由歼十b雷达谈机载火控雷达设计.doc

有源还是无源？有源还是无源？————由歼十由歼十 B B 雷达谈机载火控雷达设计雷达谈机载火控雷达设计 作者：龙腾日月 读者群：32285317国外媒体和国内军迷对于歼十 B 所使用的机载火控雷达存在极大的兴趣， 随着最近网络上最新曝光的一型相控阵雷达照片的出现，对于歼十 B 机载火控 雷达的讨论和分析达到了相当的热度美国《防务新闻》前段时间有文章称： 歼十 B 战机的照片显示，该机配备了电子扫描相控阵机载火控雷达另外一家 研究中心的主任师里克·费希尔说：“歼十 B 只是大量装备有源电扫相控阵机 载火控雷达的越来越尖端的中国战斗机中的第一种，将与美国空军 F-15E 最新 版的先进战斗机相匹敌但同时也有专家认为歼十 B 是精密版的被动电子扫 描阵雷达笔者也来凑个热闹，分析一下歼十 B 的雷达技术和性能特点，如有 谬误，欢迎板砖 机载火控雷达发展机载火控雷达发展机载火控雷达是作战飞机用来搜索、截获和跟踪空中目标，提供武器瞄准、 射击和制导所需数据的机载雷达人类历史上第一台雷达诞生于受到纳粹航空 兵严重威胁的英国，由罗伯特?6?1 沃森?6?1 瓦特爵士于 1937 年研制成功，由 于该雷达使用支撑于高塔之上的平行发射天线，所以被形象的成为“本土链” 雷达。

该型雷达在二战前部署 20 台，形成英国贯穿英国南北的预警线二战爆 发之后的不列颠空战中，“本土链”雷达发挥了极为关键的预警、探测和引导 作用，成为人类陆基对空雷达的鼻祖很快，雷达这种极具划时代意义的传感 器就被搬上了飞机1939 年，英国在飞机上安装了工作频率为 200 兆赫兹的雷 达，用于搜索敌机，这是人类历史上第一部机载预警雷达1936 年美国无线电 公司研制出了用于产生和放大电磁波的一种电子管，大致工作波长为 1.5 米/频 率 200 兆赫兹，发射功率 500 瓦1939 年 11 月，基于改型电子管发射机的机 载空海监视雷达 ASV-1 生产出原型机，开始测试，并于 1940 年正式服役雷达 天线增益在天线尺寸与波长相同量级上才有最大值，因而工作在 1.5 米波长的 ASV-1 雷达拥有巨大的天线，以至于战斗机无法用来进行火力控制，只能装载 于大型飞机上用于反潜不过 1939 年,英国物理学家 H.A.H.布特和 J.T.兰道尔 研制的实用化的多腔磁控管宣告了机载火控雷达的研制终于成为可能磁控管 可以产生工作波长在分米级别的电磁波，并且可以将分米波信号放大至 1 千瓦 的峰值功率。

同时，电子收发开关的研制成功，让雷达告别了起初的收发分置 双基地部署，而可以将发射机和接收机置于同一个天线系统内，否则接收机在 发射机发射型号时会受到极为严重的“烧穿”影响至此，机载火控雷达需要 的关键技术条件都完全具备据称这是“本土链”雷达的“真容”，高塔之间应当就是尺寸相当大的雷达天 线上世纪六十年代末期，基于多普勒频移原理的动目标探测技术实用化之前， 机载火控雷达还处于比较初级的蒙昧阶段，多为不能测角的测距器或者采用单 脉冲测角原理、反射面天线的火控雷达这些雷达在技术上可以视为地面跟踪 雷达的小型化机载版本，对于平视和上视空中目标可以做到与地面雷达一样的 性能但是基本无法进行下视探测和跟踪，因为雷达天线下视时，地面反射的 杂波将目标回波完全掩盖，接收机彻底被主瓣杂波占据一直到 1964 年，美国 海军使用的 E-2A 机载预警雷达采用了偏置相位中心天线和机载时间平均杂波相 干技术才实现了海面目标下视又过了十年时间，人类才实现了陆地上空的雷 达下视能力，导致新一代预警机和第三代战斗机探测能力的大幅度改善下视 下射能力也成为第三代机载火控雷达的“门槛”性能和最显著的技术特征机 载脉冲多普勒火控雷达是机载火控雷达第二发展阶段的开始，该项技术出现之 前，可以视为机载火控雷达的第一发展阶段。

