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有源相控阵雷达简介
[ 录入者:pxsrfb1  |  时间:2018年07月25日  |  文章来源: ]

二战期间由于军事上的迫切需要,雷达得以广泛应用及发展,并随着技术革新日臻完善。相控阵雷达作为一种多功能设备,天线阵列由多组天线单元组合而成,采用有源相控阵雷达天线的雷达称为有源相控阵雷达(APAR)。 和无源相控阵雷达相比,有源相控阵雷达优势明显,因此被作为现代相控阵雷达一个重要研究方向,被用于各种战略、战术雷达,如制导、战场炮位侦查等。随着计算机技术、数模混合集成电路技术及微波移相技术的快速发展,有源相控阵技术具有多目标、远距离、高可靠性和高适应性等优势,正由雷达向通信电子、定位导航等多领域发展。

随着新型器件如功率微波器件、VHSICMMIC 的出现,每个天线辐射阵元用一个接收机和发射功放阵列,每个天线阵元可以是固态 T/R 组件,使相控阵雷达天线变为有源相控阵天线。有源相控阵雷达作为相控阵雷达的一个核心领域被广泛使用。 

一、有源相控阵雷达发展概况

 有源相控阵雷达天线阵面的每个天线单元中均含有源电路,发射/接收组件(T/R 组件)是有源相控阵雷达的关键部件,很大程度上决定其性能优劣。收发合一的 T/R 组件包括发射支路、接收支路及射频转换开关及移相器。每个 T/R 组件既有发射高功率放大器(HPA)、滤波器,限幅器,又有低噪声放大器(LNA)、衰减器及移相器、波束控制电路等。由此看见,利用二维相位扫描的有源相控阵雷达设备量和成本都相当可观。尽管如此,最先研制成功并投入应用的相控阵雷达就是有源相控阵雷达,例如 20 世纪 60 年代末美国研制的的大型相控阵雷达 AN/FPS-85。该相控阵雷达作用距离数千公里,天线尺寸 26.9×26.9m2,发 射产生 1.4°×1.4°针状波束,接收产生 0.8°×0.8°笔状波束,被用于空间目标监视、跟踪及识别,可做导弹预警、测轨和编目卫星。采用收发阵面分离的二维相位扫描相控阵平面天线,其发射天线阵中含有五千多个天线单元,发射机采用四极管等电真空器件,每个发射机峰值功率高达 6kW,平均功率约80W。采用有源相控阵天线模式,利用空间功率合成方式,实现发射机总输出峰值功率 32MW、平均功率 400kW的要求。在各种战术雷达中,用于卫星测控和弹道导弹等超远程探测战略目标的相控阵雷达问世最早,而有源相控阵雷达的出现相对较晚。

有源相控阵雷达大部分是三坐标雷达,即方位(水平方向)机械扫描、仰角(垂直方向)电扫描的一维相位扫描雷达,以此获取目标的距离、方向和高度信息。为了提高雷达性能,二维相位扫描的三坐标雷达采用了固态有源相控阵雷达天线。这类雷达在水平和垂直方向上均进行相位扫描,同时天线阵列还可进行机械转动,这样不但克服了平面相控阵雷达天线观察空域有限(如限制在±60°范围内)的缺点,而且大幅提高了雷达数据率,改善了对多目标的跟踪性能。当今国内外研制的舰载雷达、机载雷达、弹道导弹防御雷达以及星载雷达均采用有源相控阵雷达天线。[1] 

二、有源相控阵雷达原理及应用

1列出了按行、列方式馈电的有源平面相控阵天线原理图,它是将平面相控阵天线分为多个列馈的典型例子。

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该雷达工作在S波段,是一个有源相控阵天线,其发射馈线包括一个行馈和多个列馈,每一列馈为一个功率分配网络,其多个输出段分别接入该列天线各 T/R 组件中功率放大器的输入端。T/R 组件里接收电路的输出信号传送至接收馈线功率相加器的输入端,经功率合成后再经下变频器、中放、A/D 变换,变为二进制信号,传送至数字式的行馈波束形成网络。采用这种方式的主要目的是便于在方位上用数字方式形成接收波束。

