简单理解的话,相控阵雷达就是把近1000个小型传统雷达缩小100倍,再组装在一个平面上,而有源相控阵雷达就是让这1000个迷你雷达都能独立的工作,但是重点就在于怎么个工作法。
相控阵雷达的诞生
自1935年世界上第一台实用雷达发明以后,雷达作为国防的千里眼,一直以来最直观的“进化”过程都是天线的变化。冷战结束后,战斗机的机载雷达主要采用的是抛物面天线,随着战斗机的发展,抛物面天线具有明显的缺陷。
首先,雷达要求探测的距离越远越好,一般来说,大家要想看得更远,往往会把眼睛眯起来,雷达也一样,需要收窄探测角度,来提高精准度,但是抛物面天线雷达与手电筒里的反光镜面的原理差不多,结构简单,成本也不高,这样的话,要想精度越高,天线的整体高度就要做高,整体面积也要做大,然而做高了,体积就越大,无论是战斗机还是战舰都需要预留更多的空间来安装和做扫描工作。
其次,很多时候抛物面天线在扫描一个飞行物时,搞不好转一圈下来,飞行物都飞走了,它还没转回来,这就让人尴尬了。
为了解决这个问题,“倒置卡塞格伦”双面反射面天线,应运而生,这玩意长这样。
它的工作原理,就是在传统抛物面天线的基础上,把主反射面变成一个可以扭转的面,然后安装了一个栅格式的副反射面,效率变高了不说,体积也变小了。
但是,这玩意也有缺陷,可能你也看出来了,搞不好就会“侧漏”。
这个时候,平面阵列天线也诞生了,一种由数百个,甚至上万个的小单元天线,按照一定的规则,间距,均匀地组合在一个面上的天线。这就有了所谓的“阵”。
为了解决“侧漏”的弊端,就有了相参雷达,相参雷达就是通过电子设备,改变不同的信号的相位,并通过移相器,来控制波束指向,不需要能过天线机械运动来实现信号的接收和发射。这就是“相控”的意思。
平面阵列天线的出现,很快就得到了全世界的普及,在经过一代一代的升级改造后,就形成了现在的主流雷达,相控阵雷达。
相控阵雷达简单的理解就是,通过电子设备,并设置相关算法,来确定移相器要移动的相位,配合阵列的元数,提高天线的增益。
相控阵雷达结合了传统抛物面雷达和倒置卡塞格伦天线的优点。阵列单元数就相当于,扩大了接受和放大波长的面积,而前放的模块,其实和倒置卡塞格伦天线的栅格原理相同,后面才是用来接收和发射的模块。
同时,相控阵可以是线性阵,也可以是平面阵。
线性阵是把多个阵元合成一路信号,也就是“并连最路”的形式,进行统一移相,但只能是单一方向的线性移动,也称作固定式相控阵。
平面阵就是阵元中的每个小阵元都有独立的移相器,每个小阵元都是可以单独控制的混合设计天线,可以上下移动,因为电把角度小,也被称为有限电扫相控阵。
相控阵雷达就像是蜻蜓复眼,所以,相控阵雷达实际上是电扫描雷达的一种,但是真正的被广泛的应用,还是在计算机技术,光电子技术,材料,工艺技术发展之后,才得到实质性的进展和广泛的普及。
毫不夸张地说,现代相控阵雷达是军用雷达中的皇冠,也是代表着一个国家在设计和制造领域的尖端科技。它让所有的战机,战舰都不再是近视眼。
什么是有源相控阵雷达
说完了相控阵的原理,理解有源相控阵雷达就简单得多了。
有有源,就有无源,区别就是:
无源相控阵,阵列上的所有小单元天线都是一样大,而且是固定的,它们没有独立的信号放大器,只能集中的由一阵面后的一个放大器来进行统一放大,放大后再分配给小天线,发射出去,所以无源相控阵的每一个小天线收发信号的强度都差不多大,而这个的集中处理方式,使得无源相控阵雷达的功率损耗也很大。
有源相控阵,阵列上的所有小单元都自带接收和发射器,能自己接收信号,也能自己用自己的放大器来把信号放大到不同的程度,每个小天线都能承担着不同的功能,做不同的工作。可以同时对一个目标进行扫描,也能同时对多个目标进行扫描,还能同时进行电子干扰,远程通讯,所以它的功率损耗相对要低得多。
唯一相同的是,无源相控和有源相控的每个小天线都能发射和接收信号,也能改变相位,只不过,无源在放大信号上只能集中一个放大器来处理,而有源可以自主处理大小。
所以,有源相控阵雷达无论从功能上,还是技术上,都要比无源相控阵雷达先进且适用得多。
目前世界上先进的战舰,战斗机都配备的有源相控阵雷达,像偶国的歼-20、歼-16等等。
不过,目前最强的还是战舰上的360度有源相控阵雷达,区别是三面相控技术,实现防空、反导一体、反舰、反潜、对陆等多功能,雷达有高度共用的能力,也是未来的趋势。
值得一提的是:继美苏后,偶国成为世界上第三个掌握相控阵雷达技术的国家,而偶国华睿1号自协芯片的研发,让偶国国防电子工业告别被“卡脖子”,同时也使得偶国的有源相控阵雷达在处理数据,运算能力上与其它国家缩短了差距,不久的将来,国产机全面配备有源相控阵雷达,指日可待。
有源相控阵雷达的作用
有源相控阵雷达由于抗干扰性能好,就算是某些单元件损坏,依然能继续工作,而且其扫描范围大,目标多,还能分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能,被广泛应用于很多领域。
在军用领域:
有源相控阵雷达可对射程10000km和4500km,不同高度,不同方向的弹道导弹进行监测,探测,还可以引导多枚导弹制导,导弹防御,形成精准打击。
带有数据连接和多传感器的有源相控阵雷达,还可以多设备,多战机,战舰之间进行通讯,星载成像等功能。
另外,还可以进行机械扫描,识别以及评估。美国的RPS-42有源相控阵雷达,甚至可以进行可见光和夜视追踪,还可以专门用来探测无人机,遥控机枪开火。
民用领域:
有源相控阵雷达如今可以对洪水进行监测,调查土壤湿度、对海洋进行监测、森林防火,进行气象探测,甚至应用于汽车雷达领域。
随着有源相控阵雷达的发展,其在民用领域具有很大的潜力。5月,纳睿雷达自主研发的多功能有源相控阵雷达产品就曾亮相于深圳会展中心,获得社会人士和专家的一致肯定。写在最后:
美国国防科学委员会主席就曾说过,在21世纪,美国的战斗机雷达、预警与监视飞机的雷达,都应该使用有源相控阵雷达。而有源相控阵雷达在大角度扫描,超宽带,特别是结合5G在的应用,依然有很多难题需要解决,所以,还有很大的发展空间。
在未来,还可以应用于智能家居,智能医疗,智能安防等领域,这就要求雷达模块能更小,更轻便,更低廉等优点。
如果说雷达是人类技术发展的缩影,而有源相控阵雷达无疑是人类技术发展里闪烁最亮的一颗星之一。