机载脉冲多普勒火控雷达一般采 用数字化可编程处理器、平板缝隙阵列天线、真空管发射机、脉冲压缩技术和 多功能设计机载雷达第三个发展阶段的标志就是相控阵技术的出现和应用 目前有源/无源相控阵雷达已经开始批量装备新型隐身作战飞机、三代和三代改 型战斗机以及轰炸机、特种电子战飞机等机种 详解相控阵详解相控阵实际上人类早期研制的雷达都采用了独立发射机和天线组成的天线阵列， 天线的方向图和增益性能由阵元几何位置和发射信号的幅度以及相位叠加来决 定这是由于当时雷达工作频率很低，较大的波长很难在单个天线上得到很好 的聚焦和搜索性能后来随着发射机能够产生较短的波长，这种建设规模很大 的阵列天线就被更小更简单的单个天线所代替，一二代机载火控雷达使用较多 的是抛物面发射天线，卡塞格伦天线以及格里高利天线等等这些天线本质上 都是反射面天线或者反射面天线的变形，由于反射面天线聚焦能力一般，这些 天线的副瓣功率都相当高，甚至有相当数量采用卡塞格伦天线的机载火控雷达 需要专门设计一个副瓣杂波遮蔽罩，罩在雷达天线外面苏-27SK 作为三代机 时代少数采用倒置卡塞格伦天线的重型空优机，其采用的“祖可”-27 火控系 统所采用的 N001 天线就是倒卡形式。

由于机载天线整个下半球的空间副瓣所产 生的地面杂波会对目标的检测产生严重干扰，再考虑到载机的横滚战术机动， 因而机载火控雷达要想下视下射必须几乎在所有切面上都有低副瓣功率另外， 距离主瓣越远的副瓣相对于大地的入射角较小，入射距离近，产生的地面杂波 强度是最高的，所以还要求天线的远区副瓣功率最好随着角度的扩大递减，即越是机头下方的副瓣，功率越低，这样可以将副瓣地面杂波的干扰降低不过 即便是倒卡天线外面使用了旁瓣屏蔽罩，苏-27 依然没有具有实用的下视下射 和对地精确打击能力因此，雷达工程师放弃了反射面天线机理，开始重新考 虑低旁瓣天线设计波导缝隙天线开始在三代雷达普及应用其实波导缝隙天 线从雷达刚刚开始使用的上世纪 40 年代就开始研究，但是一直到上世纪七十年 代才逐渐成功应用波导缝隙天线是指在波导宽壁或者窄壁上开有裂缝的天线， 既可以做其他天线的馈源，也可以将缝隙排列成线阵或者面阵成为阵列天线 合理布置的缝隙就是类似一个阵元，每个缝隙辐射出的电磁波在空间叠加，形 成低旁瓣高增益的方向图机载火控雷达一般使用的是做成平面阵列的平板缝 隙天线，配合高重复频率设计，为三代机提供下视下射能力，为预警机提供高 增益和超低旁瓣性能。

不过波导缝隙辐射出的信号都源自于一个发射机，幅度、 相位和波形都不能灵活的调节，天线也一般采用机械扫描模式而相控阵技术 的出现，则让阵列天线的性能达到了新的高度采用倒置卡萨格伦天线的“祖可”-27 火控系统，该雷达就是苏 27 不具备完整 下视下射能力的“元凶”，图中的平板为倒卡雷达的主反射面，类似灯泡的白 色泡状物体就是天线的馈源装机状态的倒卡雷达天线必须用旁瓣遮蔽罩对旁瓣地面杂波进行遮挡，图中左 侧的绿色罩子里面就是上图可以看到的倒卡天线相控阵天线是由辐射单元排列而成的定向天线阵列，各辐射单元的相位关 系可控，天线阵列利用相移器控制每个辐射单元的信号相位，从而改变整个天 线阵列信号在空间的叠加加强方向，从而实现波束的电子扫描相控阵天线属 于电子扫描天线的一种，但是电子扫描还有频移阵列、时延阵列、电子馈电开 关阵列等等相控阵天线主要具有五个技术性能特点第一，天线波束具有快 速扫描能力，相对于机械扫描天线数秒甚至十几秒才能完成一次水平或者俯仰 扫描，相控阵天线可以在数微秒范围内完成同样范围的扫描，数据刷新率极快 第二，波束形状具备捷变能力，目前这个方面应用最多的是天线方向图可以在 某个方向角人为设置出零点增益，这样可以对于某个方向的干扰免疫。

