张陶
中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽省合肥市230088
摘要：相控阵雷达(英文:PhasedArrayRadar，PAR)即相位控制电子扫描阵列雷达，利用大量个别控制的小型天线元件排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的开关控制，基于惠更斯原理通过控制各天线元件发射的时间差，就能合成不同相位(指向)的主波束，而且在两个轴向上均可进行相位变化;与托马斯•杨的双缝实验相似，相控阵各移相器发射的电磁波以建设性干涉原理强化并合成一个接近笔直的雷达主波瓣，而旁瓣则由于破坏性干涉而大幅减低。相控阵分为"被动无源式"(PESA)与"主动有源式"(AESA)，而性能更优异、发展前景更好但技术门槛较高的"主动有源式"则到了90年代末期才开始有实用的战机用与舰载系统开始服役。
关键词：相控阵；雷达天线；调试；常见问题；对策；
1、引言
相控阵雷达从根本上解决了传统机械扫描雷达的种种先天问题，在相同的孔径与操作波长下，相控阵的反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性、电子反对抗能力等都远优于传统雷达，相对而言则付出了更加昂贵、技术要求更高、功率消耗与冷却需求更大等代价。相控阵雷达虽然性能优异，但因为造价昂贵，操作成本高，多用于军事用途，比较著名的相控阵雷达例如美国伯克级驱逐舰的AN/SPY-1无源相控阵雷达、美国F-22战斗机的AN/APG-77有源相控阵雷达等。
2、相控阵雷达天线基本原理
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。相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干辐射单元即为线阵，在两维上排列若干辐射单元称为平面阵。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上.这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点，能以一部天线实现全空域电扫。通常的共形阵天线有环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等。综上所述，相控阵雷达因其天线为相控阵型而得名。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。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。
3、相位控制天线阵列——不靠天线旋转实现扫描
我们看到一部雷达时首先看到的就是天线——个头又大又高的部分。雷达作为战争的眼睛，用来看目标的实际上就是天线。大部分雷达，特别是早期的雷达，天线都是需要旋转的，天线要旋转的根本原因是天线的视野不是“广角”的，要让天线转起来，就像人想看到自己两侧和身后的东西，就必须转身一样。它的视野有多宽，主瓣宽度就有多大。把天线做成广角需要输入到天线的能量平均分配到全部方向上辐射，能量就会比较分散，所以，雷达主瓣做得比较窄。如果要把全部方向上的空域都扫描一遍，主瓣得处于不同的位置上。
雷达采用天线旋转的方式，虽然实现了全方向的监视，但缺点是雷达波下一次再照射到同一架飞机，必须等到天线转完一圈，这个时间叫做“扫描周期”，通常天线一分钟转6圈，也就是每10秒转1圈。在这种转速下，对同一架飞机的连续两次照射，得过10秒之后，这时敌方的飞机可能已跑到3千米以外了飞、其次，让天线旋转的机械装置要比天线不动时的复杂，而且驱动它转起来要耗费更大的能量，安全性和可靠性也不容易保证。相控阵体制的出现使得天线不用旋转就能实现扫描。天线有很多小的单元，每个小的单元都能利用电磁感应原理将雷达蕴含的能量转化成电磁波辐射到空中。雷达发射机向每一个天线单元输入变化着的电流，产生变化的电场和磁场，电场和磁场交替振荡、互相激发，组成能在空间传播的电磁波，雷达发射机所产生的能量就这样被天线带到空中了。在空中一些很小的区域蕴含大部分雷达能量的是主瓣，类似于人眼的正前方，视角最为集中；在空间大部分区域蕴含了其余很少一部分能量的就是副瓣，类似于人眼的余光区域。主瓣和副瓣到底占多大区域．取决于每一个天线单元辐射出的电磁波在空间叠加后的结果。每一个天线单元辐射出来的能量既有幅度，又有辐角，这个辐角就是“相位控制阵列”中的“相位”。多个天线单元按一定的规律排列，就组成了天线阵列，用计算机分别控制天线单元各自的相位，这就是“相控阵”。控制在空中不同区域或方向上各个天线单元的辐射能量，形成雷达的“镜头”，使其先后照射到不同角度的空间，就像摄像机缓缓移动一样，这实际就是扫描。在实现扫描的过程中，组成天线阵列的天线单元，就像蜻蜓的一个个复眼，最后看到的图像，正是这些复眼所看到的图像合成。
4、相控阵雷达天线调试常见问题与对策探讨
4.1高机动性在天线阵面结构设计上的问题分析
从天线结构设计的方方面面,高机动性雷达天线结构设计间题可大致归类如下：(1)选择何种形式的天线结构是影响机动性的关键问题。天线的结构形式决定了阵面如何分块,如何满足雷达天线尺寸限定和运输条件等。(2)天线骨架刚、强度问题,高机动天线往往带来骨架的轻簿化设计,这极大影响了天线骨架的刚、强度设计的安全和可靠性。（3）材料的选择问题,钢材、铝材、不锈钢材是目前广泛应用的传统材料,但高机动雷达天线材料应考虑运用新型材料,如蜂窝加层复合材料、碳纤维复合材料以及钛合金等,这些材料如何选择即能达到设计要求,又有较好的叮生产性和经济效益是材料选择的最大问题。(4)连接的可靠性问题,高机动天线的各个天线阵面模块通常由各种伺服机构连接而成,但不可在追求高机动性的同时忽略了模块之间的连接可靠性,雷达系统工作正常的前提是模块之间的连接可靠,因此要充分考虑连接副对天线刚度及电讯能的影响。(5)维修性、使用性问题,高机动雷达天线通常要求雷达各模块具有快速维修能力,因此设计时如何提高雷达各模块的维修的快捷度和方便度是解决该问题的关键。(6)环境适应性问题,雷达在不同的环境条件下无论在平原地还是高原、沙漠,沿海附近,都要具备工作能力,需要全天候的工作。
4.2高机动性在馈线结构设计上的问题分析
馈线结构在设计时应连接可靠且自适应性高,同时在不影响天馈线的波传束传输的情况下在相应的工作频段内连接应有驻波、损耗小以及密封性能好的要求。在馈线结构设计中存在以下几个主要问题明：(1)电缆与电缆连接问题。在相控阵雷达系统有着众多的馈电电缆及电缆接头这些电缆的互联直接影响雷达的机动性能,如何减少电缆互联,以及使用安全可靠地快速连接器是主要问题。(2)馈线的密封问题(3)馈线网络的模块化、小型化问题。
5、结束语
由于相控阵雷达天线的广泛应用,相控阵雷达天线测试项目多、任务量大,使得相控阵雷达天线的电性能测试工作时间长、难度高。相控阵雷达天线电性能测试平台建设成为雷达天线研制机构广泛开展的工作。
参考文献
[1]船载雷达方向图自动化测试系统研究与实现[J].孙永江,金华松,邱冬冬,于建成.电子测量技术.2013(07).
[2]数字阵列雷达收发组件自动测试技术研究与实现[J].李冬芳.火控雷达技术.2011(02).