弹载有源相控阵雷达的应用

文/中秋   2016-05-07 07:33:15


文/中秋


◎ 日本AAM-4B空空导弹,由于采用的主动相控阵雷达比较耗电,导弹需要增加燃料而导致体积重量加大


相控阵雷达又被称为相位控制阵列,是通过改变雷达波相位来改变雷达波束方向,也被称为电扫雷达。相控阵雷达目前分为整体馈源的无源相控阵,和子阵带独立馈源的有源相控阵。有源相控阵被通称为AESA,也是电扫相控阵雷达技术的高端产品。

相控阵的优点是可以取消机械方向指向机构,波束依靠电控偏转的指向灵活,无惯性,数据更新速率快,适合与数字式信号处理系统综合,还具有功能转换速度快,可靠性高和抗干扰能力强的优点,但也存在工艺技术难度比较大,阵面成本较高的弱点。

AESA现在已经成为机载雷达应用的尖端技术,弹载AESA的很多技术也已经接近或达到实用标准,美国、日本、俄罗斯和西欧国家均已开始具体应用项目的研究。中国作为军用航空电子技术的后起之秀,也逐步具备了第二梯队的技术实力。

主动雷达导引头的技术特征

主动雷达是第四代雷达制导空空导弹的代表特征,是现代战术导弹雷达导引头的主流,也是实现复合制导和全向搜索功能的技术基础。现有采用主动雷达导引头的战术导弹,导引头大都是由天线、机械位标器和发射机组成,雷达天线依靠机械位标器运动实现扇面扫描。

常规机扫雷达的技术成熟,重量轻,成本较低,机械扫描的工作角度范围大,弹体轴线大偏角扫描的距离衰减率也较低。机械扫描的优点不少,但机扫天线需要结构复杂的方向和滚转稳定装置,天线运动时还要克服惯性的影响。同时,雷达罩内必须留出够天线自由转动的半球形空间,致使雷达罩的尺寸和外形都受到限制,无法根据气动要求进行最优化处理。雷达天线机械扫描的覆盖范围大,天线阵面不透波的技术特点,也限制了不同导引方式的集成。现有采用复合制导技术的雷达制导战术导弹,大都将雷达作为主要导引措施,红外制导则大都安装在弹体侧面以避开雷达天线(如“标准”Ⅱ和“雄风”Ⅱ),或采用缩小天线/光学窗口尺寸的方式,将两种导引头集中安装在弹头的不同位置,结果就是要么限制辅助导引系统的工作视场,要么影响导引系统的可用窗口面积,最终都要限制复合制导技术的综合效果。

相控阵天线的技术特点

AESA天线的优点是采用集中式收/发机模块,天线阵面可以集成大量功能单元体,功率密度比平板缝隙天线要高得多,并可依据电扫描方式实现较大的天线尺寸。如果用通俗的对比描述雷达的原理,可以用电筒作为例子。

常规的平板缝隙雷达类似于用灯泡的普通电筒,灯泡就等同于雷达的馈源。灯泡发出的光通过反射镜头(波导管)反射,由点形成面后产生等镜头的光束前向照射,照射的光(雷达波)是集中的光/波束。普通的平板缝隙雷达天线是这样,无源相控阵则是采用背光板的方式,把集中的能源分配给排列成阵的无源反射体。有源相控阵雷达则类似平板背板上密集安装着LED灯的电筒,每个灯都有独立的光源和反射体,密集排列的点光源共同组成等镜头的照射波束。通过类比描述的过程,现有的雷达系统,无论是平板缝隙还是相控阵,形成的雷达波束都是集中的,相控阵虽可利用不同的单元形成多个照射波束,但波束分解后单独波束的功率是降低的,探测距离显然无法和集中波束相比。

相控阵天线阵组件的数量取决于波长和天线面积,单独T/R模块的功率则由材料决定。现有相控阵天线T/R组件大都采用传统的GaAs(砷化镓),该材料技术和生产工艺相对比较成熟,应用广泛,综合性能还有提高的潜力,近年来已找到更适合的新材料。弹载雷达的T/R组件如果采用GaN(氮化镓)和SiC(碳化硅)替代目前的GaAs,T/R组件可输出的功率理论上能提高近10倍(甚至超过10倍),雷达的探测和稳定跟踪距离都将有很大的提高。

材料的改进可以获取很大的性能收益,但对空间和能源供应条件不好的弹载雷达,高性能材料往往还要受其它因素限制。同时,雷达性能的改善程度往往无法与材料单纯的性能平衡。按照正常的技术原理计算的结果,AESA的功率与探测距离的变化并不等同。用现有AESA天线技术作为依据,雷达天线辐射的总功率增加10倍后,集中波束的探测距离只能增加0.87倍。正是考虑到地球曲面和远距离角测量精度的影响,机载雷达的功率与搜索距离之间必须找到最佳平衡点。增大搜索距离对作战平台有价值,但付出的电源和冷却代价,却限制了相控阵雷达增加功率的实用条件,工作环境更恶劣的弹载雷达面对的困难显然要比机载雷达更大。


