天我们要介绍的有源相位控制阵列，简称有源相控阵，就像蜻蜓的眼睛，在所有种类的雷达里面，具有最好的“视力”。那么，什么是相控阵？什么是有源？有源相控阵和蜻蜓的眼睛到底有什么相似之处？这就是我们今天的话题。

    相位控制天线阵列——不靠天线旋转实现扫描

    在回答什么是相控阵之前，我们需要知道雷达的天线为什么要旋转。我们看到一部雷达时首先看到的就是天线——个头又大又高的部分。雷达作为战争的眼睛，用来看目标的实际上就是天线。大部分雷达，特别是早期的雷达，天线都是需要旋转的，天线要旋转的根本原因是天线的视野不是“广角”的，为了使所有方向上的飞机都能“天网恢恢、疏而不漏”，就要让天线转起来，就像人的眼睛只能看到前方，如果想看到自己两侧和身后的东西，就必须转身一样。它的视野有多宽，主瓣宽度就有多大。也许有人会问，为什么不能把天线做成广角的？这是因为输入到天线的能量如果平均分配到全部方向上辐射，能量就会比较分散，自然就不能传得很远了，所以，雷达主瓣做得比较窄。举例来说，美国E-3预警机的雷达天线的主瓣宽度近似为1°。如果要把全部方向上的空域都扫描一遍，主瓣得先后处于360各不同的位置上。

    雷达采用天线旋转的方式，虽然实现了全方向的监视，但缺点也是秃头上的虱子——明摆着的。雷达波下一次再照射到同一架飞机，必须等到天线转完一圈，这个时间叫做“扫描周期”，通常天线一分钟转6圈，也就是每10秒转1圈。在这种转速下，对同一架飞机的连续两次照射，得过10秒之后，这时敌方的飞机可能已跑到3千米以外了飞、其次，让天线旋转的机械装置要比天线不动时的复杂，而且驱动它转起来要耗费更大的能量，安全性和可靠性也不容易保证。

    相控阵体制的出现使得天线不用旋转就能实现扫描。它是如何实现扫描的呢？还得从天线说起。天线有很多小的单元——从样子看，像是很多缝隙―每个小的单元都能利用电磁感应原理将雷达蕴含的能量转化成电磁波辐射到空中。雷达发射机向每一个天线单元输入变化着的电流，产生变化的电场和磁场，电场和磁场交替振荡、互相激发，组成能在空间传播的电磁波，雷达发射机所产生的能量就这样被天线带到空中了。在空中一些很小的区域蕴含大部分雷达能量的是主瓣，类似于人眼的正前方，视角最为集中；在空间大部分区域蕴含了其余很少一部分能量的就是副瓣，类似于人眼的余光区域。

    主瓣和副瓣到底占多大区域．取决于每一个天线单元辐射出的电磁波在空间叠加后的结果。每一个天线单元辐射出来的能量既有幅度，又有辐角，这个辐角就是“相位控制阵列”中的“相位”。多个天线单元按一定的规律排列，就组成了天线阵列，用计算机分别控制天线单元各自的相位，这就是“相控阵”。控制在空中不同区域或方向上各个天线单元的辐射能量，形成雷达的“镜头”，使其先后照射到不同角度的空间，就像摄像机缓缓移动一样，这实际就是扫描。在实现扫描的过程中，组成天线阵列的天线单元，就像蜻蜓的一个个复眼，最后看到的图像，正是这些复眼所看到的图像合成。而一个个的天线单元组成的天线阵列，就是我们最后所看到的蜻蜓的一只大眼睛。

