預警機中的有源相控陣 --- 從蜻蜓的眼睛談起

預警機，最早是指裝有機載監視雷達、用於探測低空飛行目標的特種軍用飛機。現代預警機除了裝備有先進的機載遠程監視雷達，通常還裝有電子偵察、敵我識別，以及通信、導航、指揮控製和電子／通信對抗等多種電子設備。它不但能及早發現和監視從各個空域入侵的空中和海麵目標，還能對己方戰鬥機和其它武器設備進行引導和控製；不但是空中雷達站，更是空中指揮所，在多次現代戰爭中發揮著無以替代的作用，證明了自身重大價值，成為各國重點開發研製的尖端武器裝備。目前，美國、以色列、俄羅斯、瑞典和英國等國裝備了自行研製的預警機，日本、法國、印度、沙特、希臘、澳大利亞和巴基斯坦則不惜重金從他國購買預警機，現役預警機總數已逾300架，型號逾20種……從而也成為廣大軍事愛好者關注的焦點之一。

    在我們生活的大自然中，有很多生物，它們的眼睛並不相同。例如，昆蟲的眼睛和人類的眼睛就不一樣。昆蟲的每隻眼睛內部幾乎都是由成千上萬隻六邊形的小眼睛緊密排列組合而成，每隻小眼睛又都自成體係，各自具有屈光係統和感覺細胞，而且都有視力。這種奇特的小眼睛，動物學上叫做“複眼”。蜻蜓的複眼，在昆蟲界要算最大最多的，占整個頭部的2/3，最多可達2.8萬隻左右，是一般昆蟲的10倍。這樣它在空中捕捉小蟲時，便能得心應手，百發百中，從不落空。而人們常把雷達比作戰爭的眼睛。實際上，就像生物的眼睛有很多類型一樣，雷達作為戰爭的眼睛，也有很多種。今天我們要介紹的有源相位控製陣列，簡稱有源相控陣，就像蜻蜓的眼睛，在所有種類的雷達裏麵，具有最好的“視力”。那麽，什麽是相控陣？什麽是有源？有源相控陣和蜻蜓的眼睛到底有什麽相似之處？這就是我們今天的話題。

    相位控製天線陣列——不靠天線旋轉實現掃描

    在回答什麽是相控陣之前，我們需要知道雷達的天線為什麽要旋轉。我們看到一部雷達時首先看到的就是天線——個頭又大又高的部分。雷達作為戰爭的眼睛，用來看目標的實際上就是天線。大部分雷達，特別是早期的雷達，天線都是需要旋轉的，天線要旋轉的根本原因是天線的視野不是“廣角”的，為了使所有方向上的飛機都能“天網恢恢、疏而不漏”，就要讓天線轉起來，就像人的眼睛隻能看到前方，如果想看到自己兩側和身後的東西，就必須轉身一樣。它的視野有多寬，主瓣寬度就有多大。也許有人會問，為什麽不能把天線做成廣角的？這是因為輸入到天線的能量如果平均分配到全部方向上輻射，能量就會比較分散，自然就不能傳得很遠了，所以，雷達主瓣做得比較窄。舉例來說，美國E-3預警機的雷達天線的主瓣寬度近似為1°。如果要把全部方向上的空域都掃描一遍，主瓣得先後處於360各不同的位置上。

    雷達采用天線旋轉的方式，雖然實現了全方向的監視，但缺點也是禿頭上的虱子——明擺著的。雷達波下一次再照射到同一架飛機，必須等到天線轉完一圈，這個時間叫做“掃描周期”，通常天線一分鍾轉6圈，也就是每10秒轉1圈。在這種轉速下，對同一架飛機的連續兩次照射，得過10秒之後，這時敵方的飛機可能已跑到3千米以外了飛、其次，讓天線旋轉的機械裝置要比天線不動時的複雜，而且驅動它轉起來要耗費更大的能量，安全性和可靠性也不容易保證。

    相控陣體製的出現使得天線不用旋轉就能實現掃描。它是如何實現掃描的呢？還得從天線說起。天線有很多小的單元——從樣子看，像是很多縫隙―每個小的單元都能利用電磁感應原理將雷達蘊含的能量轉化成電磁波輻射到空中。雷達發射機向每一個天線單元輸入變化著的電流，產生變化的電場和磁場，電場和磁場交替振蕩、互相激發，組成能在空間傳播的電磁波，雷達發射機所產生的能量就這樣被天線帶到空中了。在空中一些很小的區域蘊含大部分雷達能量的是主瓣，類似於人眼的正前方，視角最為集中；在空間大部分區域蘊含了其餘很少一部分能量的就是副瓣，類似於人眼的餘光區域。