同时也 可以改变主波束形状，实现宽波束搜索、窄波束跟踪的快速切换等等第三， 天线具备空间功率合成能力，由于相控阵天线的最终波束成形是在空间叠加合 成的，那么波束功率也是由每个辐射单元的功率叠加合成的，通过增加辐射单 元数量就能实现远程探测、毫米波雷达所需要的高功率问题，而常规集中式发 射机提高功率则是非常困难的第四，天线与雷达平台共形能力，天线不需要 机械扫描，紧贴于平台某个表面即可，可以消除天线对于平台的动力学性能影 响，改善隐身能力等等第五，多波束形成能力，相控阵天线可以在一个脉冲 重复频率内形成多个指向不同的发射波束和接收波束，这样可以提供非常强的 多任务和电子对抗能力世界上最先使用相控阵作为机载雷达的是米格-31 截 击机，采用了铁氧体相移器技术的无源相控阵技术美国的 B-1B 战略轰炸机也 使用了同样技术原理的无源相控阵美国在上世纪六十年代的“微电子雷达计 划”中开始研制用于机载火控雷达的有源 T/R 组件，但是受限于 X 波段的高频 率和器件性能的差距，还不能直接产生和放大 X 波段电磁波信号在第二阶段 的“可靠机载固态雷达计划”中，美国研制了具有 1048 个有源 T/R 阵元的有源 阵列。

到了第三阶段的“固态相控阵计划”首次采用了砷化镓场效应器件，直 接对 X 波段信号进行了放大，研制成功了机载火控雷达的巅峰型号，雷达中的 “猛禽”AN/APG-77 有源相控阵机载火控雷达，每个阵元峰值功率达到 10 瓦， 阵列有 2000 多个阵元至此，有源相控阵雷达成为世界雷达强国用于改进三代 机以及装备新飞机的最佳选择F/A-22 隐身战斗机使用的 APG77 有源相控阵雷达，下图是 APG77 所采用的有源 收发组件模块该型雷达代表了机载火控雷达发展的巅峰和新高度有源还是无源：歼十有源还是无源：歼十 B B 雷达猜测雷达猜测在网络上出现的我国自研三代机——歼十的改进型歼十 B 一直被军事爱好 者们所关注歼十 B 在歼十基础上进行了哪些改进，性能有什么样的提升，更 是一个热点话题网络上一张歼十 B 露出黄色倾斜固定雷达天线的照片表明， 歼十 B 应该是装备了三代改型战斗机首选采用的相控阵机载火控雷达，这标志 着我国的相控阵雷达技术已经完全能够工程实用不过该型雷达究竟采用的是 军迷们最为希望有源相控阵技术还是无源相控阵技术，一直众说纷纭随着我 国国防技术的飞速发展和军工技术信心的增强，我国战斗机型号和分系统研制 情况公开程度越来越高，最近在网络上又新出现了一型天线外形与装备歼十 B 原型机雷达几乎无异的雷达整机照片，为分析歼十 B 机载雷达提供了新的关键 信息。

网络上流传的歼十 B 机头雷达罩被打开的照片，该机明显采用了相控阵雷达天 线网络上曝光的疑似我国研制的机载相控阵火控雷达的照片，该型雷达体积小巧， 天线厚度适中，显示出相当高水平的技术功底无源机载火控雷达总体设计其实与第三代机扫火控雷达并没有颠覆性的区 别，都分别设计发射机、接收机、天线以及信号处理、数据处理系统，只不过 无源相控阵的雷达天线采用相移阵方式进行电扫发射机发射的电磁波信号经 过放大电路增加发射功率，然后通过介质传输到天线上，如果是机扫雷达，那 么天线就是反射面或者波导缝隙阵列天线；如果是无源相扫雷达，天线上会合 理设置多个相移器，在控制器的控制下，将电磁波依次相移，然后再发射无 源阵分为光学馈电方式和强制馈电方式光学馈电方式也被称为空间馈电，有 透镜式馈电和反射镜式馈电两种，发射机和天线之间的介质就是自由空间，发 射机如同人眼，无源相移阵就好像透镜或者反射镜法国为阵风战斗机研制的 RBE2 无源相控阵雷达就采用了透镜馈电方式爱国者”防空导弹系统所采用 的火控雷达也是透镜式馈电方式S-300PMU1 防空导弹系统采用的 64N6 三维相 控阵监视雷达采用了比较少见的反射镜馈电方式。

强制馈电则是采用波导作为 发射机和天线之间的介质阿里·伯克”级驱逐舰采用的 SPY-1 舰载无源相 控阵雷达就是强制馈电方式无源相控阵雷达由于发射机集中布置，而且发射 功率和冷却功率开销较大，因而体积较大而且由于天线背后有较为复杂馈电 系统，因而天线厚度往往较大有源相控阵雷达则在雷达总体设计上有了颠覆 性的不同有源和无。