相控阵技术：雷达骄子

20世纪50年代末期，随着射程远、速度快、特征小的洲际导弹的出现，常规的机械扫描雷达已经不能适应国土防空的需要。于是在60年代，多功能、高性能的相控阵雷达应运而生。目前，相控阵雷达技术已经逐步走向成熟，广泛地应用于地面远程预警系统、航空（天）侦察监视系统、地面和机（舰）载防空系统与火控系统以及战场炮位侦察雷达系统等各个军事领域。相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种通过改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，因其以电子方式控制波束而非传统的机械雷达转动天线面方式，故又称电子扫描雷达。

相控阵雷达具有相当密集的天线阵列，任何一个天线都可收发雷达波。以天线单元为单位形成区块，扫描时，选定其中一个区块或数个区块对单一目标或区域进行扫描，使整个雷达具有可同时对许多目标或区域进行扫描或追踪的功能，形如多个雷达的集合。由于相控阵雷达采用电子控阵的扫描方式，和机械转动的传统雷达相比，资料更新率得到了大大的提高。资料更新周期也由秒或10秒级上升为毫秒或微秒级，在对付高机动目标时，具有极大的优势。此外，相控阵雷达还可发射窄波束，因而也可充当电子战天线使用，如电磁干扰甚至是构想中发射反相位雷达波来抵消探测电波等。

和依靠雷达天线转动实现扫描的机械雷达相比，相控阵雷达具有很多明显的优点：（1）天线固定，不需要转动。相控阵雷达的天线不需要转动，尺寸可以做得很大，目前地面相控阵雷达天线长几十米至上百米，宽十几米至几十米，探测距离可达数千公里。（2）波束可多可少，便于对付多目标。相控阵天线阵可以根据需要同时形成多个（或一个）独立的波束，各个波束具有不同的功率、波束宽度、持续时间、重复频率，各波束可分别或统一控制。有的波束可作一般搜索。有的可作重点搜索，有的可用于跟踪，具有多功能和对付多种（个）目标的能力。目前，大型相控阵雷达可同时搜索1000个以上目标或同时跟踪几百个目标。（3）波束扫描速度快，反应时间短。波束扫描与天线转动无关，主要由移相器的开关时间和波束控制信号的形成时间决定，波束可在几微秒内指向预定方向，比天线需要机械转动的雷达要快100万倍以上。（4）辐射功率大，探测距离远。相控阵雷达可使用与天线辐射单元一样多的发射机，成千上万个发射源合成输出的总功率比单部发射机的功率大得多，可达十几兆瓦甚至几十兆瓦，加之使用较大的天线，所以探测距离可达几千公里以上。（5）工作可靠性高。天线阵中相同的辐射单元、发射机和相关电路很多，即使其中的部分元件损坏，对雷达性能的影响也不大。如有10%的辐射单元损坏，只相当天线阵上的一块小阴影。部分发射机损坏，也不会严重影响雷达工作，并且可以边工作边排除故障。（6）抗干扰能力强。相控阵雷达波束的多少、形状、指向以及脉冲重复频率、脉冲宽度等都可以根据目标的复杂程度和威胁情况灵活变化，可在单部雷达中综合运用单脉冲、频率分集、频率捷变、副瓣抑制等技术，具有很强的抗干扰、抗反辐射导弹和反隐身能力。

雷达的应用是通过波束来实现的，这也是理解相控阵技术的关键。波束，实际上是一种比较形象的说法。天线发射或接收信号时所形成的诸如“笔形波束”“扇形波束”等并不是在空间中真实地存在，事实上是在不同的方向随着信号放大倍数的不同（倍数大时，称其为“增益”），形成了一个信号增益与方向的关系曲线。而相控阵技术就是一种通过控制阵列天线各个单元的相位和幅度，以便形成在空间满足一定分布特性的波束，并且能够改变其扫描指向的技术。相控阵技术通过计算机控制波束的形成和扫描，达到单元相位的改变，从而使波束的指向、形状和个数等很快地改变。

相控阵雷达的天线阵面具有多个辐射单元和接收单元，也就是所谓的“阵元”。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，还有移相器等必需的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同相位的电流，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。

相控阵雷达虽然不能像其他雷达那样依靠旋转天线来使雷达波束转动，但它自有自己的“绝招”，那就是使用“移相器”来实现雷达波束转动。相控阵雷达天线是由大量的辐射器（小天线）组成的阵列（正方形、三角形等），辐射器少则几百，多则数千，甚至上万。每个辐射器的后面都接有一个可控移相器，每个移相器都由电子计算机控制。当相控阵雷达搜索远距离目标时，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，即使是上万公里外的洲际导弹和几万公里高的卫星也逃不过它的“眼睛”。如果是对付较近的目标，这些辐射器还可以分工负责，产生多个波束，有的搜索、有的跟踪、有的引导。

相控阵雷达分为有源（主动）和无源（被动）两类。其实，有源和无源相控阵雷达的天线阵相同，二者的主要区别在于发射/接收元素的多少。无源相控阵雷达仅有一个中央发射机和一个接收机。发射机产生的高频能量经计算机自动分配给天线阵的各个辐射器，目标反射信号经接收机统一放大，这一点与普通雷达区别不大。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，每一个组件都能自己产生、接收电磁波，因此在频宽、信号处理和冗度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。正因为如此，也使得有源相控阵雷达的造价昂贵，工程化难度加大。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。

“爱国者”导弹的AN/MPQ相控阵雷达