YST漫談隱形戰機（XII）：有源相控陣雷達

上接「漫談隱形戰機（XI）：風洞和J-10」

 

（二十一）有源相控陣雷達（AESA）

 

「有 源相控陣雷達」（Active Electronically Steered Array，簡稱 AESA）是目前世界上最先進的雷達，它的好處非常多，不但在傳統的雷達模式，譬如多目標的跟蹤，有非常明顯的優勢，而且具有某些特殊運作能力是傳統雷達 不可能做到的，譬如多模式快速交叉運行，使得雷達的功能倍增。

 

「有 源相控陣雷達」在網路上曾經被廣泛討論，但都是“專家”們高來高去說一些故弄玄虛的話，令絕大多數的讀者莫測高深以此來炫耀他們的學問，這是“專家”們的 通病（希望別人崇拜而又不願意透露一丁點自己的知識）。大陸網站多的是這類裝神弄鬼而又言語刻薄的“專家”，造成許多軍事愛好者的困擾，尤其是對入門者。 YST有點看不下去，於是決定藉此機會對這個非常重要的軍事技術有所交代。

 

今天YST就從係統工程的角度來介紹並分析「有源相控陣雷達」。這其實一點也不難，YST將用最簡單的幾何與三角函數來揭開這個簡單的、不值錢的「謎」，讀者隻要沒忘了高中數學必定一聽就懂了。

 

甲. 何謂「有源相控陣雷達」？

 

所 謂「有源相控陣雷達」就是由一群很小的能夠發射電波和接收電波的組件（Transmit and Receive Module，簡稱 T/R Module）排列而成。這些T/R組件可以從幾百個到超過一萬個，它們排列的形狀可以是圓形、橢圓形、距形或任何因實際情況而決定的形狀，非常具有彈 性。

 

電子工業在最近的三十年有飛躍的進步，「有源相控陣雷達」的原理雖然很簡單、歷史也很悠久，但是真正達到令人矚目的應用是最近十幾年的事，因為工作在X波段的T/R組件可以成功製作在拇指大小的晶片上，這就非常了不起了。

 

「有 源相控陣雷達」最關鍵的技術就在如何製造T/R組件上，這其中產生功率的大小和製造的成本尤其重要。目前的技術每個T/R組件的發射功率隻有幾個瓦特（大 概5瓦特左右，不會超過10瓦特）；製造成本YST不太清楚，以前要數千美元一個，這種天價大概隻有美國裝備得起，現在也許降到幾百美元一個，應用就開始 大眾化了。

 

讀 者不要小瞧了這種隻有幾個瓦特功率的T/R組件，「有源相控陣雷達」的厲害就在“螞蟻啃骨頭”，發揮的是“群眾力量”。你想想，一個T/R組件隻有幾瓦 特，但是一千多個T/R組件排列起來就可以發射接近或超過一萬瓦特的電波，這個雷達功率就非常驚人了。更重要的好處是這些T/R組件可以任意組合形成多 “波束”分別對付不同的目標或從事不同的工作，而且有這麼多隻“螞蟻”傷亡幾隻也無所謂、效能雖然差了一點但是照樣完成任務，好處實在太多了！

 

對係統工程師而言由千萬個T/R組件所構成的雷達係統真是太好用了，隨時「化整為零」也可以隨時「化零為整」，可以玩出很多花樣，想出很多招數對付敵人，應了毛澤東的話：人多好辦事！

 

江青算什麼，科學家和工程師才是最瞭解「毛澤東思想」的。

 

不開玩笑，讀者如果看過毛澤東時代大陸發表的科學論文就知道，「有源相控陣雷達」的技術如果是發明在上世紀的五０年代或六０年代，一定會被譽為偉大的「毛澤東思想」的活學活用，因為它們有著非常相似的哲學基礎。

 

乙. 「有源相控陣雷達」的基本原理

 

在「彈道導彈攻擊大型海麵船隻」的係列中YST曾經對電波的「相位」（phase）有清楚的敘述，此處不再重複。

 

電 子硬件中有一種非常簡單的元件叫做「移相器」（phase shifter），它可以改變電波的相位，譬如正弦函數的電波（sine wave）經過「移相器」把相位增加90度，如此出來的就是餘弦函數的電波（cosine wave）。電子儀器中經常會用到「移相器」，雷達中它更是不可少的元件，是雷達工程師進行校正（calibration）工作時必須調適的電子元件。

 

「有源相控陣雷達」最重要的性質就是可以透過相位的設定來改變天線方向。

所 以每個T/R組件都包括一個「移相器」（phase shifter），可以在接受指令後非常迅速地（不到一微秒）把電波的相位移動到指令所下的角度。也就是說，「有源相控陣雷達」可以維持天線的位置不動 （physically是靜止的），然後在不到百萬分之一秒的時間把天線的實際指向轉到前半球麵的任意一個角度，這就是所謂的「電子轉動」 （electronically steered）。

 

問題是：怎麼透過相位的改變來改變電波發射和接收的方向呢？

下麵我們做一個非常簡單的說明。

 

電 子轉動陣列（electronically Steered Array）的原理非常簡單，但是很抱歉，YST沒有掃瞄器不能張貼手畫的圖片，所以隻能在MS Word上麵用editor畫最簡單的幾條虛線來說明天線的電子轉動，如果這些直線發生彎曲現象、如果兩條互相垂直的直線看起來並不垂直，請讀者多包涵， 你需要有一點點額外的想像力來看下麵這張圖。

 

                    . D

                .

