最強「薩德」科普,相控陣天線為什麼那麼厲害!

2021-02-25 摩羯視界

薩德反導系統，也叫THAAD，即末端高空防禦飛彈，是美國陸軍研發的一款攔截短程和中程彈道飛彈的末端防禦系統。

1

薩德的組成和工作原理

薩德系統主要由四大部分組成：①雷達，②火控系統，③發射車，④攔截器。

工作原理分為四大步驟：

1）雷達探測到飛彈來襲。

2）指揮和火控系統確認並鎖定目標。

3）發射車發射攔截彈。

4）攔截飛彈在空中摧毀來襲飛彈。

薩德系統主要有兩套核心組件：攔截彈和雷達系統。

作為一枚通信汪，我更關注的是那個用來探測和跟蹤目標的雷達系統，就是被稱為薩德系統的眼睛的AN/TPY-2相控陣雷達。也有人認為真正對中國最大的威脅是這個相控陣雷達。

所謂相控陣雷達，採用的正是相控陣天線技術，也是今天4.5G Massive MIMO作為民用之一採用的技術，同時未來5G相控陣基站將成為主流。

2

AN/TPY-2雷達系統

AN/TPY-2雷達系統工作在X波段（9.5GHz），天線陣面積為9.2平方米，安裝有25344個（有人說30464個）天線單元，採用數字波束形成(DigitalBeamForming，DBF)處理器。方位角機械轉動範圍-178°~+178°，俯仰角機械轉動範圍0°~90°，但天線的電掃範圍，俯仰角及方位角均為0°~50°。

AN/TPY-2可以實現從探測、搜索、追蹤、目標識別等多功能任務為一體，據有關報導稱，其探測的距離最遠可達2000公裡，基本上大半個中國都在它的覆蓋之下。它使用的窄波束，稱可精確評估目標彈頭的預計位置，並識別假彈頭。

AN/TPY-2雷達系統的組成主要分為如下圖的5大部分：

1. 相控陣天線

2. 電子設備單元（車）

3. 1兆瓦的主電源單元（車）

4. 冷卻設備單元（車），主要為天線陣列提供冷卻

5. 操作控制車，內置可操作、維護和通信監控的操作控制臺（使用自有的供電系統）

☝ AN/TPY-2雷達

☝ 相控陣天線設備

☝ AN/TPY-2雷達系統組成

電子設備車是一種模塊化、一體化的拖車，車箱配備核生化防護能力及環境控制裝置的密閉保護罩。主要設備有：2臺用於數據處理的VAX7000計算機、4臺MP2大規模並行信號處理機，以及接收機/激勵器、檢測目標發生器和高速記錄儀等。

MP2處理機是大規模並行處理技術的首次軍事應用，用途是頻譜分析、脈衝壓縮與連續探測，以及對來自接收機的數位化雷達回波抽樣進行初步圖像處理。VAX7000計算機負責實際作戰任務的計算，任務前與任務後的數據處理等。

電源設備車由1臺內燃機、1臺交流發電機、1個控制盤、1個轉換開關組成，能提供1.1兆瓦的電力。

冷卻設備車是1個長12米、重16.3噸的封閉式拖車，車內裝有供天線冷卻用的液體冷卻設備和為天線及電子設備提供電力分配的裝置。

☝ 冷卻設備單元

☝ AN/TPY-2雷達和冷卻設備單元

操作控制車是一個單獨的系統，可保證操作人員監視雷達跟蹤效果以及與外部的通信，有獨立的電力系統。部署時其功能可以併入雷達系統。

系統之間的通信連接採用光纖數據鏈路。整套系統和組件共需2.1兆瓦的功率來工作。

☝ 操作控制車

☝ 內部操作控制臺

☝ 操作控制車內部結構圖

3

攔截彈

薩德系統的攔截彈長6.17米，最大彈徑0.37米，起飛重量900公斤，最大速度可達2500米/秒，主要由助推器（booster）、從殺傷攔截彈頭（Kill Vehicle）及整流罩組成。

☝ 薩德攔截彈的組成

☝ 薩德攔截彈

☝ 薩德增程型攔截彈（THAAD ER）

增程型「薩德」攔截彈（THAAD ER）是的對原型「薩德」系統的改進，助推器改進為兩級，這樣在將飛彈助推到較大速度後可以甩掉多餘質量，以使殺傷器獲得較大初速和機動性。

