无源有源相控阵雷达原理、电扫阵列及典型雷达系统

1、相参技术相参雷达是指雷达系统的发射信号、本振电压、相参震荡电压和定时器的触发脉冲均由同一基准信号提供，使得这些信号之间可以保持确定的相位关系，同时接收的回波信号也可以提取信号的相位信息。相参技术对主振源信号具有极高的频率稳定度要求和频谱纯度，对天线性能，信号处理器等都具有很高的要求。频率，不同相位的信号叠加效果移相器移相器的作用是将信号的相位移动一个角度，相位和频率保持稳定的对应关系是移相器的一个重要特性。45180ControlVQltag&sforPIN七泊(婷歪达迪宿电工战铁氧体移相器铁氧体移相器的基本原理是利用外加直流磁场改变波导内铁氧体的导磁系数，从而改变电磁波的相速，得到不同的相移

2、量。铁氧体移相器的主要优点是承受功率较高，插入损耗较小，带宽较宽。其缺点是所需激励功率比PIN管移相器大，开关时间在微秒(us)量级。半导体PIN二极管PIN二极管开关从“开”到“关”或者相反动作的起始状态达到稳定状态的时间称为开关时间。以半导体PIN二极管作为开关器件的数字式移相器相位转换时间可以达到纳秒(ns)量级。GaAsFETGaAsFET开关是数控移相器的主要构成元素，它作为一个三端器件，可以通过对栅偏置电压的控制来改变源漏间电阻，从而实现开关动作，转换时间也在纳秒(ns)量级。有了信号叠加的原理和移相器，相控阵雷达原理就好理解了，其基本思想：通过移相器改变每个辐射元件发射信号的相位

3、，以提供相长/相消干涉，从而实现波束的电子扫描，在期望的方向上形成窄波束，雷达天线不需要机械转动。丄电子扫描阵列很好的解决了机械雷达的机械惯性和扫描需要时间长等问题，实现了波束指向的无惯性快速扫描，为任务的灵活敏捷性创造了很好的条件。相控阵天线是相控阵雷达组成的核心之一，相控阵天线既有有源、无源之分，也有一维、二维之分。无源电子扫描阵列PassiveElectronicallyScannedArray,PESA无源电子扫描阵列天线表面的阵元只有改变信号相位的能力而没有发射信号的能力，信号的产生还是依靠天线后方的信号产生器，然后利用波导管将产生的信号号送到信号放大器上，再传送到阵列单元上面，接收

4、时则反向而行。通常，PESA雷达具有一个发射机和数千个天线单元和移相器。常见的全向或定向天线如下:NotchSubstrate=iGroundPlaneCouplingStructureSbriplineMetalPatchNotchRadiatorinStripline/RectangularPatch厂RadiatorMetalStripDipoleSlotCutinVPrintedCircuitDipoleTransmissionLineTransmittingTeiti巳rttsforphasedarrayradarName討k我chRadiationPatteniDirectivib

5、7PolarizationBaiidmdthCQUunetitsPatchoBroaclstdeLinearCircularNarrowEasiestDes-ignDipoleBroadsideLowLineaiMectiiunBalunLPDAEndFireMediumLinealWideBalun&P.voBowTieXBroadsideMediumLinearWideBalun&AbscuberCutulaiLoop0BroadsideLinearCircularNarrowCoinlicatedFeedingSprisl画BroadsideLin亡arCircularWideBalun

6、&AbsorberSlotBroadsideLinearMecliiunBi-clir&ctionalTSAEtidTireMetliunijHighLinearWideFeedtrausitionQuasiYagiEndFireHieliLinear曲雪达CGixpgt早期机载无源/有源相控阵雷达中最常用的辐射天线是贴片天线，因为它们是最容易设计的。J现在有源相控阵更多的使用短槽(Notch)天线，因为相比于贴片天线，它具有宽带的特性和更好的增益。ElecncnlsGa-inEplaneP斗a)n帖iTthiHplarwwidthScanpcrlbrmiinccMictoatnppatchl