    由于雷达的“镜头”不需要通过机械旋转来定位，因此克服了旋转天线的机械惯性，也克服了旋转天线扫描周期固定的弱点。如果天线先在某个空域上照射到一架飞机，之后又想“再顾茅庐”，只需要通过计算机输入合适的相位，天线就可以立即杀个“回马枪”，实现“指哪打哪”，其间仅需要克服微秒量级的电子惯性。这样，对某一架飞机连续两次照射的时间间隔就不再是扫描周期，而是人们所希望的其它值，比传统的机械扫描天线更容易盯住高机动目标。当然，相控阵天线“回马枪”的绝招不能老用，否则影响其它空域的扫描。就像一个人前行时如果老回头会影响前进的速度一样。举例而言，采用相控阵雷达的预警机在打仗时，如果在某个方向上发现可疑目标后，一般是在2秒钟后调转枪头，马上再往这个方向照射一遍，而不是10秒钟后再照射一遍。也就是说，机械扫描天线不能摸清敌机10秒内的动向，相控阵天线仅仅不知道敌机2秒内的动向。因此，如果让相控阵天线和机械扫描天线比武的话，结果应该是10:2，相控阵以绝对优势获胜！相控阵的这个优点，对于监视高机动性的战斗机是非常管用的。正如蜻蜓的眼睛，对移动的物体特别敏感，一个物体突然出现时，人眼需要0.05秒才能作出反应，而蜻蜓用不了0.01秒就能看清楚了，再加上它的复眼可以随颈部上下左右灵活转动，蜻蜓捕捉起猎物就不费劲了。

    大家知道，蜻蜓的众多复眼还有一个奥秘，就是它们有分工或用途上的区别：头部上半部分的复眼负责看远处，下半部分负责看近处。由于相控阵天线可用计算机灵活地控制主瓣形成和扫描，因此人们就可以让众多的辐射单元各司其职―不同的单元组负贵产生不同的主瓣，利用一个天线阵同时产生多个波束，也就是形成多个雷达镜头，起到了蜻蜓复眼的效果，让每一个波束有各自指向和职责。

以色列装备的费尔康预警机在机头有一个硕大的鼻首雷达罩

    但是，相控阵天线有一个很大的缺点：随着雷达的“镜头”转到越来越偏的方向上时，视角会不断变宽，主瓣会不断变胖，能量逐渐分散到不可接受的程度。当天线主瓣指向就是天线平面的法线方向时（此时天线主瓣的位置指向垂直于天线阵面），主瓣最窄，能量最集中；当天线主瓣指向越来越偏离天线法线方向时，此时天线主瓣的位置与天线阵列的夹角减小，主瓣变宽。当天线主瓣扫描到偏离天线平面法向60°时，主瓣变宽一倍，能量已分散得很厉害，严重影响到远距离传播。所以，对于采用相控阵体制的天线，通常每一个天线最多只负责扫描偏离法线方向两侧60°范围（共120°）内的目标，以保证性能。如果需要扫描360°则需要三个或更多的天线。

    区分有源和无源相控

    阵相控阵有无源和有源之分。什么是无源和有源？简单地说，对于每一个天线单元来说，没有独立的功率辐射就是“无源”，有独立的功率辐射就是“有源”。由于“有源”和“主动”在英文中对应的是同一个单词（Active，积极的），因此，有的书上把“有源”译为“主动”,“无源”译为“被动”。

    无源相控阵之所以是无源的，在于它的每一个天线单元所辐射出的能量是由发射机集中产生后送过来的，天线相位的改变依赖于计算机控制天线单元后面的移相器。有源相控阵之所以是有源的，在于它的每一个天线单元拥有独立的功率辐射，而不是先接受发射机送过来的功率，再辐射出去。实际上，这些辐射单元也是接收单元，称为发射／接收单元，简称收发单元或T/R,T代表发射，R代表接收；多个收发单元组合在一起称作收发组件。有源相控阵的相位改变靠的是计算机控制收发组件，而不是移相器由于每一个单元既是一个小的发射机，也是一个小的接收机，实际上就是一部小雷达。可见，有源相控阵的这个特点，仍然极其类似于蜻蜓的复眼。