由於THAAD ER攔截彈的直徑增大了，重量也增加了，所以，要重新設計發射裝置，以前一輛發射車可攜帶8枚攔截彈，現在減少為6枚，但可以通過增加發射架數量來彌補。

☝ 薩德發射車

所以，整個薩德系統的組成如下圖所示：

4

相控陣天線

作為通信人，自然最感興趣的就是薩德的AN/TPY-2相控陣天線系統。

剛才講了，未來5G將大量採用相控陣天線技術。其實相控陣天線系統已經廣泛民用，包括大家熟知的MIMO天線，用於預測天氣和保證航空安全的雷達系統。

相控陣技術最先應用於軍事，20世紀60年代，最典型的就是美國的AN/FPS-85和前蘇聯的「狗窩」，用於檢測、跟蹤、目標識別快速移動的空中目標，對飛彈作預警、測軌和對衛星進行編目等多種功能。

☝ AN/FPS-85

後來，隨著民航班次增多，為了更好的進行航空管制和整合一些老舊的雷達基礎設施，人們開始研發多功能相控陣雷達（MPAR）系統，並很快實現原型。這大概就是相控陣雷達技術廣泛應用於民用的原因之一。

☝ MPAR概念

相控陣天線技術是5G無線的關鍵技術之一，比如Massive MIMO技術，通過高性能DSP控制幾十~數百個天線陣列每一個天線單元的發射（或接收）信號的相位和信號幅度，產生數十個具有高度指向性的空間波束。

相控陣天線的工作原理是怎樣的呢？

或者，相控陣天線如何產生一束能量集中的波束，並將這一波束精確的指向目標物（終端）？

相控陣天線陣面由許多個輻射單元和接收單元（稱為陣元）組成，單元數目從幾百個到幾萬個。這些單元有規則地排列在平面上，構成陣列天線。

☝ 相控陣天線的可視化模擬圖

利用電磁波相干原理，通過計算機控制饋往各輻射單元電流的相位，就可以改變波束的方向進行掃描，故稱為電掃描。輻射單元把接收到的回波信號送入主機，完成雷達對目標的搜索、跟蹤和測量。

☝ 相控陣天線的可視化演示圖，左邊為陣列，右邊為波束

每個天線單元除了有天線振子之外，還有移相器等必須的器件。不同的振子通過移相器可以被饋入不同的相位的電流，從而在空間輻射出不同方向性的波束。天線的單元數目越多，則波束在空間可能的方位就越多。這一工作原理是相位可控的陣列天線，「相控陣」由此得名。

如下圖所示，上下兩個輻射單元以相同的相位饋電，信號通過主方向的相長幹涉（constructive interference）放大，而通過相消幹涉（destructive interference）來改善波束的大小。

下面，我們將上面一個輻射單元相對下面那個輻射單元相移22度，可以看到發射信號的主方向略為向上移動（如下圖）。

（注意：上面兩張圖並沒有考慮反射器，所以所示天線圖的後瓣與主瓣一樣大）

☝ 波束偏轉動畫

相控陣天線的優點：

（1）在計算機控制下波束指向靈活，能實現無慣性快速掃描，數據率高；

（2）一個雷達可同時形成多個獨立波束，分別實現搜索、識別、跟蹤、制導、無源探測等多種功能；

（3）目標容量大，可在空域內同時監視、跟蹤數百個目標；

（4）對複雜目標環境的適應能力強；

（5）抗幹擾性能好。全固態相控陣雷達的可靠性高，即使少量組件失效仍能正常工作。

缺點：

結構複雜（處理器和移相器），成本高，且波束掃描範圍有限，最大掃描角為90°～120°。當需要進行全方位監視時，需配置3～4個天線陣面。

相控陣雷達（英文：Phased Array Radar，PAR）即相位控制電子掃描陣列雷達，利用大量個別控制的小型天線單元排列成天線陣面，每個天線單元都由獨立的移相開關控制，通過控制各天線單元發射的相位，就能合成不同相位波束。相控陣各天線單元發射的電磁波以幹涉原理合成一個接近筆直的雷達主瓣，而旁瓣則是各天線單元的不均勻性而造成。

