相控阵雷达（新型的有源电扫阵列多功能雷达）

种类

相控阵雷达可以分成两个种类。第一，被动无源式，简称PESA，它是一种技术性能比较低的雷达，在上世纪80年代已经发展成熟，并且应用于舰艇和中小型的飞机上面。第二种，是比第一种性能更加优异，发展前景也足够好，并且技术性能也更加的高的雷达技术，这种技术是到了90年代末才得以应用，开始应用于战机和舰载系统的，这种技术就是“主动有源式（AESA）”。

简介

相控阵雷达是一种新型的有源电扫阵列多功能雷达。它不但具有传统雷达的功能，而且具有其它射频功能。一般的雷达波束扫描是靠雷达天线的转动实现的，被称为机械扫描。而相控阵雷达是用电的方式控制雷达波束的指向变动来进行扫描发现目标的。这种方式被称为电扫描。相控阵雷达虽然不能像其他雷达那样靠旋转天线来使电磁瓣转动，一个相位一个相位地进行搜索。但它自有自己的“绝招”，那就是使用“移相器”来实现电磁瓣转动。

在相控阵雷达直径为几十米的圆形天线阵上，排列着上万个能发射电磁波的辐射器，每个辐射器配有一个“移相器”，每个“移相器”都由电子计算机控制。当雷达工作时，电子计算机就通过控制这些“移相器”，来改变每个辐射器向空中发射电磁波的“相位”，从而使电磁瓣能像转动的天线一样，一个相位一个相位地偏转，从而完成对空搜索使命。

相控阵雷达使用1个不动的天线阵面，就可以对120度扇面内的目标进行探测，使用3个天线阵面，就能实现360度无间断的目标探测和跟踪。“铺路爪”就有3个固定不动的大型天线面阵，可以对360度范围内的目标进行探测，探测距离达5000公里。

当相控阵雷达警戒、搜索远距离目标时，虽然看不到天线转动，但上万个辐射器通过电子计算机控制集中向一个方向发射、偏转，即使是上万公里外来袭的洲际导弹和几万公里远的卫星，也逃不过它的“眼睛”。如果是对付较近的目标，这些辐射器又可以分工负责，有的搜索、有的跟踪、有的引导，同时工作。每个“移相器”可根据自己担负的任务，使电磁瓣在不同的方向上偏转，相当于无数个天线在转动，其速度之快非一般天线所能相比。正是由于这种雷达天线摒弃了一般雷达天线的工作原理，利用“移相器”来实现电磁瓣的转动，人们给它起了个与众不同的名字——相控阵雷达，代表着“相位可以控制的天线阵”的含义。

概念

相控阵雷达（PAR），就是指通过相位控制电子对阵列雷达进行扫描，利用大量的个别控制的小型的天线进行单元排列，最终形成天线阵面，并且每一个天线单元都由各自独立的开关进行控制，形成不同的相位波束。相控阵的发射是以一种干涉原理形成一个将近于直的雷达主瓣，许多旁瓣的产生是因为进行组合的天线单元是不均匀的。

原理

相控阵雷达的天线阵面也由许多个辐射单元和接收单元（称为阵元）组成，单元数目和雷达的功能有关，可以从几百个到几万个。这些单元有规则地排列在平面上，构成阵列天线。利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位，就可以改变波束的方向进行扫描，故称为电扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。每个天线单元除了有天线振子之外，还有移相器等必须的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流，从而在空间辐射出不同方向性的波束。天线的单元数目越多，则波束在空间可能的方位就越多。这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线，“相控阵”由此得名。

例如，美国装备的“铺路爪”相控阵预警雷达在固定不动的圆形天线阵上，排列着15360个能发射电磁波的辐射器和2000个不发射电磁波的辐射器。这15360个辐射器分成96组，与其他不发射电磁波的辐射器搭配起来。这样，每组由各自的发射机供给电能，也由各自的接收机来接收自己的回波。所以，它实际上是96部雷达的组合体。如果我们把通常的雷达称作“个体户”，那么相控阵雷达就相当于一个“合作社”了。

