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郭衍瑩
［前言］雷達(dá)是現(xiàn)代先進(jìn)武器的一個(gè)關(guān)鍵部件，也是阻礙我國(guó)先進(jìn)武器快速發(fā)展的一個(gè)技術(shù)瓶頸。今觀網(wǎng)上發(fā)表的很多軍事科普文章，內(nèi)容豐富生動(dòng)，但有些文章在談及此問(wèn)題時(shí)，或者概念混淆，或者敘述不準(zhǔn)確。我是一名已退休的國(guó)防科研工作者。今就自己所知，并結(jié)合近年來(lái)我為大專院校師生、部隊(duì)所作科普性講座，簡(jiǎn)要介紹相控陣?yán)走_(dá)和三座標(biāo)雷達(dá)的一些基本概念，和這二種先進(jìn)雷達(dá)的區(qū)別。歡迎與大家一起探討。
相控陣?yán)走_(dá)是利用電掃描的方法使天線發(fā)射的電波波束在空中無(wú)論是水平（方位）方向還是垂直（俯仰）方向都能快速搜索到目標(biāo)。三座標(biāo)雷達(dá)與相控陣?yán)走_(dá)主要區(qū)別之一是在俯仰角上也用電掃描方法，而在方位角上用機(jī)械掃描方法（即轉(zhuǎn)動(dòng)天線）來(lái)搜索目標(biāo)。而且二種雷達(dá)電掃描采用方法也有所不同：相控陣?yán)走_(dá)用相掃法，即用可控移相器來(lái)精確改變每一天線的相位，使波束可在空中任意方向掃描。而三座標(biāo)雷達(dá)大都用頻掃法或延遲線法來(lái)控制天線的相位，使在俯仰角上在空中形成多個(gè)固定波束（或依次形成多波束）。相位控制掃瞄方法最先進(jìn)，所以相控陣?yán)走_(dá)被公認(rèn)為當(dāng)代最先進(jìn)的一種雷達(dá)體制。也是現(xiàn)代雷達(dá)主要發(fā)展方向。
相控陣?yán)走_(dá)的基本原理
相控陣的原理是利用光學(xué)中干涉儀原理。它可以簡(jiǎn)單形象地用圖1來(lái)描述。圖1-a中二個(gè)相距大約半波長(zhǎng)的天線振子（小天線）如果饋以相位相同的電流，那么空間電波必然是指向正前方（法向）；這是由于二個(gè)振子相距半個(gè)波長(zhǎng)，則在天線法向，電波在空中將同相相加，而水平方向相互抵消。如果改變二個(gè)振子的電流相位，那么空間電波指向就會(huì)隨相位改變而上下左右變動(dòng)，這就是用相控陣達(dá)到電掃描的原理。
 但圖1－a只有二個(gè)振子，形成的波束太寬，無(wú)法實(shí)用（作為作戰(zhàn)火控雷達(dá)，波束要小于幾度甚至一度以下）。這只要增加振子的數(shù)量，且相互間距離都在半波長(zhǎng)左右，則波束可以做得很窄。所以相控陣?yán)走_(dá)天線都做成面陣（方形或八角形）。上面對(duì)稱地排列著成百上千個(gè)振子。改變振子相位的方法就是在每個(gè)振子后面接一個(gè)移相器，其相位即可電控。 圖1－b畫出一行振子情況，（也稱線陣）。所以相控陣?yán)走_(dá)一般都比較復(fù)雜，也較龐大，價(jià)格也昂貴。但它無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)天線就能在上下左右（即方位角上和俯仰角上）快速而精確地搜索到目標(biāo)，它可以用單脈沖測(cè)角法精確測(cè)出目標(biāo)的角度值。而且可以同時(shí)搜索多目標(biāo)，同時(shí)完成搜索、跟蹤、制導(dǎo)導(dǎo)彈等多功能。當(dāng)然搜索的空域也有一定限度，一般為法向的±45度到±60度。因此如需全方位（360度）搜索，就需至少另外加裝二到三個(gè)天線陣，每個(gè)陣管90－120度方位。也有只有一個(gè)天線陣的，就需能在全方位轉(zhuǎn)動(dòng)（如俄羅斯一些武器系統(tǒng)）。