相控陣分為「被動無源式」（PESA）與「主動有源式」（AESA），其中技術性能較低的「被動無源式」在上世紀80年代已有成熟的系統部署於艦艇及中/小型飛機上，而性能更優異、發展前景更好但技術性能較高的「主動有源式」則到了90年代末期才開始有實用的戰機用與艦載系統開始服役。

相控陣雷達從根本上解決了傳統機械掃描雷達的種種先天問題，在相同的孔徑與操作波長下，相控陣的反應速度、目標更新速率、多目標追蹤能力、解析度、多功能性、電子對抗能力等都遠優於傳統雷達 ，相對而言則付出了更加昂貴、技術要求更高、功率消耗與冷卻需求更大等代價。

相控陣雷達由美國1937年開始研製，1955年研製出兩套系統。有源相控陣雷達典型代表有美國伯克級驅逐艦的AN/SPY-1、遠程預警AN/FPS-115「鋪路爪」、F-22戰鬥機的AN/APG-77有源相控陣雷達等。英國的AR-3D、法國的AN/TPN-25、日本的NPM-510和J/NPQ-P7、義大利的RAT-31S、德國的KR-75。中國052D型驅逐艦的346A型也為有源相控陣雷達。

相關焦點

  • 薩德反導系統相控陣天線的工作原理
    作為一枚通信汪，我更關注的是那個用來探測和跟蹤目標的雷達系統，就是被稱為薩德系統的眼睛的AN/TPY-2相控陣雷達。也有人認為真正對中國最大的威脅是這個相控陣雷達。所謂相控陣雷達，採用的正是相控陣天線技術，也是今天4.5G Massive MIMO作為民用之一採用的技術，同時未來5G相控陣基站將成為主流。AN/TPY-2雷達系統工作在X波段（9.5GHz），天線陣面積為9.2平方米，安裝有25344個（有人說30464個）天線單元，採用數字波束形成(DigitalBeamForming，DBF)處理器。
  • 薩德系統中威脅最大的其實是相控陣雷達,詳解其工作原理及構成
    也有人認為真正對中國最大的威脅是這個相控陣雷達。薩德反導系統，也叫THAAD，即末端高空防禦飛彈，是美國陸軍研發的一款攔截短程和中程彈道飛彈的末端防禦系統。薩德的組成和工作原理薩德系統主要由四大部分組成：①雷達，②火控系統，③發射車，④攔截器。
  • ADI-相控陣天線方向圖
    -第1部分：線性陣列波束特性和陣列因子簡介雖然數字相控陣在商業以及航空航天和防務應用中不斷增長，但許多設計工程師對相控陣天線並不算了解。相控陣天線設計並非新生事物，經過數十年的發展，這一理論已經相當成熟，但是，大多數文獻僅適合精通電磁數學的天線工程師。隨著相控陣開始包含更多混合信號和數字內容，許多工程師可以從更直觀的相控陣天線方向圖說明中獲益。事實證明，相控陣天線行為與混合信號和數字工程師每天處理的離散時間採樣系統之間有許多相似之處。
  • 科普:相控陣雷達工作原理及類型簡介
    這一時期的相控陣雷達具有機動性高、天線小型化、天線掃描體制多樣化、應用範圍廣等特點。80年代，相控陣雷達由於具有很多獨特的優點，得到了更進一步的應用。在已裝備和正在研製的新一代中、遠程防空飛彈武器系統中多採用多功能相控陣雷達，它已成為第三代中、遠程防空飛彈武器系統的一個重要標誌。從而，大大提高了防空飛彈武器系統的作戰性能。
  • 首亮相CP值高,讓「薩德」徹底「瞎眼」!大閱兵這件「神器」驚呆韓媒
    對於反輻射無人機，韓國媒體尤其予以關注，因為這款無人機可以攻擊韓國"薩德"反導系統雷達部分。韓國《東亞日報》8月1日報導稱，中國在閱兵式上，首次公開了可以攻擊韓國"薩德"反導系統雷達部分的攻擊型無人機。
  • 下一代有源相控陣雷達設計趨勢
    陣元輸入信號的相位和幅度控制為天線波束在俯仰和方位向提供了可控的方向性，這使得雷達能夠將天線主瓣「瞄準」需要的方向。與機械掃描雷達不同，相控陣雷達能夠在空間上幾乎無延時地輪換模式，模塊收發增益和時序的數位化控制造就了具備波束指向敏捷、雷達模式交叉和極低副瓣性能的天線，相對於無源電掃描陣列（ESA）和機械掃描雷達來說，這極大地降低了天線雷達的特徵。