特点

相控阵雷达相比其他的雷达是具有强大生命力和灵活性，是由于它远胜于一般的、应用机械进行扫描的雷达，它的特点主要有如下几个方面。

同时针对多个目标

相控阵雷达是使用电子扫描的，它的波束指向具有灵活性，使得扫描可以快速进行，也可以实现多个目标的同时跟踪，并与计算机相互配合能对多个不同方向、不同高度的目标进行有效的发现、勘探以及进行跟踪，与此同时能够引导多枚导弹对众多个空中的目标进行攻击。因此相控阵雷达多使用于目标众多、方向不同并且有不同层次的空袭中。

功能的多样性，机动性强

相控阵雷达是一部可以代替多部专用雷达工作的系统，它可以同时形成多个波束并且对其进行独立的控制。这些波束可以进行搜索、勘探、识别、跟踪、对目标进行照射以及对导弹进行制导等。正因为如此，它可以很大程度的对武器系统设备进行减少，从而提升了系统的机动能力。

对干扰的抵抗能力强

相控阵雷达具有非常高的功率并且能对能量进行合理地管理，并对主瓣增益进行控制根据方向的不同分配不同的能量并进行发射，这样做更有益于对自适应旁瓣的抑制。也有益于进行各种干扰自适应的抵抗，可以快速的发现远距离目标以及小型雷达反射面的目标，与此同时还可以对反辐射导弹的抵抗能力。

相控阵雷达的发射系统由数十至上百块功率放大模块组成，通过相控阵天线采用集中式发射，集中向天线面阵馈电并通过移相控制波束方向，发射馈线损耗较大，同时放大模块故障率较高。相控阵发射机长时间工作后，经常出现个别功率放大模块和线缆老化情况，虽然不会使雷达整体停止工作，但辐射方向图和波束指向均会发生偏移，进而对雷达精度和探测范围产生影响，亟需低成本的有效、可靠方法实现发射机全部功率放大模块的有效实时监控，从而降低相控阵雷达检修维护的难度。

现实应用

相控阵雷达在现代战争中广泛地应用着电子定位技术，并且对其进行了深入的探索，在军事中，海空中进行远程的精准打击是很大的需求，这就要求定位技术的更深层次的应用。

靶场测量：靶场是常见的对武器装备进行实验以及鉴定的场所，还可以对航天器进行实验、发射。靶场的测量是在试验的基础上，为应用服务的。

1.导弹靶场。导弹靶场分为两个部分，即上靶场和下靶场，上靶场也被称为发射区或者首区，下靶场也叫做再入区或者是落区、着弹区。导弹的上靶场是对导弹进行发射的场所。它的主要任务就是监视导弹的飞行轨道是否是预设轨道，是确认靶场安全的依据，并且对新型的导弹在飞行过程中出现的各种物理现象提供数据。导弹的下靶场，主要是对导弹目标的特性以及反导武器的系统进行测量和鉴定的场所。

2.航天靶场。战略导弹是航天运载火箭的基础，所以，早期的导弹靶场想在依旧是中孤傲的航天器发射点。

3.常规靶场。常规靶场可以分为常规兵器靶场以及电子靶场。其中常规兵器靶场一向是各个国家要进行大力发展的重点。它具有威力大，精度高，多种功能，效能好以及费用低廉的特点。

历史

无源相控阵雷达

20世纪60年代，美国和前苏联相继研制和装备了多部相控阵雷达，多用于弹道导弹防御系统，如美国的AN/FPS-46、AN/FPS-85、MAR、MSR，前苏联的“鸡笼”和“狗窝”等。这些都属于固定式大型相控阵雷达，其共同点：采用固定式平面阵天线，天线体积大、辐射功率高、作用距离远。其中美国的AN/FPS-85和前苏联的“狗窝”最为典型。

