淺析有源電子掃描陣列雷達

有源電子掃描陣列通常稱為AESA，是一種相控陣雷達系統。它由一系列天線陣列組成，這些天線陣列形成天線波束，可以在不實際移動天線的情況下對準不同的方向。AESA系統目前用于許多不同的軍事平臺，包括軍用飛機和無人機，以提供出色的態勢感知能力。

隨著無源電子掃描陣列（PESA）雷達的發展，ASEA技術的發展可以追溯到1960年代初，該系統是一種固態系統，可從單一信號源獲取信號，并使用移相器模塊選擇性地延遲某些部件同時允許其他部件進行無延遲傳輸。以這種方式發送信號會產生不同形狀的波束，有效地將信號束指向不同的方向。

第一個AESA系統是在1980年代開發的，與舊的PESA系統相比具有許多優勢。與使用一個發射器/接收器模塊的PESA不同，AESA使用許多發射器/接收器模塊，這些模塊與天線元件連接，并可以產生多個同時、頻率不同的雷達波束。從上世紀60年代開始，歷經40余年的努力，有源電子掃描陣(AESA)，通常也稱為有源相控陣技術，終于在機載雷達上取得了成功的應用。

國際在線報道：美國國防部國防科學委員會主席的一份關于發展美國軍用機雷達的建議報告中特別強調了有源相控陣技術可以極大地擴展雷達的功能和提高雷達的性能， 21世紀美國的戰斗機雷達、預警與監視飛機的雷達都應是AESA體制的。

AESA雷達系統如何工作

典型雷達系統通常通過將天線連接到功能強大的無線電發射器以發出短脈沖信號來工作，然后斷開發射器的連接，將天線連接到靈敏的雷達接收機，雷達接收機會放大目標物體的回波信號。通過測量信號返回所需的時間，雷達接收機可以確定到物體的距離。然后，接收機將結果輸出到顯示器。發射器元件通常是速調管或磁控管，其適用于放大或產生窄范圍的頻率至高功率水平。如果雷達系統要掃描空域，必須移動雷達天線以指向不同的方向。

從1960年代開始，引入了能夠以受控方式延遲發射機信號的新型固態設備。這就是第一個實用的大規模無源電子掃描陣列（PESA），或簡稱為相控陣雷達。PESA從單一來源獲取信號，將其分成數百條通道，有選擇地延遲其中一些通道的信號，然后將其發送到各個天線。來自獨立天線的無線電信號在空間上重疊，通過控制各個信號之間的干擾模式以在某些方向上增強信號，在所有其他方向上抑制信號。

系統通過電子方式控制延遲，從而可以在不移動天線的情況下非?？焖俚乜刂撇ㄊ赶?。PESA可以比傳統的機械系統更快地掃描空間。由于電子技術的進步，PESA增加了產生多波束的能力，使雷達在掃描空域的同時，跟蹤目標，實現邊掃描邊跟蹤或引導半主動雷達制導導彈。PESA在1960年代迅速在船舶和大型固定地點上普及（遠程預警雷達），隨后隨著電子技術的發展，機載雷達也隨之普及相控陣體制。

AESA是固態電子學進一步發展的結果。在較早的系統中，傳輸的信號最初是在速調管或行波管或類似的設備中產生的，這些設備相對較大。接收機的高頻組件也很大。到1980年代，砷化鎵微電子技術的引入極大地減小了接收器元件的尺寸，直到可以以類似于手持無線電設備的尺寸（只有幾立方厘米）。J

FET和MESFET的引入在雷達系統的發射組件應用也是如此。雷達發射機應用了低功率固態波形發生器，通過射頻放大器將來自固態波形發生器的信號進行放大，從而使任何這樣配備的雷達都可以在更寬的頻率范圍內進行發射信號，發出每個脈沖都可以改變工作頻率。將整個發射和接收組件（發射器、接收器和天線）縮小到單個“發射器-接收器模塊”（TRM）中，將這些組件組合成AESA。

與PESA相比，AESA的主要優勢在于不同模塊能夠以不同的頻率運行。與PESA不同，在PESA中，信號是由少量的發射器以單個頻率生成的，而在AESA中，每個模塊都會生成并輻射自己的獨立信號。這使得AESA可以產生許多同時的“子波束”，由于頻率不同，它可以識別，并可以主動跟蹤大量目標。AESA還可以使用來自多個TRM的組合信號的后處理，一次產生由許多不同頻率組成的波束，在后續處理重新創建顯示，就如何只發射單個波束的效果一樣。