◎ 主动相控阵雷达T/R组件数量,“阵风”的RBE-2雷达(左)约840个,“台风”的Captor-E雷达(右)接近1 500个,但雷达性能并非简单由此决定


◎ F-111(左)和图-22M(右)不需要雷达有大的上视扫描范围,雷达罩上方可采用接近平面的非对称外形


相控阵主动雷达导引头的发展

常规雷达需要进行方向和俯仰扫描,这就要给雷达天线提供机械扫描的驱动装置,盘形天线的两轴运动会形成一个半球形空间。如果将雷达用于高速运动的飞行器,就需要为天线提供一个低阻力的空腔透波结构。飞机的雷达天线罩和导弹的导引头舱,都采用了低阻力的尖顶或卵形回转体外形。雷达罩的截面积要明显大于包容的天线面积,前向收缩的曲面也要受天线旋转的球面限制。如果用飞机作为例子去对比,追求雷达全向扫描的战术飞机大都采用轴对称外形的雷达,专用的对地攻击飞机(如图-22M和F-111)不需要雷达有大的上视扫描范围,雷达罩上方可采用接近平面的非对称外形。

现有战术导弹雷达导引头大都采用单脉冲体制,现役先进空空导弹的雷达导引头基本都采用了平板缝隙天线,下一代或现役改进型则会选择AESA天线。相控阵雷达用固定阵面就能实现高于±45度的扫描范围,这就有条件通过对固态天线阵面的设计,省下机械扫描装置和天线活动的空间,更好的利用导弹全弹径的截面积,使雷达天线形状尽可能与气动外形相适应。

现有导弹雷达制导天线大都是轴对称的正圆形,这是为了适应弹体的结构和简化气动控制,也是为满足导弹大过载俯仰和滚转时雷达天线的稳定要求。如果实现固定阵面的全电扫,雷达天线将成为弹体结构的一部分,这就能依据导弹的特点和控制要求,采用扁圆甚至碟形截面的升力弹体,实现中、远距导弹小/无翼的高升力气动布局,为导弹选择低阻力和低信号特征的异形天线罩,最大限度解决天线口径和天线罩的限制。


◎ 俄部分空空导弹上的脉冲多普勒雷达,左为R-27R/ER上的9B-1101K单脉冲半主动雷达,中为R-77上的9B-1348E主动雷达,右为R-27AE上的9B-1103K主动雷达


◎ 这架苏-35机翼前缘的一排黑色小片是用于安装L波段主动相控阵雷达的支架


按照AESA雷达天线的设计,T/R单元体安装在平面上的叫平面阵,安装在曲面上的称为曲面阵,与安装平台外形一致的则称为共形阵(CPA)。研制中的弹载AESA主要采用两种天线形式,扫描夹角较小的普遍采用平板电扫,扫描角要求比较高的则侧重采用共形阵,使天线单元不仅集中在前向,在侧向也可以提供比较好的指向性。

平面阵的各单元处于相同平面,波束方向和成形技术最简单,信号处理难度也最小,目前已经应用的弹载AESA,基本都选择了平面单天线阵面结构。

现有共形阵方案主要有筒形、曲面和球形这几类。按照国外公开专利的设计方案,AESA共形阵天线的电扫范围可达±150度,最佳扫描范围约±120度,接近无搜索空白区的全向搜索和跟踪技术要求。柱形阵和锥台阵天线的单元覆盖面积大,单元数量较多,总功率大。但是,共形阵的单元体空间布局比平面阵复杂,各单元的指向轴向存在角度差,必须用软件消除曲面上各单元T/R空间位置形成的波束差异,并在信号处理中消除反射信号的误差,信号处理软件设计复杂,技术难度很大。

根据统计数据,电子设备故障的55%是由高温引起,雷达也不例外。弹载AESA相对其它平台AESA的主要难题,是在小弹体空间和高气动加热(超音速战术导弹)的环境中,如何保证全电扫天线阵面的温度控制和热管理。雷达在工作时会产生很高热量,AESA的整个天线是由T/R组件构成的“热”板,天线又处于封闭的天线罩内,散热难度很大。弹载天线的尺寸小,弹体空间非常紧张,常规机载AESA的液冷技术难以用于弹载,也缺乏风冷系统必须的循环管道和散热片的空间。散热系统效能直接关系弹载AESA的效果甚至成败。

考虑到战术导弹使用时的雷达工作时间短,雷达的高温周期大都在150秒以内,AESA天线可利用弹载低温冷却系统整体浸入液冷,或结合固态石蜡/石墨复合(PCM)储/散热的循环液体强冷装置。弹载天线冷却系统结构复杂,零组件与系统综合的工艺要求,以及系统质量和产品性能一致性要求非常严格。

国外弹载相控阵的技术特征

俄罗斯已经公开展示了R-77M配用的相控阵雷达导引头,是在原有机扫天线驱动平台上,用64模块单元AESA天线替代平板缝隙天线,采用主/被动复合方式,既能固态电扫又可机械扫描。这种做法不需要对导引头和天线罩进行大的改动就能对新生产及现有的R-77进行AESA天线改造。

