從最基本的概念開始逐步理解相控陣雷達的原理。

相參雷達

相參雷達是指雷達系統(tǒng)的發(fā)射信號、本振電壓、相參震蕩電壓和定時器的觸發(fā)脈沖均由同一基準信號提供，使得這些信號之間可以保持確定的相位關系，同時接收的回波信號也可以提取信號的相位信息。

相同頻率，不同相位的信號疊加后的效果如下圖。

移相器

移相器的作用是將信號的相位移動一個角度，相位和頻率保持穩(wěn)定的對應關系是移相器的一個特性。

有了信號疊加的原理和移相器，相控陣雷達原理就呼之欲出了，其基本思想：通過改變每個輻射元件發(fā)射信號的相位，以提供相長/相消干涉，以便在期望的方向上形成波束，從而控制波束指向不需要通過機械運動來實現(xiàn)了。

那么，問題來了！對于一個線性陣列，要想形成某個角度指向的波束，每個移相器到底該移多少相位呢？

可以通過下面公式進行簡單計算，例如陣元間距為15cm，波長為10cm，波束方位為30度，第二個相對于第一個需要移相360*15*sin(30°)/10=270°，那么第八個陣元相對于第一個陣元需要移相7*270°=1890°，減去n個360°，也就是需要移相90°。

波束寬度

波束寬度是指主波束方向圖功率下降到一定程度內(nèi)的角度范圍，功率下降3dB時的波束寬度叫做半功率波束寬度。

波束寬度主要與波長、天線陣的口徑長度以及掃描角有關，直觀的理解就是陣元數(shù)越多，陣元間隔越大、波長越短，波束寬度越窄，天線增益就越高。

如果照射的角度增大，會帶來波束寬度和增益的惡化。

如果陣元間距取值不合適，相控陣天線掃描時的輻射場就會在主瓣以外的其他方向上形成有規(guī)律的類似主波束的刪瓣，其位置是頻率和陣元間距的函數(shù)。下圖是陣元間距不同情況下的刪瓣如。

例如對于矩形柵格的相控陣來說，給定最大掃描角為90度，則陣元間最大間距為半波長；并且波長要選取工作頻段中的最短波長。

無源相控陣雷達

無源相控陣雷達只有一個發(fā)射機，多個天線單元。每個天線輻射源的波前是球面的，但它們在天線的前面組合（疊加），從而產(chǎn)生沿特定方向行進的平面波。通過計算機控制改變相移，從而改變波束的指向角度θ。

典型的無源相控陣雷達系統(tǒng)

• AN/FPQ-16 PARCS at Cavalier Air Force Station

• AN/MPQ-53

• AN/MPQ-65

• AN/SPQ-11 Cobra Judy

• AN/SPY-1 Aegis combat system

• AN/TPQ-36 and AN/TPQ-37 Firefinder radars

• AN/APY-1/2 Boeing E-3 Sentry

• AN/APY-7 for Northrop Grumman E-8 Joint STARS

• AN/APQ-164 B-1B (Northrop Grumman formerly Westinghouse ESG)

• AN/APQ-181 B-2 Spirit (initial version, now AESA)

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有源相控陣雷達

有源相控陣雷達，也叫有源電子掃描陣列（Active Electronically Scanned Array, AESA）雷達，隨著雷達技術正在變得越來越復雜，威脅也越來越大，如今的戰(zhàn)場更具挑戰(zhàn)性和危險性。為了應對這些更復雜的威脅，世界上最新的戰(zhàn)斗機正在配備有源相控陣雷達。

有源相控陣雷達的每個輻射器都配裝有一個發(fā)射/接收組件，每一個組件都能自己產(chǎn)生、接收電磁波，因此在頻寬、信號處理和冗度設計上都比無源相控陣雷達具有較大的優(yōu)勢。

AESA雷達的大帶寬，敏捷性使得戰(zhàn)斗機能夠在更遠的距離上更快的檢測，跟蹤和識別更多的目標，并在復雜的電磁環(huán)境中生存。并且具有全天候高分辨率合成孔徑雷達成像，為飛行員提供了一個能夠進行精確目標識別和打擊的大型表面圖像。

線性陣與平面陣

相控陣可以是線性的，也可以是平面的。線性陣是先將多個陣元合成一路信號后進行統(tǒng)一移相，而平面陣是每個陣元都具有獨立的的移相器。線性陣可以在一維上移動波束，而平面陣則可以在二維上移動波束。

相控陣雷達的一大先天優(yōu)勢是天線波束的快速掃描與形狀捷變。那么，這個掃描與變化的快慢和哪些因素有關呢？

對于采用移相器的相控陣天線，天線波束指向的快速變換能力，在硬件上取決于開關器件及其控制信號的計算、傳輸和轉(zhuǎn)換時間。也就是說，采用不同類型的移相器，會對天線波束轉(zhuǎn)換時間產(chǎn)生很大的影響。