7、ow75poorMicrostripdipolehighwg.oodPrinteddipole.hi關MTto70UO1Id】WgewtNoluhhigh的，亍i|有源电子扫描阵列ActiveElectronicallyScannedArray,AESA从外部来看，PESA和AESA很难区分，但其内部组成是不同的，有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射/接收组件，每一个组件都能发射和接收电磁波。PEWMSARaceiverl圳-AntenniilcmEHtsEflrivtHbyEingluIuf己亡trsvufFiitteftrnplltrHP*Firitcece-itfELKAifter

8、SMamis-farmed-LargesignalIcmskwitwiEc-nrdiatinelrrwuiirrtandframntl-iir/LNAArrtcnnaielcmentsc口！nner匚IjtoEransmitterndreceiverLpm*TRnsmnPi山gTyRiModuliRtierQuGpwtoAC4HUProcnsingT/Rmodule：behindaichradiating：eleine-nt-TrinimlltirdiithbirtadthrowhimmanvinwiHHFAtFkrtLNAdirtrib&rte-dthramfliaFiterinainrna

9、nysm-allLNAx-SmllsignallossbctwcitnHPA/MJNlAandradiatingcln-nnntJt內drelvtr雪达通信型子翩从上图对比可以看出，对于AESA的大多数元件例如低噪放、功放、双工器、移相器等都被小型化并组成一个T/R模块，每个单独的T/R模块都可以被理解为一个小型雷达。I屮刖艸即2030RFinRFoutPhaseshifterIIf-JSPOTY：switch卜ExcitBrReGeivef*?ftModuleLowNoiAjnpEfiGainAniplifierVarieWsPhaseShifterHighPm*-Ajnplifi(HM)T

10、/Rmadulssphotoanddiagram有源相控阵通常有三种情况：一是阵元级有源相控阵天线，也就是每个天线单元通道均有对应的T/R模块；二是子阵级有源、阵元级无源的相控阵天线；三是子阵级、阵元级均为有源的相控阵天线，其先在子阵级先进行一次功率放大并分配到m个通道，再分别接T/R模块对信号进一步放大。通常，T/R模块的数量可被用来评估一部雷达的性能，例如:66672216AN/APG79RBE2-AAAESA相比于PESA的优点AESA的独特设计使其相比于PESA具有许多的优点。在AESA中，低噪放更接近接收机，可以实现比PESA更好的信噪比，从而具有更高的检测灵敏度。PASSIVEES

11、AACTIVEESALossJElement-0.7dBPhaseShifter-0.8dBLevel1FeedLoss-0.15dB-OJOdBElementDuptexerLow-PowerReceiverProtection-0.6dBLeve!2FeedFLNANoiseFigure:F十0.25dB-0,25dB-0.2dB-0.5dBCentralDuplexerWaveguideCentralReceiverProtectionNoiseFigure:f+3.O5dBNOTEForboththepassiveESAandtheactiveESA.thereceivernoisef

12、igureequalsthenoisefigureoftheLNA(F)plusthetotailossofallelementsaheadoftheLNA.INAisputbelli仃已lossycomponentsG=10dB1S=-3dBNF=3dB1F=3dBLJ1岂Gain(dBNF(dB)Loss-33LNA1C3Net76Noisefigurekreducedbyaround2.79dBwhLNAisputinfrontoflossycomponents=dB.3-10dBNlF=3dE=3dBLCJ_TLNAGain(dB)NF(dB)LNA103Loss-33Net73.21

13、LNAisinfrontofpassiveIgssv匚口rnponentst雪达凰信也子战在相同的检测性能情况下，AESA通常具有更高的占空比和更低的峰值功率，具有更好的低截获性能。另外，由于AESA上的每个T/R模块不依赖单个高功率放大器，因此它们可以同时以不同的频率发射信号，也就是说AESA可以将阵列分成几个较小的子阵来同时形成多个独立的波束，实现同时多任务。有源相控阵雷达除了具备较强的低截获和抗干扰能力，另外的显著优势就是波束捷变能力和同时多波束的能力。多个T/R模块故障只会降低天线性能，不会导致失效，可靠性增加。o通过举例进行简单计算，假设阵元间距为15cm，波长为10cm，波束方位为

