揭秘預警機的相控陣雷達係統

揭秘預警機的相控陣雷達係統

2009-7

相控陣體製的出現使得天線不用旋轉就能實現掃描。它的天線有很多小的單元，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。一些很小的區域蘊含大部分雷達能量的是主瓣，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。 

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。 

  E-3預警機就是依靠天線旋轉進行水平方向的掃描

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。


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