所謂三座標(biāo)雷達(dá)，按我國(guó)科學(xué)家王小模工程院士著作和國(guó)外文獻(xiàn)下的定義：“對(duì)指定空域內(nèi)所有目標(biāo)能同時(shí)測(cè)出其三個(gè)座標(biāo)參數(shù)（距離、方位角、俯仰角）的雷達(dá)”。大家要注意所有和同時(shí)。因?yàn)槔鲜綑C(jī)械掃描（如有拋物面天線的炮瞄雷達(dá)）也能測(cè)量和跟蹤目標(biāo)的三座標(biāo)，但不能做到同時(shí)跟蹤所有目標(biāo)。 三座標(biāo)雷達(dá)的基本原理 三座標(biāo)雷達(dá)在俯仰方向，也是采用電掃描天線波束。但大都采用抽頭延遲線法或頻率掃瞄法，今分別示于圖2－a和圖2－b。它們都能在空間形成多個(gè)固定波束（一般4個(gè)以上，多的有一二十個(gè)），或依次形成多波束。  圖2 延遲線法可用有抽頭的中頻延遲線，如示意圖2－a；當(dāng)然也可微波延遲線。圖2－a中，由接收機(jī)Ⅰ的延遲線抽頭C和接收機(jī)Ⅱ的抽頭D,和接收機(jī)Ⅲ的抽頭E形成波束1；同理Ⅰ的抽頭B和Ⅱ的抽頭D和Ⅲ的抽頭F形成波束2；Ⅰ的抽頭A和Ⅱ的抽頭D和Ⅲ的抽頭C形成波束3。
所謂頻率掃描就是改變饋給天線振子電流的頻率同樣能達(dá)到改變相位的效果。如圖2－b原理圖所示，由于振子間相位差等于頻率乘以電流流過(guò)時(shí)間（θ＝f×Δt，Δt為電波自一振子到下一振子的時(shí)間，等于光速除以二振子間距離），頻率f改變就導(dǎo)致振子間相位改變。頻掃也可以做到多目標(biāo)。但比相掃得到的波束要寬，精度較差。它是根據(jù)在哪一個(gè)波束（或二個(gè)波束）發(fā)現(xiàn)目標(biāo)來(lái)判斷目標(biāo)的俯仰角。但造價(jià)相對(duì)較低。另外它與相控陣?yán)走_(dá)不同點(diǎn)是水平（方位角）方向是機(jī)械掃瞄，即靠天線轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)搜索方位上的目標(biāo)。所以三座標(biāo)雷達(dá)主要作對(duì)空監(jiān)測(cè)、搜索雷達(dá)。用于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并粗測(cè)出其座標(biāo)參數(shù)，故也稱對(duì)空情報(bào)雷達(dá)。而相控陣?yán)走_(dá)用于精確跟蹤目標(biāo)、制導(dǎo)導(dǎo)彈以及其它多功能。 另外，早期三座標(biāo)雷達(dá)天線大多為拋物面，新式的也可做成面陣，稱陣列天線。它在橫的方向（行向）是一根根波導(dǎo)管，每根波導(dǎo)管上等距離開一排糟（或孔），作輻射小天線，使在方位角方向的波束變窄。而在俯仰方向則采用電掃。此次我國(guó)60周年大慶閱兵式中檢閱的機(jī)動(dòng)雷達(dá)方陣，就是用陣列天線。如圖3。  圖3