            .

        .

    .

A ————————————————————————————————  F

. .

.   .

.  q  .

.       .                                  . E

.         .                           .

.           .                    .

.             .             .

.               .      .

.                 . C

.            .

.       . d

   .

B ————————————————————————————————  G

 

圖28：相位陣列天線從AB電子轉動到AC。

 

假設A和B是兩個T/R組件，天線排列的方向是AB，也就是說天線發射或接受電波的方向是指向正右方的水平方向，也就是AF和BG的方向。

 

現在天線固定不動，我們要把天線發射或接收電波的方向逆時針轉theta角度，也就是說虛擬天線的位置是AC，角度BAC = theta，轉動後發射或接受電波的方向是指向右上方，是水平角度逆時針轉theta的方向，也就是AD和BE的方向。

注意：直線AC垂直於直線BE，也就是說，角度ACB = 90度。

 

BC與AC是垂直的，所以隻要theta一決定C點就決定了，也就是說C點是B點在天線轉動theta方向的垂直投影。

B與C的距離我們用d來代表。

 

對從右上方來的電波而言，經過長遠的距離，電波擴散的球麵已經接近平麵（半徑非常、非常大），所以電波到達A點和C點時相位是相同的。

但是這個電波到達B點時多走了距離d，所以相位就增加了，增加了多少呢？

這個答案很容易，如果Lamda是電波的波長，那麼

電波走了距離d所增加的相位 = 2*pi*d/Lamda （radian）

，pi = 3.1416（圓周率）。

 

現在問題全部明瞭了，如果我們讓B的相位比A的相位提早2*pi*d/Lamda（也就是移動 -2*pi*d/Lamda），那麼AB接收到的電波就相當於AC接收到的電波。

看到沒有？你不必轉動天線就可以接收到與轉動後一模一樣的電波。

 

Hurrah！工程師跳起來歡呼！電子轉動的問題解決了。

 

如果你把A與B中間的每一個點都看成一個T/R組件的話，它們與直線AC的垂直距離分別為d1，d2，．．．dn 等等，那麼工程師隻要在每一個T/R組件下指令移動相位

-2*pi*dk/Lamda， k = 1,2,....n

，那麼雖然天線AB根本就沒有轉動，但是實際上電波發射和接收的方向卻已經逆時針轉了 theta 角度。

 

這就是電子轉動天線（Electronically Steered Array，簡稱ESA）的原理！

 

簡單吧？高中生一聽都懂，一點也不神祕。網路上故作高深莫測的“專家”們可以休息了，中學生的玩意兒一點兒也不值得賣弄。

 

丙. 無源相控陣雷達（Passive Electronically Steered Array ，簡稱PESA）

 

細心的讀者一定會問：電子轉動天線是跟「移相器」有關，跟T/R組件沒什麼關係呀？

回答：是的，一點也不錯，電子轉動天線其實隻需要「移相器」就可以完成。於是根據這個道理一個相對便宜很多的相控陣雷達就可以設計出來了，這就是「無源相控陣雷達」。

 

如果每個單位組件不能主動產生電波，隻能被動發射電波、接收電波和改變相位的陣列，我們稱這種雷達為「無源相控陣雷達」。

 

這 裏所謂被動發射電波是指由一個統一的高功率發射器（high power transmitter）產生強力電波然後由導波管（waveguide）分別輸送到每個單位組件發射出去。這個高功率發射器通常使用「行波管」 （Traveling Wave Tube，簡稱TWT），跟普通傳統的雷達完全一樣。

 

T/R組件中，那個“T”代表的發射部分是研發工作中最困難的，所以「無源相控陣雷達」比「有源相控陣雷達」簡單多了，但是功能也差多了，是一個省錢和技術不到位的妥協。

 

美 國早期的神盾驅逐艦都是「無源相控陣雷達」，到了「伯克」級才升格為「有源相控陣雷達」。所以從「無源」到「有源」是科技發展的一個自然過程，但不是必 然。中國大陸發展機載雷達就是從平麵雷達（planar array radar）直接跳到「有源相控陣雷達」（AESA），省掉了（PESA），這就是所謂跳躍式發展。

 