14、30度，第二个相对于第一个需要移相360*15*sin(30)/10=270。，那么第八个阵元相对于第一个阵元需要移相7*270。=1890。，减去n个360，也就是需要移相90。A粘雷施倍电子战波束宽度波束宽度是指主波束方向图功率下降到一定程度内的角度范围，功率下降3dB时的波束宽度叫做半功率波束宽度。波束宽度主要与雷达波长、天线阵的有效口径长度以及扫描角有关，直观的理解就是阵元数越多，阵元间隔越大、波长越短，波束宽度越窄，天线增益就越高。、-KW鰹g睚眯呂不同数量的阵元，形成的天线方向图如下所示:IsotropicElementArrayArrayPhShifter-IDirection旳

15、一Jod冊WQ:DirectionBsuoas罷b曲匚CJdsBtrDirectionN=10ElementsN=20Elernents2o1(-.EEO10dBi-90-60-3003060Angleoffbroadside(deg)-60-300306090AngleoffBroadside(deg)当雷达工作频率不变，阵元数一定的情况下，增加阵元间距可以增大天线阵的孑L径，但是当阵元间距大于工作波长时，会出现删瓣，显著影响雷达性能。d=X/4separationd=XJ2separationKa10dBwL1T|Ib-Hr4s1-_.n90-90-60-3003060AngleoffBr

16、oadside(deg)AngleoffBroadside(de-g)(Io090100270线性阵与平面阵相控阵可以是线性的，也可以是平面的。线性阵是先将多个阵元合成一路信号后进行统一移相，而平面阵是每个阵元都具有独立的的移相器。线性阵可以在维上移动波束，而平面阵则可以在二维上移动波束。RailafiveBeamPattern(26eFementsquarearray)Wavelength=Xspacing=dGridofekments;Toseanwithoutgratinglobes:dxaa-DRiiav3i3xmNtfdunJ3VH-aMMUwvzrunTlSSIfflaaiNPQf

17、flHIWCltKJOOM3M13NHSEIJJStW说yuv?idsiona31IZOTTOtfN0IU5OJ-UHWIaiLMa/iiiaaoiwyovayiduviHTZZONlaflirttsDNiraa-EMIQJWUJ3VaaoantfJIIWL阳IBNW。/卒汽宙匪号吐留旱闯舌写目申翰星辩熾曾少L电車里律割仕吐M旱層酚去宙轻m7写目瀏观讯运7爭曰翕辜訝凹目皋伞阳士、号讯回冶巨T8-DdvIllP-35APGS1RadarPertarmance黑达逢箱电子壮*torthrop*7应心心空空搜索与跟踪空地攻击SAR成像，超高分辨力SAR成像单脉冲地形测绘高增益的ESMECMATC导航

18、/气象传感器雷达的X波段AESA天线（1200个阵元）位于机头内，实现与雷达和前半球ECM有关的功能，从AESA天线辐射出去的电子对抗ECM信号能量强度足以烧毁敌方电子设备。其对于干扰后半球来的威胁是通过单独使用安装在机头机翼和机尾的小天线。国鄭瀏观业郦謝凹目申虫矗-囚舌软耿図凹目马飛図囚早苇王目。智孕鸯畀巨畀瀏M曲亠U峑半丑9T-d議羽险L幻询醉車里89-DdV业99-DdV図曲EfW醴骇刽MVS3VE8-DdV(!9VS)9MOMl9UkE8-9dVU9T-d。谢显峑切岳帝母田剥讯期巨瞬切岳甘/丄业器猖刽車里図芒舌回者切岳進一业Uffi珂/毋虫里與帝申”田脂闿脂”田送骇麦器猖刽密碍吕莎多目标跟踪;更强的电子战能力；大范围高分辨率的SAR成像性能;交互模式操作，提高情境意识；海上模式；3-5倍的可靠性和可用性；我国的雷达也正在走出国门，面向世界机载火控雷达我国“枭龙”战机的有源相控阵雷达，该机载火控雷达能够完成搜索、截获、跟踪、制导多种功能，战机在发射炮弹或导弹前对目标信息的准确测量，包括目标的位置和速度。相对传统机械扫描雷达，有源