二種雷達(dá)的異同 歸納起來(lái)二者的異同在于：（1）都采用了先進(jìn)的電掃體制。但三坐標(biāo)雷達(dá)在方位上仍保留用機(jī)械掃描；（2）相控陣?yán)走_(dá)采用相掃法，掃描精確，波束可很窄?？捎脝蚊}沖法精確測(cè)角。三坐標(biāo)雷達(dá)采用頻掃法或延遲線法，在空中形成多波束，波束難以很窄；測(cè)角精度一般不很高。（3）相控陣?yán)走_(dá)天線都為面陣；三坐標(biāo)雷達(dá)天線可為拋物面，新式的也可為面陣（陣列天線）；（4）相控陣?yán)走_(dá)為多功能雷達(dá)，主要用于武器精密制導(dǎo)（火控），波束要求窄。由天線理論可知，對(duì)同樣的波束寬度，頻率越高，天線尺寸越小。所以相控陣?yán)走_(dá)一般說(shuō)來(lái)采用微波的高端，如C波段、X波段等。三坐標(biāo)雷達(dá)大都用作搜索和監(jiān)控（對(duì)空情報(bào)），波束寬度不是主要矛盾（波束太窄搜索時(shí)間必然太長(zhǎng)），倒是希望輸出功率盡量大，以保證有盡可能遠(yuǎn)的搜索距離。由于大功率微波器件在頻率低時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)，所以三坐標(biāo)雷達(dá)一般采用微波的低段，如S波段、L波段等。  圖4是美國(guó)德凱特號(hào)宙斯盾驅(qū)逐艦上的相控陣?yán)走_(dá)天線，是“四面陣”。它是該艦防空導(dǎo)彈系統(tǒng)的重要組成部分。
 圖5是俄羅斯光榮號(hào)導(dǎo)彈巡洋艦上對(duì)空導(dǎo)彈系統(tǒng)的搜索雷達(dá)天線和制導(dǎo)雷達(dá)天線。前者為三座標(biāo)雷達(dá)，天線為陣列狀。后者為相控陣?yán)走_(dá)，天線為可旋轉(zhuǎn)的單面陣。該系統(tǒng)是俄有名的C300地空導(dǎo)彈的上艦型號(hào)
有源和無(wú)源相控陣的區(qū)別 最后還要提一下，有些網(wǎng)上文章把有源和無(wú)源相控陣的概念有些弄混淆了，譬如說(shuō)有源是無(wú)源的新一代等。有源和無(wú)源并不代表二代產(chǎn)品。二者主要區(qū)別是：無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)是將統(tǒng)一（或中央）大功率微波源(微波電真空器件，脈沖功率可至兆瓦級(jí))的輸出通過(guò)微波電纜或直接空間饋電分成很多路輸給天線陣上每一個(gè)單元振子。它大都用于地面防空導(dǎo)彈系統(tǒng)，甚至反導(dǎo)系統(tǒng)。而有源相控陣?yán)走_(dá)是指在每個(gè)（或一組）單元后接一個(gè)有源的接收/發(fā)射組件（半導(dǎo)體固態(tài)器件），這樣可以大大減輕對(duì)中央微波激勵(lì)源輸出功率的要求。一般多用于空軍作戰(zhàn)飛機(jī)。因?yàn)樵陲w機(jī)上難以實(shí)現(xiàn)大功率微波激勵(lì)源。而在地面就不是個(gè)困難。當(dāng)然地面相控陣?yán)走_(dá)為了獲得更大輸出功率，也可以加/發(fā)組件。但造價(jià)以及檢查、維修費(fèi)用都將猛增。由此可見無(wú)論有源或無(wú)源，都有一些棘手的技術(shù)問(wèn)題要解決。圖6是美國(guó)F15戰(zhàn)機(jī)改裝有源相控陣?yán)走_(dá)后的情況。  參考資料 郭衍瑩，張金海，徐德忠等：相控陣?yán)走_(dá)和三坐標(biāo)雷達(dá)的技術(shù)保障工程(即將出版）
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來(lái)自： 率我真 > 《科技創(chuàng)新/資源》