    无源相控阵的原理图中，双向箭头左边是所有雷达都有的部分。雷达在发射电磁波时，激励源首先产生低功率发射机电流，经发射机放大后送至天线单元辐射出去，在空间形成发射波束。在接收时，天线单元则要施展“吸星大法”，把分布在雷达周围的、由目标反射回雷达的那些电磁波“吸”到雷达的天线中。由于吸回来的电磁波能量比较微弱，因此先要送到低噪声放大器中放大，然后送入接收机。为接收到微弱的回波，接收机的灵敏度非常高。为使发射机的能量不至于进入并烧坏接收机，正如防止过强的声波震聋人耳一样，安装了双工器，发射时用于保证雷达能量仅仅送入天线而不送往接收机，接收时则保证把雷达能量送入接收机而不是送往发射机，使接收到的能量不至于进入发射机而被发射的能量所淹没。由于发射机和天线在电路上不可能完全匹配，从发射机出来的能量送往天线后会造成一部分发射机能量损耗―就像光线在穿透一块透明的玻璃时，总有一部分光线会从玻璃上反射回来―为避免这部分能量进入并烧坏接收机，还要加装保护器。

    无源相控阵和有源相控阵在扫描的灵活性上具有同样优点。有源相控阵胜过无源相控阵之处一是有源相控阵易于产生更大的功率，因为天线辐射出去的总功率是每一个收发单元的合成，所以，要增加总的辐射功率，只须增加收发单元的数量，或者提高每个收发单元的功率。在采用有源相控阵的预警机中，通常有成百上千个收发组件，每个收发组件的功率一般不超过50瓦。

    其次，有源相控阵的可靠性更高，一是因为有源相控阵不需要集中产生大功率能量的发射机，避免高压高功率的要求，也就避免了高压打火等容易造成发射机故障的问题；二是由于有源相控阵收发组件的高集成度。据统计，有源相控阵的可靠性是采用无源相控阵雷达的10倍以上，而且，由于有源相控阵雷达能量是由大量的收发组件产生的能量合成的，这么多个收发组件如果出现一小撮“非战斗减员”，根本无大碍。而无源相控阵中，由于发射机只有一个，如果坏了，立即“GAME OVER”了。当然，有源相控阵价格比较贵，但随着集成电路技术的进一步发展，它会越来越便宜。

    美国的E-3A预警机是世界上第一种采用相控阵体制雷达的预警机，它在水平面上的覆盖仍然靠天线旋转实现，但在高度方向上的覆盖不是靠天线的“低头”和“抬头”，而是用无源相控阵。其天线在垂直方向上有24个辐射单元构成的一排排直线阵，对应于24个移相器。由于天线在高度方向上能够扫描，从而也就能测量目标的高度。因此，它采用的是方位上机械扫描、高度方向上相控阵扫描的一维相控阵、三坐标的雷达。

    以色列“费尔康”预警机是世界上第一种采用有源相控阵体制雷达的预警机，也是世界上第一种采用天线阵列的安装与机身外形相符（即共形阵）的预警机，不再采用蘑菇形。天线阵列分布在机头（大鼻子）、机身两侧和机尾，分别负责覆盖不同的方位。全机设计有1472个T/R组件，但是在卖给智利时做了简化：机尾没有配置天线阵，从而存在100°的方位盲区，T/R组件的数量也减少很多，且天线在高度方向上不能扫描，从而不能测量目标的高度，因此，其雷达是一维相控阵、二坐标的。

    瑞典的“爱立眼”(ERIEYE）也是目前世界上独具特色的采用有源相控阵体制的预警机：机身背部的天线罩体是平衡木式，内装两块天线阵面，共有192个T/R组件，每个天线阵只负责120°扫描，因此，全方位上有机头和机尾各60°盲区，在高度方向上也不扫描，也是一维相控阵、二坐标雷达。

    从刚才我们介绍的三款预警机已经看到，雷达的天线安装形式是多种多样的，从而预警机的外形和性能也就有着各自的特点。


兵器知识 2009年第05A期