AESA的優勢

在單脈沖跟蹤體制未獲使用前，圓錐掃描體制的雷達很難對付敵方施放的角度欺騙干擾；沒有相參體制的脈沖多普勒雷達，就無法對付借著強大的地雜波掩護的低空入侵的飛機和導彈；沒有頻率捷變體制的雷達，就很難同現代戰爭中廣泛采用的各種雜波干擾相抗衡。

相控陣技術是近年來正在發展的新技術，它比單脈沖、脈沖多普勒等任何一種技術對雷達發展所帶來的影響都要深刻和廣泛。進入上世紀80年代，機載相控陣雷達才初獲應用。先進的機載有源相控陣雷達是近期，即本世紀初才進入服役。

AESA的成功應用是對傳統機載雷達的一次革命，極大地擴展了雷達的應用領域和提高了雷達的工作性能，進而提高和豐富了作戰飛機執行任務的能力和作戰模式。

1.抗電子干擾

AESA系統的主要優勢之一是其對電子干擾技術的高度抵抗力。

雷達干擾通常是通過確定敵方雷達信號的頻率，然后以相同的頻率發送信號來干擾雷達系統。如果該雷達系統可以隨著每個脈沖改變其頻率，就可以進行有效的干擾抑制。但是隨著雷達的發展，干擾技術也隨之發展。

除改變頻率外，AESA系統還可以在寬帶內分配頻率，甚至在單個脈沖內也可以分配頻率，這是一種稱為“線性調頻”的雷達技術。這些特征的結合使得與其他形式的雷達相比，干擾AESA系統要困難得多。

2.低攔截

使用AESA雷達系統被敵方雷達預警接收器（RWR）攔截的可能性也很小。RWR允許飛機或車輛確定何時有來自外部源的雷達信號，其還可以確定信號源的方向，從而確定敵人輻射源的位置。AESA系統在克服RWR方面非常有效。因為上面提到的“線性調頻脈沖”可以迅速且完全隨機地改變頻率，RWR很難分辨出AESA雷達束實際上是全部還是只是一部分雷達信號。

AESA天線口徑場的幅度和相位都可以隨意控制，可使天線旁瓣的零值指向敵方干擾源，使之不能收到足夠強度的雷達信號，從而無法實施有效干擾。通過數字波束形成（DBF）技術，可以使主波束分離成兩個波束，使其零值對準敵方干擾源；若干擾源位于雷達旁瓣方向，則在該方向也可以形成零值，使敵方收不到雷達信號，從而無法實行有效干擾。AESA的自適應波束形成能力是機載雷達在復雜的電磁環境中得以保持其作戰能力的重要因素。

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3.更高的可靠性

使用AESA系統的另一個好處是每個模塊獨立運行，因此單個模塊的故障不會對整個系統性能產生任何重大影響。AESA技術還可用于在飛機和其他配備的系統之間創建高帶寬數據鏈接，從而能夠實現多功能。由于信號的發射和接收是由成百上千個獨立的收/發和輻射單元組成，因此少數單元失效對系統性能影響不大。

試驗表明，10%的單元失效時，對系統性能無顯著影響，不需立即維修；30%失效時，系統增益降低3分貝，仍可維持基本工作性能。這種"柔性降級"(graceful degradation）特性對作戰飛機是十分需要的。

4.多模式功能

由于AESA雷達T/R模塊中的射頻功率放大器（HPA）同天線輻射器緊密相連，而接收信號幾乎直接耦合到各T/R模塊內的射頻低噪聲放大器（LNA），這就有效地避免了干擾和噪聲疊加到有用信號上去，使得加到處理器的信號更為"純凈"，因此，AESA雷達微波能量的饋電損耗較傳統機械掃描雷達大為減少AESA雷達技術還支持多種模式，使系統可以執行多種任務，包括：

實孔徑測繪

合成孔徑雷達（SAR）功能

海面搜索

地面移動目標指示和跟蹤

空對空搜尋和追蹤

AESA雷達具備同時多功能，即指有源相控陣能在同一時間內完成一個以上的雷達功能。它可以用一部分T/R模塊完成一種功能，用另外的T/R模塊完成其它功能；也可用時間分隔的方法交替用同一陣面完成多種功能。如雷達在進行地圖測繪（SAR/GMTI）、地物回避、地形跟隨、威脅回避的同時，還可實現對空中目標的搜索和跟蹤，并對其進行攻擊。