    主瓣和副瓣到底占多大區域．取決於每一個天線單元輻射出的電磁波在空間疊加後的結果。每一個天線單元輻射出來的能量既有幅度，又有輻角，這個輻角就是“相位控製陣列”中的“相位”。多個天線單元按一定的規律排列，就組成了天線陣列，用計算機分別控製天線單元各自的相位，這就是“相控陣”。控製在空中不同區域或方向上各個天線單元的輻射能量，形成雷達的“鏡頭”，使其先後照射到不同角度的空間，就像攝像機緩緩移動一樣，這實際就是掃描。在實現掃描的過程中，組成天線陣列的天線單元，就像蜻蜓的一個個複眼，最後看到的圖像，正是這些複眼所看到的圖像合成。而一個個的天線單元組成的天線陣列，就是我們最後所看到的蜻蜓的一隻大眼睛。

    由於雷達的“鏡頭”不需要通過機械旋轉來定位，因此克服了旋轉天線的機械慣性，也克服了旋轉天線掃描周期固定的弱點。如果天線先在某個空域上照射到一架飛機，之後又想“再顧茅廬”，隻需要通過計算機輸入合適的相位，天線就可以立即殺個“回馬槍”，實現“指哪打哪”，其間僅需要克服微秒量級的電子慣性。這樣，對某一架飛機連續兩次照射的時間間隔就不再是掃描周期，而是人們所希望的其它值，比傳統的機械掃描天線更容易盯住高機動目標。當然，相控陣天線“回馬槍”的絕招不能老用，否則影響其它空域的掃描。就像一個人前行時如果老回頭會影響前進的速度一樣。舉例而言，采用相控陣雷達的預警機在打仗時，如果在某個方向上發現可疑目標後，一般是在2秒鍾後調轉槍頭，馬上再往這個方向照射一遍，而不是10秒鍾後再照射一遍。也就是說，機械掃描天線不能摸清敵機10秒內的動向，相控陣天線僅僅不知道敵機2秒內的動向。因此，如果讓相控陣天線和機械掃描天線比武的話，結果應該是10:2，相控陣以絕對優勢獲勝！相控陣的這個優點，對於監視高機動性的戰鬥機是非常管用的。正如蜻蜓的眼睛，對移動的物體特別敏感，一個物體突然出現時，人眼需要0.05秒才能作出反應，而蜻蜓用不了0.01秒就能看清楚了，再加上它的複眼可以隨頸部上下左右靈活轉動，蜻蜓捕捉起獵物就不費勁了。

    大家知道，蜻蜓的眾多複眼還有一個奧秘，就是它們有分工或用途上的區別：頭部上半部分的複眼負責看遠處，下半部分負責看近處。由於相控陣天線可用計算機靈活地控製主瓣形成和掃描，因此人們就可以讓眾多的輻射單元各司其職―不同的單元組負貴產生不同的主瓣，利用一個天線陣同時產生多個波束，也就是形成多個雷達鏡頭，起到了蜻蜓複眼的效果，讓每一個波束有各自指向和職責。

以色列裝備的費爾康預警機在機頭有一個碩大的鼻首雷達罩

    但是，相控陣天線有一個很大的缺點：隨著雷達的“鏡頭”轉到越來越偏的方向上時，視角會不斷變寬，主瓣會不斷變胖，能量逐漸分散到不可接受的程度。當天線主瓣指向就是天線平麵的法線方向時（此時天線主瓣的位置指向垂直於天線陣麵），主瓣最窄，能量最集中；當天線主瓣指向越來越偏離天線法線方向時，此時天線主瓣的位置與天線陣列的夾角減小，主瓣變寬。當天線主瓣掃描到偏離天線平麵法向60°時，主瓣變寬一倍，能量已分散得很厲害，嚴重影響到遠距離傳播。所以，對於采用相控陣體製的天線，通常每一個天線最多隻負責掃描偏離法線方向兩側60°範圍（共120°）內的目標，以保證性能。如果需要掃描360°則需要三個或更多的天線。

    區分有源和無源相控

    陣相控陣有無源和有源之分。什麽是無源和有源？簡單地說，對於每一個天線單元來說，沒有獨立的功率輻射就是“無源”，有獨立的功率輻射就是“有源”。由於“有源”和“主動”在英文中對應的是同一個單詞（Active，積極的），因此，有的書上把“有源”譯為“主動”,“無源”譯為“被動”。