弹载平板AESA天线如果采用固定阵面,理论上可以利用弹体整个截面,但受到电扫描天线探测距离随偏差角增加而减少的影响,即使增加波束驻留时间,平板AESA天线大偏角扫描的效果也并不算好,弹载天线也难以采用机载天线的复杂软件。针对全电扫AESA雷达大角度范围搜索距离下降的性能局限,俄罗斯为苏-35S配置的PESA无源相控阵,及欧洲国家为JAS-39和EF-2000配装的新型AESA火控雷达,均采用了电扫与机扫组合的方式,小偏角利用天线电扫描的方式,大角度则依靠机扫提供天线的侧向倾斜角,弹载相控阵天线直接利用了这种方法。

俄罗斯弹载相控阵天线的缺点是重量和占用空间大,天线罩的外形仍然受到天线旋转空间限制,优点则是AESA天线设计和工艺简单,用机扫使天线在整个前半球都能获得均衡的搜索距离。如果从技术上分析,俄罗斯为R-77M选择机-电混扫AESA雷达,主要是因为其电子移相器的技术水平不高,传统移相器的体积和重量太大,难以综合到R-77的弹体中。R-77M的AESA导引头的设计性能不错,但因为天线尺寸小,阵面采用了交错条形构成的矩形,雷达天线的总面积要小于普通的盘形天线,这也在部分程度上削弱了AESA的性能优势。


◎ T-50外挂R-77M空空导弹替代物进行测试飞行,下图为R-77M配用的主动相控阵雷达


◎“台风”的Captor-E主动相控阵雷达工作状态示意


美国空军为双用途对空导弹增加反巡航导弹性能要求后,将新的项目改称为3T,并计划采用C/Ka双波段宽带主/被动AESA导引头。按照已经公开的3T导弹的导引头资料,C波段有利于应付低信号特征目标,用来承担远距离搜索和跟踪任务,对RGS数值为0.1的空中目标(隐身飞机、巡航导弹)的跟踪距离为40千米。Ka波段则用于近距离高精度制导,具备依靠弹体动能毁伤目标的制导精度。

美国军方弹载AESA的研究范围比较大,不仅涉及到先进对空导弹,还计划将其用于反辐射导弹和远程反舰导弹。美国依托其军用电子技术,已经具备接近实用标准的低功耗主/被动AESA导引头的技术实力,除较为常规的多层贴片结构外,还投入资源推动大扫描角共形阵天线,及微机电系统(MEMS)电子扫描阵列的研究。

按照资料中公开的数据,美国采用MEMS点扫阵面的样机,实现了X/Ka双波段共阵,X波段60个T/R组件总功率30W,Ka波段768个T/R组件总功率也为30W。通过研究已经证明,采用低成本的GaN,并用MEMS替代传统移相器,T/R组件的成本和功耗均可以降低约90%,具有非常大的发展潜力。

美国目前开始的几个项目的技术起点很高,既有平面阵也有共形阵。现有方案的频率大都选择了双波段,较为重视毫米波测量精度高的性能优势。

弹载AESA天线的阵面技术发展

军用电子强国在上世纪末即开始弹载AESA的工程研究,在本世纪前10年有大量预研项目公开,但很多项目的公开资讯近年却开始减少。公开资讯减少很少意味着项目已经失败,更多的是随着预先研究进入工程化发展阶段,工作内容开始涉及工艺和性能的具体数据,项目已进入保密的装备科研阶段。

AESA已经成为先进战斗机的基本配置,也是现役战斗机改进重点。机载和弹载AESA的技术差异不过是处理软件不同,它们有很多技术共性,但并不是把机载AESA天线分成几块就可以改造成几个弹载AESA雷达那样简单。

T/R组件是AESA雷达的核心,直接影响着雷达的性能与成本,任何有效的技术改进都会带来明显变化。现阶段AESA雷达天线的成本很高,机载雷达的重复使用性能够降低对成本的敏感度,弹载AESA则是一次性消耗品,必须低成本。数字式移相器和微波集成电路(MMIC)的应用,能大幅降低T/R单元体的尺寸和重量,尤其是采用MMIC结构的贴片式T/R组件,能降低AESA天线重量。MMIC、MEMS和GaN的批生产使得各国已经有研制出小型化、低能耗弹载AESA雷达的条件。

从目前应用看,AESA具备的灵活波束和高可靠性,作为攻击单目标的导弹导引头使用时的性能优势并不算突出,而AESA远超过普通机扫平面/抛物面天线的成本,以及弹上电源的供应条件,系统冷却的难度,均限制了这种雷达在战术导弹上的应用。日本和俄罗斯目前已经有AESA弹载雷达的应用例子,但把平板缝隙阵面简单更新为T/R组件阵面,并不能发挥出AESA雷达系统的根本技术优势。

弹载AESA雷达是未来导弹技术发展的重点目标,但从好用到用好之间却存在很大距离。根据各国雷达技术发展现状,弹用AESA雷达最重要的目标就是降低成本,或利用共形阵等提供特别有价值的性能。只有突破效费比瓶颈后,弹载AESA雷达才能取代常规雷达。

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