鐵氧體移相器

鐵氧體移相器的基本原理是利用外加直流磁場改變波導內(nèi)鐵氧體的導磁系數(shù)，從而改變電磁波的相速，得到不同的相移量。

鐵氧體移相器的主要優(yōu)點是承受功率較高，插入損耗較小，帶寬較寬。其缺點是所需激勵功率比PIN管移相器大，開關時間在微秒（us）量級。

半導體PIN二極管

PIN二極管開關從“開”到“關”或者相反動作的起始狀態(tài)達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間稱為開關時間。以半導體PIN二極管作為開關器件的數(shù)字式移相器相位轉(zhuǎn)換時間可以達到納秒（ns）量級。

GaAs FET

GaAs FET開關是數(shù)控移相器的主要構成元素，它作為一個三端器件， 可以通過對柵偏置電壓的控制來改變源漏間電阻，從而實現(xiàn)開關動作， 轉(zhuǎn)換時間也在納秒（ns）量級。

典型的有源相控陣雷達系統(tǒng)

• AN/APG-80, for the F-16E/F Desert Falcon

• AN/APG-77, for the F-22 Raptor
  

• AN/APG-81, for the F-35 Lightning II

• AN/APG-83 SABR, for the F-16V Block20 Viper and B-1B Lancer upgrades

• AN/APY-9, for the E-2D Advanced Hawkeye

        ...


• AN/APG-63(V)2 and AN/APG-63(V)3, for the F-15C Eagle, Republic of Singapore's F-15SG

• AN/APG-79, for the F/A-18E/F Super Hornet and EA-18G Growler

• AN/APG-82(V)1 for the F-15E Strike Eagle

• AN/APQ-181 upgrade from PESA to AESA, for Northrop Grumman B-2 Spirit bomber

        ...

• FlexDAR Flexible Distributed Array Radar

• U.S. National Missile defense Sea-based X-band Radar (XBR)

• AN/SPY-3 multifunction radar for U.S. DD(X) and CVN-21 next-generation surface vessels

• AN/SPY-6

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F-22上的AN/APG-77多功能火控雷達

AN/APG-77多功能雷達是一種有源相控陣雷達，可探測遠程多目標和隱形飛行器，通過F-22飛機上的綜合信息處理機遇其他傳感器和航電設備相連，其可對天線的收發(fā)波束方向圖進行控制并對所接收到的雷達數(shù)據(jù)進行處理。

有源電掃描陣列由2000個低功率X波段收發(fā)組件構成，每一個輻射單元的發(fā)射機和接收機是分置的，具有高的靈活性、低RCS和寬帶寬。每個收發(fā)組件為70mm*3mm，可產(chǎn)生10W的射頻功率，采用的是砷化鎵（GaAs）技術。

工作方式

• 空空：對空搜索與跟蹤、邊搜索邊測距、邊跟蹤邊掃描、單目標跟蹤、群目標分辨等；

• 空地：地形測繪、地面動目標跟蹤、地面動目標指示（GMTI）；

• 空海：海面目標檢測、固定目標跟蹤。

據(jù)報道，APG-77除了采用聚束SAR模式獲得3m的高分辨，還采用逆SAR獲得超高分辨，使其分辨力可以達到0.3m。

F-35上的AN/APG-81多功能火控雷達

APG-81是充分借鑒了APG-77的研制經(jīng)驗與成熟技術，并且具有“多通道”接收機和激勵器，每個通道針對不同的參數(shù)，各自分析一個離散的雷達回波信號，N個通道便同時可以獲得多個參數(shù)結果，實現(xiàn)了基于單個脈沖的多功能。

APG-81可以同時承擔通信、干擾或者目標搜索等任務，實時跟蹤目標，監(jiān)視敵電子輻射信號和干擾敵方雷達，為飛行員提供精確的目標定位信息和自動跟蹤提示。

綜合航電系統(tǒng)主要由綜合射頻傳感器系統(tǒng)和綜合射頻孔徑組成，孔徑綜合后的有源多功能陣列可支持雷達、電子戰(zhàn)和通信/導航/識別等任務。

APG-81的主要功能

• 空空搜索與跟蹤

• 空地攻擊

• SAR成像，超高分辨力SAR成像

• 單脈沖地形測繪

• 高增益的ESM

• ECM

• ATC導航/氣象傳感器

雷達的X波段AESA天線（1200個陣元）位于機頭內(nèi)，實現(xiàn)與雷達和前半球ECM有關的功能，從AESA天線輻射出去的電子對抗ECM信號能量強度足以燒毀敵方電子設備。其對于干擾后半球來的威脅是通過單獨使用安裝在機頭機翼和機尾的小天線。

綜合射頻傳感器系統(tǒng)采用“即插即用”的架構，雷達核心處理機和一級組件是固定式的，雷達傳感器和T/R組件均可隨時使用新型組件來替換。

F-16上的AN/APG-83可拓展的敏捷波束雷達(SABR)

APG-83 AESA對傳統(tǒng)機械掃描的APG-66和APG-68雷達提供以下功能增強，以確保F-16在未來幾十年內(nèi)保持可持續(xù)發(fā)展：