    無源相控陣之所以是無源的，在於它的每一個天線單元所輻射出的能量是由發射機集中產生後送過來的，天線相位的改變依賴於計算機控製天線單元後麵的移相器。有源相控陣之所以是有源的，在於它的每一個天線單元擁有獨立的功率輻射，而不是先接受發射機送過來的功率，再輻射出去。實際上，這些輻射單元也是接收單元，稱為發射／接收單元，簡稱收發單元或T/R,T代表發射，R代表接收；多個收發單元組合在一起稱作收發組件。有源相控陣的相位改變靠的是計算機控製收發組件，而不是移相器由於每一個單元既是一個小的發射機，也是一個小的接收機，實際上就是一部小雷達。可見，有源相控陣的這個特點，仍然極其類似於蜻蜓的複眼。

    無源相控陣的原理圖中，雙向箭頭左邊是所有雷達都有的部分。雷達在發射電磁波時，激勵源首先產生低功率發射機電流，經發射機放大後送至天線單元輻射出去，在空間形成發射波束。在接收時，天線單元則要施展“吸星大法”，把分布在雷達周圍的、由目標反射回雷達的那些電磁波“吸”到雷達的天線中。由於吸回來的電磁波能量比較微弱，因此先要送到低噪聲放大器中放大，然後送入接收機。為接收到微弱的回波，接收機的靈敏度非常高。為使發射機的能量不至於進入並燒壞接收機，正如防止過強的聲波震聾人耳一樣，安裝了雙工器，發射時用於保證雷達能量僅僅送入天線而不送往接收機，接收時則保證把雷達能量送入接收機而不是送往發射機，使接收到的能量不至於進入發射機而被發射的能量所淹沒。由於發射機和天線在電路上不可能完全匹配，從發射機出來的能量送往天線後會造成一部分發射機能量損耗―就像光線在穿透一塊透明的玻璃時，總有一部分光線會從玻璃上反射回來―為避免這部分能量進入並燒壞接收機，還要加裝保護器。

    無源相控陣和有源相控陣在掃描的靈活性上具有同樣優點。有源相控陣勝過無源相控陣之處一是有源相控陣易於產生更大的功率，因為天線輻射出去的總功率是每一個收發單元的合成，所以，要增加總的輻射功率，隻須增加收發單元的數量，或者提高每個收發單元的功率。在采用有源相控陣的預警機中，通常有成百上千個收發組件，每個收發組件的功率一般不超過50瓦。

    其次，有源相控陣的可靠性更高，一是因為有源相控陣不需要集中產生大功率能量的發射機，避免高壓高功率的要求，也就避免了高壓打火等容易造成發射機故障的問題；二是由於有源相控陣收發組件的高集成度。據統計，有源相控陣的可靠性是采用無源相控陣雷達的10倍以上，而且，由於有源相控陣雷達能量是由大量的收發組件產生的能量合成的，這麽多個收發組件如果出現一小撮“非戰鬥減員”，根本無大礙。而無源相控陣中，由於發射機隻有一個，如果壞了，立即“GAME OVER”了。當然，有源相控陣價格比較貴，但隨著集成電路技術的進一步發展，它會越來越便宜。

    美國的E-3A預警機是世界上第一種采用相控陣體製雷達的預警機，它在水平麵上的覆蓋仍然靠天線旋轉實現，但在高度方向上的覆蓋不是靠天線的“低頭”和“抬頭”，而是用無源相控陣。其天線在垂直方向上有24個輻射單元構成的一排排直線陣，對應於24個移相器。由於天線在高度方向上能夠掃描，從而也就能測量目標的高度。因此，它采用的是方位上機械掃描、高度方向上相控陣掃描的一維相控陣、三坐標的雷達。

    以色列“費爾康”預警機是世界上第一種采用有源相控陣體製雷達的預警機，也是世界上第一種采用天線陣列的安裝與機身外形相符（即共形陣）的預警機，不再采用蘑菇形。天線陣列分布在機頭（大鼻子）、機身兩側和機尾，分別負責覆蓋不同的方位。全機設計有1472個T/R組件，但是在賣給智利時做了簡化：機尾沒有配置天線陣，從而存在100°的方位盲區，T/R組件的數量也減少很多，且天線在高度方向上不能掃描，從而不能測量目標的高度，因此，其雷達是一維相控陣、二坐標的。

    瑞典的“愛立眼”(ERIEYE）也是目前世界上獨具特色的采用有源相控陣體製的預警機：機身背部的天線罩體是平衡木式，內裝兩塊天線陣麵，共有192個T/R組件，每個天線陣隻負責120°掃描，因此，全方位上有機頭和機尾各60°盲區，在高度方向上也不掃描，也是一維相控陣、二坐標雷達。

    從剛才我們介紹的三款預警機已經看到，雷達的天線安裝形式是多種多樣的，從而預警機的外形和性能也就有著各自的特點。


兵器知識 2009年第05A期