由于AESA是由多個子陣組成，而每個子陣又是由多個T/R模塊組成，因此，可以通過數字式波束形成（DBF）技術、自適應波束控制技術和射頻功率管理等技術，使雷達的功能和性能得到極大的擴展，可以滿足各種條件下作戰的需要。并能因此而開發出很多新的雷達功能和空戰戰術。

AESA雷達面臨的挑戰

與大多數技術一樣，在AESA雷達技術的發展過程中，也面臨著一些挑戰，比如電源、散熱、重量和價格等。隨著技術的不斷進步，已經取得了很大的進步，例如，AESA雷達的重量在過去幾年中隨著尺寸的減小而減少了一半以上，這使得AESA雷達安裝在飛機上成為可能從而為戰斗機在多個方向上定向并提供更廣闊的視野。

AESA雷達及其未來

隨著AESA技術的發展，雷達將變得更小、價格更低。這使許多國家能夠將AESA納入地面、海洋和空中的傳統雷達系統中。

認知雷達：AESA技術的發展與信號處理方面的進步息息相關。這反映了非軍事領域的電子創新。由于軟件的改進，手機今天可以執行比十年前更多的任務。軟件創新的迅捷速度將對雷達領域產生影響，特別是在人工智能（AI）領域。做到這一點的關鍵在于，機器具有從目前以及過去的操作中汲取教訓并將其應用于當前環境的能力。所謂的“認知雷達”可以適應人工智能的要素。

新的半導體材料：氮化鎵（GaN）已經應用在AESA領域，它是一種高性能半導體，越來越多地用于TR模塊中。與使用砷化鎵（AsGa）的傳統AESA T / R模塊相比，它具有極高的耐熱性，因此能夠處理高功率傳輸，從而提高了雷達性能。下一種高性能材料將滿足以下要求：使現有的基于技術的系統“不足”，或者大幅降低制造成本。

模塊小型化：摩爾定律假定單個芯片上的晶體管數量每兩年翻一番。這使得電子產品功能更為強大，同時占用更少的空間。摩爾定律幫助雷達工程師將執行雷達功能的電子設備塞入單個TR模塊中。雷達的設計將繼續朝著微型化的方向發展，因為電子器件正在進入納米技術領域。這可能提供將電子設備安裝在不斷縮小的空間中的能力，并可能有助于進一步減少雷達的物理覆蓋范圍。例如，AN / SPY-1雷達的總重量為65,733千克：納米技術在雷達設計中的智能應用可以幫助大幅減少尺寸和重量，這不僅適用于軍艦，而且適用于整個平臺。

成本：成本是國防采購中一個長期存在的問題。與AESA雷達系統的技術性能一樣，制造成本是影響AESA應用的關鍵因素。

使用壽命：在 2016年，在美國陸軍冬季貿易展覽會上，雷神公司首次將其基于硝酸鎵（GaN）的AESA應用到愛國者（Patriot）防空和導彈防御系統，從而在國防技術領域成為頭條新聞。自首次亮相以來，該系統已成功完成1000個工作小時。通過將兩個面向相反方向的升級系統配對，實現360度范圍空域的覆蓋。

AN / APG-79 AESA雷達

F-18D/C/E/F原來配裝雷達APG-65/73，其AESA改進型編號為 APG-79。該雷達仍由APG-65/73雷達的制造商雷神公司研制。APG-79采用先進的AESA體制，于2003年7月30日在美國中國湖（China Lake）?？兆鲬?a target="_blank">中心配裝在F/A-18上進行成功首飛。新雷達可以同現有F/A-18機載武器相匹配，同時，設計留有日后充分擴展的余地。APG-79 AESA雷達極大地降低了載機的雷達可觀測性，即提高了飛機的隱身特性。雷達的可靠性和維護性也得到了根本的改善。

