有源相控陣雷達

二戰期間由於軍事上的迫切需要，雷達得以廣泛應用及發展，並隨著技術革新日臻完善。相控陣雷達作為一種多功能設備，天線陣列由多組天線單元組合而成，採用有源相控陣雷達天線的雷達稱為有源相控陣雷達（APAR）。和無源相控陣雷達相比，有源相控陣雷達優勢明顯，因此被作為現代相控陣雷達一個重要研究方向，被用於各種戰略、戰術雷達，如制導、戰場炮位偵查等。隨著計算機技術、數模混合集成電路技術及微波移相技術的快速發展，有源相控陣技術具有多目標、遠距離、高可靠性和高適應性等優勢，正由雷達向通信電子、定位導航等多領域發展。

隨著新型器件如功率微波器件、VHSIC、MMIC 的出現，每個天線輻射陣元用一個接收機和發射功放陣列，每個天線陣元可以是固態 T/R 組件，使相控陣雷達天線變為有源相控陣天線。有源相控陣雷達作為相控陣雷達的一個核心領域被廣泛使用。

有源相控陣雷達天線陣面的每個天線單元中均含有源電路，發射/接收組件（T/R 組件）是有源相控陣雷達的關鍵部件，很大程度上決定其性能優劣。收發合一的 T/R 組件包括發射支路、接收支路及射頻轉換開關及移相器。每個 T/R 組件既有發射高功率放大器（HPA）、濾波器，限幅器，又有低雜訊放大器（LNA）、衰減器及移相器、波束控制電路等。由此看見，利用二維相位掃描的有源相控陣雷達設備量和成本都相當可觀。儘管如此，最先研製成功並投入應用的相控陣雷達就是有源相控陣雷達，例如 20 世紀 60 年代末美國研製的的大型相控陣雷達 AN/FPS-85。該相控陣雷達作用距離數千公里，天線尺寸 26.9×26.9m ，發 射產生 1.4°×1.4°針狀波束，接收產生 0.8°×0.8°筆狀波束，被用於空間目標監視、跟蹤及識別，可做導彈預警、測軌和編目衛星。採用收發陣面分離的二維相位掃描相控陣平面天線，其發射天線陣中含有五千多個天線單元，發射機採用四極管等電真空器件，每個發射機峰值功率高達 6kW，平均功率約80W。採用有源相控陣天線模式，利用空間功率合成方式，實現發射機總輸出峰值功率 32MW、平均功率 400kW的要求。在各種戰術雷達中，用於衛星測控和彈道導彈等超遠程探測戰略目標的相控陣雷達問世最早，而有源相控陣雷達的出現相對較晚。

有源相控陣雷達大部分是三坐標雷達，即方位（水平方向）機械掃描、仰角（垂直方向）電掃描的一維相位掃描雷達，以此獲取目標的距離、方向和高度信息。為了提高雷達性能，二維相位掃描的三坐標雷達採用了固態有源相控陣雷達天線。這類雷達在水平和垂直方向上均進行相位掃描，同時天線陣列還可進行機械轉動，這樣不但克服了平面相控陣雷達天線觀察空域有限（如限制在±60°範圍內）的缺點，而且大幅提高了雷達數據率，改善了對多目標的跟蹤性能。當今國內外研製的艦載雷達、機載雷達、彈道導彈防禦雷達以及星載雷達均採用有源相控陣雷達天線。

圖1列出了按行、列方式饋電的有源平面相控陣天線原理圖，它是將平面相控陣天線分為多個列饋的典型例子。

該雷達工作在S波段，是一個有源相控陣天線，其發射饋線包括一個行饋和多個列饋，每一列饋為一個功率分配網路，其多個輸出段分別接入該列天線各 T/R 組件中功率放大器的輸入端。T/R 組件里接收電路的輸出信號傳送至接收饋線功率相加器的輸入端，經功率合成后再經下變頻器、中放、A/D 變換，變為二進位信號，傳送至數字式的行饋波束形成網路。採用這種方式的主要目的是便於在方位上用數字方式形成接收波束。