20世纪70年代，相控阵雷达得到了迅速发展，除美苏两国外，又有很多国家研制和装备了相控阵雷达，如英、法、日、意、德、瑞典等。其中最为典型的有：美国的AN/TPN-25、AN/TPQ-37和GE-592、英国的AR-3D、法国的AN/TPN-25、日本的NPM-510和J/NPQ-P7、意大利的RAT-31S、德国的KR-75等。这一时期的相控阵雷达具有机动性高、天线小型化、天线扫描体制多样化、应用范围广等特点。

20世纪80年代，相控阵雷达由于具有很多独特的优点，得到了更进一步的应用。在已装备和正在研制的新一代中、远程防空导弹武器系统中多采用多功能相控阵雷达，它已成为第三代中、远程防空导弹武器系统的一个重要标志。从而，大大提高了防空导弹武器系统的作战性能。在21世纪，相控阵雷达随着科技的不断发展和现代战争兵器的特点，其制造和研究更上一层楼。

技术发展

（图）装备有源相控阵雷达的欧洲战斗机首飞[欧洲战斗机

雷达体制从无源到有源

作为有源相控阵雷达的前身，无源相控阵雷达的发射机与天线分离配置，射频能量从发射机通过复杂昂贵的波导管馈送至天线。但是，波导管穿过甲板、隔舱等舰体结构，自然会影响舰体的强度；而且这种配置的可靠性也较低，一旦发射机组或波导管出现故障或战损，就会导致整个雷达系统的失效。同时，无源相控阵雷达由行波管之类的发射机来提供功率，要增大雷达发射功率不那样容易。人们认识到了无源相控阵雷达的上述缺点，设法寻找新的雷达模式。

微波集成电路的快速发展带来了机遇——人们可以在砷化镓晶片上做出几厘米大小、能发射/接收电磁波的小单元，用来取代庞大的行波管和天线。将一个个这种小单元（移相器）排成阵列，就成为发射机与天线合一的有源相控阵雷达。与无源相控阵雷达不同，有源相控阵雷达抛弃了集中式发射机，而是每一个天线单元都配备一个独立的雷达发射机，只要增加天线的发射/接收单元数，就可以增加发射功率。

有源相控阵雷达不使用穿过舰体的波导管，降低了系统的复杂性和体积，也相应减少了馈电系统造成的能量损耗；每个天线单元均具备独立发射与接收电磁波的功能，少数天线单元的故障或受损不会导致整个系统的失效，故可靠性与抗战损能力有了大幅度的提升；高峰值功率是通过诸多天线单元合成的方式来实现的，因此降低了对微波元件的峰值功率要求，有助于降低成本。同时，有源相控阵雷达在雷达波束的分配、管理与运用上也更加灵活，有利于提高雷达系统的反应速度与效率。^[3]

（图）俄超大型相控阵雷达系统

全面提升

能力

在电子对抗日趋激烈的未来海战场环境中，为了有效地发挥雷达的信息作战优势，强大的抗干扰、电子压制能力不可或缺。面对海军作战区域由远洋向近岸水域转变的趋势，水面舰艇所面临的威胁与实战环境也变得更加复杂。对舰载相控阵雷达来说，浅滩、急流、礁石、岛屿、海岸线陆地、丛林等复杂地形所造成的杂波和多重反射，对海空目标的侦测造成了很大干扰，急需提高雷达的抗干扰能力。而有效对抗反辐射导弹的威胁，也成为确保舰载相控阵雷达生存和有效运用的必要前提。^[2]

采用雷达低截获概率技术

舰艇要改善隐身性能，除了降低雷达反射截面之外，还需要严格控制舰载设备发射的各种电磁波，以避免敌方探测到舰艇位置。而舰载相控阵雷达必须时常开机，会发射大量电磁波，对舰艇隐身十分不利。因此要采取降低峰值功率、编码扩展频谱、削减波束旁瓣等“雷达低截获概率技术”，使敌方难以捕捉到相控阵雷达发射的信号，或由于信号太微弱而无法判定雷达载舰的准确位置。这种技术还有助于提高舰载相控阵雷达对抗反辐射导弹的生存能力。