APG-79 AESA雷達為F / A-18空勤人員提供強大的功能。APG-79 AESA雷達系統代表了雷達技術的重大進步-從前端陣列到后端處理器和操作軟件。這種經過戰斗驗證的AESA雷達系統大大提高了美國海軍F / A-18E / F超級大黃蜂和F / A-18經典大黃蜂的力量，使其比以往任何時候都更強大。APG-79具有主動電子束掃描功能，從而優化了態勢感知能力，并提供了出色的空對空和空對地能力。敏捷的波束使多模式雷達能夠近乎實時地交織，因此飛行員和機組人員可以同時使用兩種模式。

APG-79現在已為美國海軍和澳大利亞皇家空軍全速生產，與以前的機械掃描陣列F / A-18雷達相比，其可靠性、圖像分辨率以及瞄準和跟蹤范圍明顯更大。憑借其開放式系統架構和緊湊的現成商用零件，它以更小，更輕的包裝提供了顯著增強的功能。該陣列由眾多固態發射和接收模塊組成，可從根本上消除機械故障。其他系統組件包括高級接收器/激勵器，堅固的COTS處理器和電源。APG-79（v）4汲取了經過戰斗驗證和可出口的APG-79 AESA雷達的技術創新，該雷達裝備了美國海軍和澳大利亞超級大黃蜂，并將其應用于經典大黃蜂。

除了APG-79外，雷神情報與航天還為F / A-18E / F飛機提供了其他幾種系統。其中包括當前的APG-73雷達，ATFLIR前視紅外瞄準吊艙，ALR-67（V）3數字雷達預警接收器，ALE-50牽引式誘餌以及各種導彈和炸彈，包括激光制導武器，例如Paveway激光制導炸彈和JSOW武器系統。

AN/APG-82(V)1 AESA Radar

APG-82（V）1 AESA雷達是美國空軍F-15E機隊的最新雷達技術。APG-82（V）1優化了F-15E的多用途任務能力。除了擴展范圍和改進的多目標航跡以及精確的交戰能力之外，APG-82（V）1還提供了比傳統F-15E APG-70雷達更高的系統可靠性。這種驚人的可靠性和可維護性水平將為美國空軍節省大量維護成本。

通過利用經過戰斗驗證的技術（在F / A-18E / F，EA-18G和F-15C平臺上飛行的APG-79和APG-63（V）3 AESA雷達），提供低風險，具有成本效益的高級態勢感知和攻擊雷達。配備APG-82（V）1 AESA雷達的飛機可以同時探測，識別和跟蹤比以往任何時候都更長的空中和地面目標。更長的對峙距離有助于持久地觀察目標和信息共享。這種出色的戰場意識支持更高的戰術任務能力，大大提高了飛機空勤人員的效率和生存能力，APG-79 AESA雷達設計現已擴展到APG-82（V）1，已在野戰F / A-18上進行了戰斗力驗證。

AN/APG-83AESA Radar

美國空軍認為諾斯羅普·格魯曼公司的AN / APG-83 SABR主動電子掃描陣列（AESA）雷達已經滿足在國民警衛隊F-16戰機上全面作戰能力的準備，可以滿足美國北方司令部聯合緊急行動需要（JEON） ）用于國土防御。美國空軍開始在南達科他州蘇福爾斯的喬·佛斯場的空軍國民警衛隊F-16上安裝APG-83雷達，這是美國第四個接受AN / APG-83 SABR AESA雷達升級的空軍基地。

美國空軍尋求用最新的AESA技術取代F-16的機械掃描AN / APG-66和AN / APG-68雷達。作為F-16的“合身”解決方案而開發，SABR的安裝無需對飛機的結構、電源和冷卻系統進行任何重大改動。正如美國空軍所指出的，SABR雷達帶寬的增加將使F-16能夠更快、更遠地檢測，跟蹤和識別更多目標。諾斯羅普·格魯曼公司 SABR計劃負責人馬克·羅西（Mark Rossi）說，SABR雷達使F-16戰機飛行員能夠更快地，在威脅范圍之外，更遠的距離檢測、跟蹤、識別和瞄準大量威脅目標，而這種升級將使多用途F- 16架與戰斗機相關并且能夠在未來幾十年內使用的戰斗機。

F16戰斗機集成了傳感器套件，有源電子掃描陣列或AESA雷達和集成電子戰即EW系統。有源掃描陣列雷達是諾斯羅普·格魯曼公司最先進、集成高技術核心的敏捷雷達。傳感器系統具有多種空對空和空對地模式， AESA的眾多優勢包括同時快速掃描目標、空對空和空對地功能以及更高火控可靠性，AESA雷達空對空模式可以檢測多架來襲的飛機，并最終制導多個的空對空武器。