圖2列出了一種有源子天線陣組合饋電接收系統框圖。

整個有源相控天線陣分為m個子陣，每個子陣有n個天線單元通道，每個天線單元上接有一個T/R組件，T/R組件由低雜訊放大器、高功率放大器、移相器、T/R開關等功能電路組成。在圖中，m 個子陣相加網路形成 m 個接收通道，每個子陣相加網路的輸出端均接有子陣接收機（SAR）。各子陣接收機的輸出經多波束相加網路處理后，可得到L個接收波束（B1，B2，···，BL），每個波束的輸出分別連接到相應的波束通道信號處理器。

圖中可以看出，各子陣接收機的輸出為正交雙通道，則輸出為數字正交信號（Ii，Qi）保留了信號的幅度和相位信息，圖中所示的多波束相加網路應該是數字波束形成（DBF）。美國為彈道導彈防禦系統研製的早期預警相控陣雷達“鋪路爪”AN/FPS-115，發射機採用固態功率放大器件，作為第一部二維相位掃描有源相控陣雷達，一般探測距離可達4800km，對雷達截面為10m 的潛射彈道導彈探測距離可達5500km。 AN/FPS-115 採用密度加權方式，且是收發合一的天線陣面，因而有源天線單元總數約有 1800 個固態 T/R 組件。

“鋪路爪”大型遠程相控陣雷達 AN/FPS-115 採用空間功率合成模式，可獲得探測與跟蹤多目標高功率的要求（其發射機總的輸出峰值功率 600kW，平均功率 150kW），這樣可以降低對於饋線系統承受的高功率、傳輸線損耗以及發射系統對初級電源的功率要求，從而增強了整個饋線系統的綜合化、標準化、模塊化設計程度。

圖 3給出了 AN/FPS-115 全固態大型有源相控陣雷達發射功率分配系統與子天線陣接收機系統的框圖，整個雷達天線陣分為五十六個子天線陣，每個子天線陣內的功率分配網路及所有 T/R 組件均相同，其中功率分配網路為 1/32 功分器。

發射機激勵級、子天線陣驅動級和 T/R 組件中的 HPA 的輸出功率量級相同，約三百瓦。基於綜合化、標準化、模塊化設計理念，可以極大程度簡化雷達系統設計流程，利於批量生產和降低成本。從圖中可以看出，子天線陣作為公用收發天線，其在 32 個天線單元構成的子天線陣級分別實現接收波束。

有源相控陣天線的每一個天線單元通道上均有一個高功率放大器、低雜訊放大器或 T/R 組件。與無源相控陣天線相比，有源相控陣天線具有以下特點：

（1）由於天線陣元後面直接連接功率源，故雷達的性能不受饋源和移相器損耗的影響：T/R 組件中的 LNA 由接收機的雜訊係數所決定。

（2）降低饋線系統承受高功率的要求。降低相控陣天線中饋線網路即信號功率相加網路接收時的損耗。

（3）每個陣元通道上均有一個 T/R 組 件，重複性、可靠性、一致性好，即使有少量的 T/R 組件損壞，也不會明顯影響性能指標，而且很能方便地實現在線維修。

（4）易於實現共形相控陣天線。

（5）有利於採用 MMIC 和 HMIC，可提高天線的寬頻性能，實現頻譜共享的多功能天線陣列，為綜合化、標準化電子信息系統（包括雷達、通信和 ESM 等）的實現提供條件。

（6）有利於與微電子、光電子、光纖通信技術結合，實現高密度集成的光控相控陣天線及天線系統。雖然有源相控陣天線優勢眾多，但在相控陣雷達使用中是否被採納，要結合實際需求，首先要著重分析雷達任務，其次應分析採用有源相控陣天線的代價，考慮技術風險、雷達設計周期及生產成本的影響，這樣才能做到最佳匹配。