丁. 「有源相控陣雷達」的優點

 

Ａ. 多目標的追蹤與鎖定

 

無 論是有源還是無源，「相控陣雷達」最大的好處就是快速指向目標。前麵說過，改變移相器的設定是非常快速的，這種簡單的電子設定用不到百萬分之一秒，比人的 “一眨眼”快一萬倍（人的眨眼大約10毫秒）。也就是說，電子轉動幾乎是立即的（instantaneous），在不到百萬分之一秒的時間就可以把天線轉 向對準任何方向，不論轉動量的大小，這是機械轉動天線不可能辦到的。

 

想想看，天線是有相當質量的，機械起動、加速、減速、停止都需要時間來克服動量（momentum），不是說動就動、說停就停的，尤其是大型天線。

 

上 麵說的不到百萬分之一秒是指理論上移相器設定所需要的時間。在實際應用時，計算機需要計算每個移相器的指令所下的相位數值是多少，然後把這些指令送到每個 移相器的的記憶體裏麵，這是需要時間的，但是無論如何在今天的高速計算機控製下，實際運作的電子轉動可以在不到一毫秒（千分之一秒）的時間內完成。相較之 下，機械驅動的天線如果要大角度轉動，譬如轉動一百度，需要一秒鐘的時間。一秒鐘在多目標的追蹤模式中太長了，嚴重拖累整個雷達的運作，通常不被係統工程 師接受。雷達作業所有被追蹤的目標都依照威脅程度的大小而排列，這時候計算機的軟體就必須作出決定降低追蹤目標的數目，放棄次要目標。

 

電子轉動並沒有實質的轉動，所以沒有動量需要克服的問題，因此又快又準，這使「相控陣雷達」真正做到多目標追蹤和多目標鎖定。

 

以 前那些機械轉動天線的雷達號稱可以同時追蹤二十幾個目標其實是有點灌水的，這個能力是指在理想狀態下。在目標散得很開的情形下，依靠機械轉動天線的雷達根 本沒有辦法應付這麼多目標。想想看，空中目標的機動性都很高，如果要保証追蹤目標需要每個目標很快就觀察一次，天線沒法轉這麼快；如果很久才觀察一次，目 標一機動很容易就跑掉，下次再觀察的時候根本就找不到了。

 

電 子轉動天線的雷達就完全不同了，多目標追蹤是顯然的，二、三十個目標每秒鐘看一次當吃白菜，而且目標照射非常的準確，跑不掉的。更厲害的是可以多目標同時 鎖定，這是因為「相控陣雷達」可以把相控陣列分割成好幾個部分，每一個部分照射一個目標，因此輕鬆地做到同時鎖定（連續照射）多目標。

 

Ｂ. 可靠性

 

「有源相控陣雷達」的另一個優點是工作非常可靠，可靠性比非相控陣雷達高出三、四倍。普通雷達的無故障工作時間（Mean Times Between Failure，簡稱MTBF）不到三百小時，AESA的無故障工作時間超過一千小時。

 

更 重要的是，AESA如果發生故障是優雅的性能逐漸降低（gracefully degraded）而不是突然完全停止工作。機載「有源相控陣雷達」通常有超過一千個T/R組件，即使有10％T/R組件壞掉雷達仍然能夠正常運行隻不過 性能稍為降低而已。對比之下，傳統雷達或「無源相控陣雷達」隻要高功率發射器發生故障，整個雷達就立刻停止作業了。

 

Ｃ. 多模式快速交叉工作（mode interleaving）

 

「有源相控陣雷達」的第三個優點是可以進行多模式快速交叉工作。

 

「多模式快速交叉工作」在實際雷達作業中非常重要，YST 用實際例子來說明。

 

譬如說大陸的解放軍參謀總部決定對某國發動戰略突襲，J-20被任命深入敵人領空攻擊某個地麵戰略目標。

 

為了躲避敵人的地對空搜索雷達，J-20採取貼近地麵飛行，這時候J-20的雷達係統可以把相控陣列天線劃分為上下兩部分：

上半部的T/R組件在天空掃瞄，進行空對空搜索：

下半部的T/R組件進行對地掃瞄，進行地形跟蹤。

這樣J-20可以藉著地形跟蹤的雷達模式（terrain following mode）進行貼著地麵飛行以躲避敵人的雷達探測，同時也進行空對空搜索對可能出現敵人的攔截飛機保持警戒。如此一來，J-20對地和對空兩方麵都兼顧而做到萬無一失。

 

在隻有一個中央電子計算機的情形下，上麵這兩個雷達模式被快速交叉（mode interleaving）執行就像是同時工作一般，這道理和電腦的「分時概念」（time sharing）是一樣的。

 

Ｄ. 分佈式的天線

 