2列出了一种有源子天线阵组合馈电接收系统框图。

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整个有源相控天线阵分为m个子阵,每个子阵有n个天线单元通道,每个天线单元上接有一个T/R组件,T/R组件由低噪声放大器、高功率放大器、移相器、T/R开关等功能电路组成。在图中,m 个子阵相加网络形成 m 个接收通道,每个子阵相加网络的输出端均皆有子阵接收机(SAR)。 各子阵接收机的输出经多波束相加网络处理后,可得到L个接收波束(B1B2···BL),每个波束的输出分别连接到相应的波束通道信号处理器。

图中可以看出,各子阵接收机的输出为正交双通道,则输出为数字正交信号(IiQi)保留了信号的幅度和相位信息,图中所示的多波束相加网络应该是数字波束形成(DBF)。美国为弹道导弹防御系统研制的早期预警相控阵雷达铺路爪”AN/FPS-115, 发射机采用固态功率放大器件,作为第一部二维相位扫描有源相控阵雷达,一般探测距离可达4800km, 对雷达截面为10m2的潜射弹道导弹探测距离可达5500km AN/FPS-115 采用密度加权方式,且是收发合一的天线阵面,因而有源天线单元总数约有 1800 个固态 T/R 组件。

铺路爪大型远程相控阵雷达 AN/FPS-115 采用空间功率合成模式,可获得探测与跟踪多目标高功率的要求(其发射机总的输出峰值功率 600kW,平均功率 150kW),这样可以降低对于馈线系统承受的高功率、传输线损耗以及发射系统对初级电源的功率要求,从而增强了整个馈线系统的综合化、标准化、模块化设计程度。

3给出了 AN/FPS-115 全固态大型有源相控阵雷达发射功率分配系统与子天线阵接收机系统的框图,整个雷达天线阵分为五十六个子天线阵,每个子天线阵内的功率分配网络及所有 T/R 组件均相同,其中功率分配网络为 1/32 功分器。

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发射机激励级、子天线阵驱动级和 T/R 组件中的 HPA 的输出功率量级相同,约三百瓦。基于综合化、标准化、模块化设计理念,可以极大程度简化雷达系统设计流程,利于批量生产和降低成本。从图中可以看出,子天线阵作为公用收发天线,其在 32 个天线单元构成的子天线阵级分别实现接收波束。[1] 

三、有源相控阵雷达特点

有源相控阵天线的每一个天线单元通道上均有一个高功率放大器、低噪声放大器或 T/R 组件。与无源相控阵天线相比,有源相控阵天线具有以下特点:

1)由于天线阵元后面直接连接功率源,故雷达的性能不受馈源和移相器损耗的影响:T/R 组件中的 LNA 由接收机的噪声系数所决定。

2)降低馈线系统承受高功率的要求。降低相控阵天线中馈线网络即信号功率相加网络接收时的损耗。

3)每个阵元通道上均有一个 T/R 组 件,重复性、可靠性、一致性好,即使有少量的 T/R 组件损坏,也不会明显影响性能指标,而且很能方便地实现在线维修。

4)易于实现共形相控阵天线。

5)有利于采用 MMIC HMIC,可提高天线的宽带性能,实现频谱共享的多功能天线阵列,为综合化、标准化电子信息系统(包括雷达、通信和 ESM 等)的实现提供条件。

6)有利于与微电子、光电子、光纤通信技术结合,实现高密度集成的光控相控阵天线及天线系统。虽然有源相控阵天线优势众多,但在相控阵雷达使用中是否被采纳,要结合实际需求,首先要着重分析雷达任务,其次应分析采用有源相控阵天线的代价,考虑技术风险、雷达设计周期及生产成本的影响,这样才能做到最佳匹配。

                                                                                            (摘自百度百科)