AESA雷達可在空中和地面目標之間快速切換，高分辨率合成孔徑雷達或SAR測繪可實現對地面遠距離目標的精確定位和準確識別。使用雷達SAR模式能夠讓飛行員可以確定在哪里放大以獲取更多目標細節信息，從而增加戰斗力能力和態勢感知能力，AESA雷達提供出色的地面移動目標指示，即GMTI，檢測并指示慢速移動目標。使用AESA雷達識別潛在目標，任務系統在任何情況下，都可以實施，可以選擇白天或黑夜摧毀目標，傳感器都可以檢測地面目標和激光制導武器。

AESA精確目標定位功能可以不斷的更新目標坐標，從而具有更高的概率，對目標實施直接打擊，提升戰機攻擊性能，在戰機上，電子戰套件增強了飛行員的態勢感知能力， 通過識別空中和地面上的攻擊武器以提高生存能力，先進的數字雷達預警接收機與電子設備的結合協助戰斗人員減少暴露在在敵威脅中的機會，并對其進行干擾和對抗，識別出所有來自敵、友以及未知的信號，在必要的時候進行標識、標記和顯示，并在所有模式下與AESA同時進行操作。諾斯羅普·格魯曼公司 F-16戰斗機的傳感器系統套件具有出色的多任務功能能夠有效支持空對空、空對地和電子戰行動。

諾斯羅普·格魯曼公司設計了SABR-“佩刀”系統，以便于安裝和生產新型F-16戰斗機，并對現有的F-16 A/V和F-16 C/D飛機進行改裝?！芭宓丁钡脑O計可確保不對機身進行結構修改。適合于現有功率和冷卻需求，并且重量比F16上的先前機械掃描陣列輕。用于現場升級到AESA的工作非常簡單，首先移除了現有雷達的四個可更換單元。拆除處理器、接收機的激振器、行波管發射機、現有的雷達架、雷達電纜和電纜支架的波導和管道系統。

最后，拆除機械掃描的天線?！芭宓丁盇ESA安裝套件包含所有必要的部件?！芭宓丁崩走_機架預先安裝了新的雷達電纜線束，并使用現有的13個機架安裝點進行安裝，就像所有高性能AESA雷達一樣，“佩刀”雷達陣列需要液體冷卻?！芭宓丁卑í毩⑹江h境控制系統或ECS，該系統可在現有冷卻空氣分配下運行。ECS包括一個熱交換器，該熱交換器將雷達的熱量從液體傳遞到飛機提供的冷空氣，并用螺栓固定在雷達機架和支架上。

它直接連接到現有的飛機ECS管道。ECS是用于冷卻液的過濾器和泵。用螺栓將其固定在機架上，然后將冷卻劑管線固定在“佩刀”ECS系統和新的管線可更換部件上。接收器勵磁機處理器或REP是構成“佩刀”系統的兩個管線可更換部件之一。REP是模塊化架構，結合使用LR和接收器激勵器LRU的功能。LR集成不僅允許添加ECS系統，同時保持在先前雷達系統的所占空間內，在重量更輕的情況，還可以提高性能、可靠性和故障隔離度。天線電源轉換器像一個可更換線路的單元一樣安裝。該單元轉換成一個當前分配給機械掃描雷達的交流電源的一部分，為新的AESA陣列供電。

裝配在F-16戰機上的AN / APG-83AESA雷達

完成安裝第二個“佩刀”LRU的AESA天線安裝后，天線連接到飛機上現有的天線安裝點。AESA天線非常牢固，具有高度可靠性。陣列中嵌入的各個發射接收模塊取代了單行波管發射器。所有諾斯羅普·格魯曼公司的AESA “佩刀”有源陣列均具有典型的模式交織和極高的掃描速率?？罩心Ｊ娇梢詸z測到多架來襲的飛機，并最終實現多種潛在的空對空武器發射。高分辨率合成孔徑雷達或SAR測繪可以向飛行員展示一幅巨大的圖像，從而可以在很遠的距離上精確地定位目標，并進行積極識別?？梢允褂谩芭宓丁盨AR模式確定目標區域。飛行員可以確定放大目標位置圖像，提高了戰斗能力和態勢感知能力。






審核編輯：劉清