增强弹道导弹侦测能力

海基导弹防御系统比陆基系统有更高的灵活性和远程机动部署能力，因此，侦测弹道导弹并引导防空导弹实施拦截，已成为舰载相控阵雷达的重要使命。美国改进AN/SPY-1系列相控阵雷达，以满足海基反导的需求；英国的“桑普森”相控阵雷达具备了相当的侦测弹道导弹的潜力，已获得美国弹道导弹防御局的资助；荷兰的“阿帕”雷达也具备一定的探测弹道导弹能力，有可能成为欧盟发展海基战区导弹防御的基础。

除此而外，舰载相控阵雷达还力求与舰载指控系统、数据链、编队网络整合并高速交换数据，争取能通过雷达反射特性快速辨识目标舰（机）。长远目标是整合各种舰载雷达的功能，以期用1部多功能相控阵雷达满足从远程导弹拦截到近距防御的多种需求，如远距离探测、跟踪、目标锁定以及各类舰载武器的导引、作战指挥，从根本上简化舰艇的雷达配置。^[3]

发展趋势

多功能相控阵雷达的发展经历了无源、有源以及数字三个阶段。无源相控阵雷达配置了中央功率产生器,可以通过雷达内的无源网络对发射功率进行调整,如使用透镜系统或波导网络对阵元的信号发射功率进行分配等。相较于传统的机械雷达,其最大的特点是为每一阵元分配了独立的移相器。有源相控阵雷达则是为每一阵元配置了一组完整的组件,利用该组件完成中央功率产生器的相关功能,且其功能更完善如相位与增益可调,集成度与灵敏度更高。数字相控阵雷达则将进一步提升了固态集成电路的占比,将数字波束形成技术应用到相控阵雷达中来提升雷达的扫描频率、扫描范围以及抗干扰性。

由于多功能相控阵雷达技术先进、制造成本高昂，除了军事用途之外，还可以作为气象雷达和空中交通管制雷达。其发展趋势是，在技术性能方面朝着薄型轻型封装、宽的全带宽和瞬时带宽、多任务功能、动态软件(认知)模式、模块化开放系统结构(MOSA)、多领域可兼容性工作方向发展;在战术性能方面朝着多功能、自适应、网络化、可互操作性方向发展;在服务保障方面朝着高可靠性、可维护性，迅速更换模块方向发展。 

封装:薄型、轻型、共形天线，较少元器件、外场可更换单元、外场可更换模块。 

带宽:不断加宽的全带宽和瞬时带宽。 

更多任务功能:雷达、通信、电子战、情报、监视、侦察、无源传感。 

动态软件(认知)模式:自适应模式应对电磁和目标环境。通过感知、分析外部目标和环境的特性，来改变系统工作模式及发射信号波形，优化配置系统资源，实现雷达系统的“在线闭环探测”，充分利用先验信息，使系统整体性能最优。 

MOSA:模块开放式系统结构可选用最佳的模块来构建系统。 

交叉领域工作:在系统与系统中的模式、通信和处理可兼容。 

性能:多功能/多任务、适应任务需求、内置硬件/软件的增多、在各级上可扩展性能、网络准备、网络中心、可互操作性。 

服务保障:可靠性与可维护性、系统的通用性、世界范围内的补给站与后勤保障、相同的维修手册、迅速而简易的外场可更换模块的换取。

性能特点

（图）Zhuk-AE主动相控阵雷达

（2）功能多，机动性强。相控阵雷达能够同时形成多个独立控制的波束，分别用以执行搜索、探测、识别、跟踪、照射目标和跟踪、制导导弹等多种功能。一部相控阵雷达能起到多部专用雷达的作用，如“爱国者”的一部多功能相控阵雷达可以完成相当于“霍克”和“奈基”－2型9部雷达的功能，而且还远比它们能够同时对付的目标多。因此，可大大减少武器系统的设备，从而提高系统的机动能力。