理 論上，戰機的T/R組件並不一定需要是整齊地排列在同一個平麵上、然後關在雷達罩裏，而是可以把有些T/R組件裝置在機翼的前緣，隻要我們測量了它們的相 關位置，自然就可以計算出電波到達這些機翼前的T/R組件的相位是什麼、和雷達罩裏麵的T/R組件的相位差是多少，計算機輕易地就把所有的T/R組件聯合 成一體（「化零為整」）。你看，這樣一來天線的麵積變大了、天線發射的功率也增加了，性能自然就顯著提高了。

 

YST不清楚這種分佈式的天線目前是否有任何國家採用，但是它是未來「有源相控陣雷達」發展的趨勢。

 

戊. 「有源相控陣雷達」的缺點

 

很多網友把「有源相控陣雷達」過份神化，認為它無所不能、在每一方麵都超越普通雷達，這是不正確的。世上沒有盡是好處而不必付一點代價的東西。

 

「有源相控陣雷達」最大和最重要的缺點就是在電子轉動天線時損失天線麵積（antenna aperture 或 array aperture）。當電子轉動的角度太大時，天線的有效麵積會嚴重減少，直接導致雷達探測能力的降低。

 

讓我們回頭仔細觀察圖27。

 

當我們下指令電子轉動theta角度，天線的有效麵積從AB變成AC ，AC = AB*cos(theta)。所以我們得到下麵的公式：

如果ESA從正前方電子轉動theta角度，那麼

ESA的有效麵積 = ESA的實際麵積 * cos（theta）

 

當theta = 0，cos（theta）= 1，這是ESA唯一沒有損失天線有效麵積的時候。所以，隻有在沒有電子轉動的情形下不會損失天線有效麵積，隻要有了電子轉動就要付出代價。

當theta = 60度，cos（theta） = 0.5，ESA的有效麵積隻剩下天線實體麵積的一半，這是雷達工程師願意接受的極限。

當theta = 90度，cos（theta）= 0，ESA的有效麵積為０，雷達完全失去探測能力。

 

「相控陣雷達」的所有優點都是以付出損失天線有效麵積作為代價。

 

好了，現在我們已經瞭解相控陣列雖然不需要轉動，但是隻能探測前方的半個球而且離開中心軸越遠探測的能力就越差，到了距離中心軸上下或左右接近90度的時候就完全失去探測能力了。

 

所以如果要求水平方位（azimuth angle）有三百六十度的探測能力，譬如空中預警機，那麼就需要三個相控陣列，每個負責任120度，這樣就可以把天線有效麵積的損失限製在50％。中國的空警-2000就是這麼設計的。

當 然我們也可以選擇隻用一麵相控陣列，這樣就必須在水平方向轉動，電子掃描隻負責高低方向（甚至不做高低方向的掃瞄而以扇形波束取代），這樣一來在目標追蹤 上的係統效果（system performance）就大大降低了，但是不損失雷達天線的有效麵積。美國的E3空中預警係統就是這麼設計的。

 

美國和中國的設計各有各的考慮，它們的選擇是在各種雷達指標的考慮下所做的妥協。

 

己. YST 個人的一些考慮

 

YST是屬於比較保守的人，對損失天線麵積的容忍度很低。記得學習機載雷達的時候老師開門見山就說：設計機載雷達的第一件事就是盡可能裝上最大的天線。

 

老師這句話是放諸四海而皆準的科學道理，也是所有設計機載雷達的工程師們都遵守的原則。這就是為什麼F-16的雷達無論怎麼提升都不可能超過F-15，因為 F-15的頭比F-16大得多，可以安裝更大的天線。

 

事實上，所有具備高功能雷達的戰機都是大頭。

也就是這個緣故，損失有效天線麵積是一個很嚴重的事。

 

讓我們把注意力專注在雷達艙的RCS上。

 

在AESA出現以前，「平麵天線」（Planar Array Antenna 或 Slotted Array Antenna）是最先進的天線，見下圖。

 

 

圖29：美國F/A-18的平麵天線雷達，美軍編號 APG-73。

 

對平麵天線而言，YST確信在不使用的時候可以把它轉到朝上，譬如向上轉30度或更高，可以取到降低RCS的好處。這樣做沒有任何損失，因為等到使用的時候再進入正常位置。

 

相 位陣列天線的道理也應該一樣，YST的想像是在不用的時候固定在一個朝上的方向，用的時候回復到正常運作的方向，也就是固定在機頭的正前方位置。戰鬥機的 雷達掃瞄通常隻有上下左右各30度的範圍，這樣做就使得ESA電子掃描的天線有效麵積的損失限製在14％，這是可以接受的。

 

但是，事實上並非如此，AESA實際的裝置跟YST的想像有相當出入，我們在下一篇看幾個實際的例子，然後做進一步的討論。

 

 

（未完待續）

 

漫談隱形戰機（XIII）：各國的有源相控陣雷達