（3）反应时间短、数据率高。相控阵雷达可不需要天线驱动系统，波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，从而缩短了对目标信号检测、录取、信息传递等所需的时间，具有较高的数据率。相控阵天线通常采用数字化工作方式，使雷达与数字计算机结合起来，能大大提高自动化程度，简化了雷达操作，缩短了目标搜索、跟踪和发控准备时间，便于快速、准确地实施畦达程序和数据处理。因而可提高跟踪空中高速机动目标的能力。

（4）抗干扰能力强。相控阵雷达可以利用分布在天线孔径上的多个辐射单元综合成非常高的功率，并能合理地管理能量和控制主瓣增益，可以根据不同方向上的需要分配不同的发射能量，易于实现自适应旁瓣抑制和自适应抗各种干扰，有利于发现远离目标和小雷达反射面目标（如隐形飞机），还可提高抗反辐射导弹的能力。

（5）可靠性高。相控阵雷达的阵列组较多，且并联使用，即使有少量组件失效，仍能正常工作，突然完全失效的可能性最小。此外，随着固态器件的发展，格控阵雷达的固态器件越来越多，甚至已生产出全固态儿控阵雷达，如美国的。“爱国者”雷达，其天线的平均故障间隔时间高达15万小时，即使有10％单元损坏也不会影响雷达的正常工作。

当然，相控阵雷达不是十全十美的，也有其缺点。主要是造价贵，典型的相控阵雷达比一般雷达的造价要高出若干倍。此外，相控阵雷达对于短程弹道导弹的袭击可以说是无能为力，这也是美国为什么担心中国大陆方面在福建沿海部署东风导弹的原因。^[1]

工作方法

（图）苏35的新相控阵雷达

相控阵雷达由发射系统、天线阵列和波控机、接收和信号处理系统、中心计算机、数据处理和显示系统等组成。与普通雷达相比，最根本的差别在于它靠控制阵列天线各辐射单元的相位来改变相位波前的倾角，以改变波束方向。发射系统产生一定发射波形的高功率射频信号，馈送到所有天线单元，以便向空中辐射。中心计算机计算出规定波束指向的相邻单元的相位差，然后由波控机算出每个辐射单元的移相器应有的相位并控制驱动器使移相器达到该相位，从而使天线波束准确地指向规定的方向。波束跳跃的最大速度由计算机-波控机所需的计算时间和移相器-驱动器转换所需要的最少时间决定。形成波束的天线阵元数可以改变，因此波束形状可以控制。每个天线单元接收来自目标的回波信号，经过相干相加、放大、检波后送给数据处理和显示系统。收发天线可以是分阵的，也可以是合阵的。由于波束运动无惯性，它在计算机控制下可以实现能量在空间与时间上的最佳分配。计算机在相控阵雷达中起关键作用，它控制整个雷达的工作并参与信号处理、数据处理、信息显示和雷达的自动化监测。因此要求计算机灵活、运算速度高和容量大。相控阵雷达的馈电方式通常分为空间馈电和分支强迫馈电两种形式。^[1]

分类

（图）诺斯罗普公司为F-16开发新型AESA雷达。

有源相控阵雷达最大的难点在于发射／接收组件的制造上，相对来说，无源相控阵雷达的技术难度要小得多。无源相控阵雷达在功率、效率、波束控制及可靠性等方面不如有源相控阵雷达，但是在功能上却明显优于普通机械扫描雷达，不失为一种较好的折中方案。因此在研制出实用的有源相控阵雷达之前，完全可以采用无源相控阵雷达作为过渡产品。而且，即使有源相控阵雷达研制成功以后，无源相控阵雷达作为相控阵雷达家族的一种低端产品，仍具有很大的实用价值。^[2]

优点

（1）波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，数据率高。

（2）一个雷达可同时形成多个独立波束，分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能。

（3）目标容量大，可在空域内同时监视、跟踪数百个目标。

（4）对复杂目标环境的适应能力强。

（5）抗干扰性能好。全固态相控阵雷达的可靠性高，即使少量组件失效仍能正常工作。

美中不足的是，相控阵雷达设备复杂、造价昂贵，且波束扫描范围有限，最大扫描角为90°～120°。当需要进行全方位监视时，需配置3～4个天线阵面。相控阵雷达与机械扫描雷达相比，扫描更灵活、性能更可靠、抗干扰能力更强，能快速适应战场条件的变化。多功能相控阵雷达已广泛用于地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、机载和舰载系统、炮位测量、靶场测量等。

AN/MPQ-53雷达、舰载“宙斯盾”指挥控制系统中的雷达、B-1B轰炸机上的APQ-164雷达、俄罗斯C-300防空武器系统的多功能雷达等都是典型的相控阵雷达。随着微电子技术的发展，固体有源相控阵雷达得到了广泛应用，是新一代的战术防空、监视、火控雷达。^[3]

中国装备

中国公开新型相控阵

新型导弹驱逐舰“武汉”号、“海口”号的高技术装备广受关注。“海口”号上的相控阵雷达是目前最先进的雷达之一，不但能扫描探测目标，还能对发出的导弹进行跟踪，对空探测距离、引导能力和同时处理的目标数量，在世界范围内都处于领先地位。“武汉”号上的超视距雷达可对敌舰艇实施超视距攻击，并且可以同时攻击多批次水面目标。另外，两艘驱逐舰上都安装的三坐标对空警戒雷达能探测方位、距离、高度。

美国环球战略网2009年10月8号刊登了名为《中国航母预警机》的文章。文章推测中国正将一种类似于曾装备的较大型“空警-200”型预警机的相控阵雷达设备配备在重达21吨、双引擎的“运-7”（Y-7）运输机上。运-7飞机为中国仿制俄罗斯安-24型运输机。中国的“运-7”预警机将承担类似于美国23吨重的E-2型航母舰载预警机作战职责。^[2][1]

安全性

大型相控阵雷达是战略预警系统中的重要组成部分，担负着守卫国家空天安全的重大使命。安全性是武器装备的一种固有属性，安全性设计是保证装备满足规定的安全性要求最关键和最有效的措施，包括消除和降低危险的设计，在设计中采用安全和告警装置等活动，通过安全性设计，提高产品安全性，确保安全性是武器装备研制、生产、使用和保障的首要要求。

大型相控阵雷达装备结构复杂，电子设备在其中所占的比例很高，是安全性设计的重要环节，雷达装备电气安全性设计涉及到的主要有电源安全性保护设计、电气设备安全性保护设计，以及接地、搭接和屏蔽的安全性保护设计等。大型相控阵雷达电气安全性的特点主要是保护范围大和需要保护元器件多。需要针对以下几个方面对电气安全性进行防护：雷达电源系统安全性、雷达天线阵面防电击安全性、雷达机柜防过电压过电流安全性、雷达接收系统接地安全性。

大型相控阵雷达结构安全性设计的目的是从大型相控阵雷达结构设计的角度出发，使雷达装备在整个寿命期内，在正常使用、维修、运输以及各种工作环境甚至故障条件下，防止人员受到伤害或设备造成损失。对于大型相控阵雷达结构安全性设计，可以从雷达冷却系统结构安全性设计、雷达机械结构安全性设计和雷达天线阵面安全性设计这3个方面去考虑。

大型相控阵雷达装备是由人进行操作，人本身就是一个复杂的模型，易受操作环境、工作强度的影响，还和自身的能力、情绪、经验等很多因素有关。因此，在进行人机安全性设计时，要降低复杂度，降低不可预料因素造成的影响，降低装备本身对人员造成的影响，使人员在安全的前提下操作使用装备，大型相控阵雷达的人机安全性设计可以从以下几个方面来考虑：防触电安全性、温度环境安全性、噪声环境安全性、辐射环境安全性。