  • 有源相控陣雷達技術發展趨勢
    類似的作戰需求也推動美國海軍開發了SPY-1「宙斯盾」S波段無源相控陣雷達。該雷達每個天線面有4096個陣元，分成140個模塊，每個模塊包含32個陣元，利用複雜的波導饋源網絡分發發射和接收信號。SPY-1A採用混合陣，每個天線陣面內嵌有4352個固態接收機，採用8部發射機為每個陣面提供高達132千瓦的總峰值功率。
  • 6G超小型天線發布 | 科普:天線的起源與發展歷史
    「古浪」發現接地的好處在這好幾年之後，有一位名叫「古浪」 (Garfield Grownd) 的實驗家發現到，供電給桌子上的檯燈有兩條導線，但是接收機的天線只有一條，為什麼只有一條天線可以表現得那麼好「郝柏思」發明天線的虛接地在 QST 雜誌上讀過 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天線專論之後，一位名叫「郝柏思」 (Count Herpoise) 的歐洲貴族，發現他的檯燈不只兩條線，而是三條線，因為這國家的電力系統採用 330V，這雖很自然，但是他想到，為什麼北美地區使用220V 供電，
  • 薩德飛彈防禦系統(THAAD)
    美國防部官員甚至宣稱，「薩德」系統將與美國地基中段攔截系統結合，共同保護美國本土免遭襲擊。THAAD飛彈的有效攔截高度覆蓋了距離地面40千米到150千米的多種空域情況。按照目前國際上公認的「太空高度」，距離地面100千米（即卡門線高度）以上的區域被認定為太空。那麼，THAAD既是一款防空武器，又是一款能夠攔截尚未進入大氣層的彈頭的太空武器。
  • 簡說空饋相控陣
    相控陣天線可以根據饋電方式分為兩類，一個是強制饋電相控陣天線，另一個是空間饋電相控陣天線。饋電，可以理解為給天線輸入信號的意思。天線要工作，必然會有信號的輸入和輸出，那就必須要進行饋電了。強制饋電的相控陣天線：這是最典型的一種形式，信號通過功分器、或者是TR組件，直接連接到陣列天線中的每一個單元上面。
  • 蒼蠅拍(相控陣)天線的垂直和水平安裝正確圖解
    小編寫在前面：如果您有數位訊號收視報告、參數變動等等，也歡迎投稿，投稿QQ 937588825，不太會寫文字的朋友，可以發天線圖+幾張有代表性的收視圖給我 ，我會簡單問幾個問題，然後我會根據您的情況來幫您組織文字，最後將您的內容分享給全國發燒友近來發現，不少網友無法區分相控陣天線
  • 有源相控陣雷達為什麼貴?看看製造的材料你就不覺得貴了
    其實，看看這些武器的原材料和製造過程，大家可能就覺得不那麼難以接受武器的高價格了。有源相控陣雷達的核心為T/R組件，成本通常佔整部雷達的60%～70%以上。一部性能先進的有源相控陣雷達一般由1000~3000個T/R組件組成。這些T/R組件有多貴呢？可以給大家舉個例子。美國超級大黃蜂上採用的APG-79有源相控陣雷達賣給美國國內軍方的價格是300來萬美元。注意，這僅僅是國內自用的價格。該雷達在世界眾多有源相控陣雷達中性能僅僅算是一般，T/R組件陣元僅有1000多個。
  • 解放軍應該如何對付「薩德」
    在最近的國防部記者招待會上，我軍也義正辭嚴的表示：反對部署「薩德」，中國軍隊絕不是說說而已。那麼，我們該如何對付「薩德」呢？首先當然我們還要再澄清一下，「薩德」究竟對我國產生多大威脅。實際上，AN/TPY-2雷達的天線還呈45度角向上，就是避免波束指向地平線方向，接收地面回波影響其探測遠程高空、軌道目標的能力。因此，它實際上只能看到上升到接近宇宙空間的飛彈，而無法「低頭」來探測飛機。
  • 前沿: 後摩爾時代 , 從有源相控陣天線走向天線陣列微系統
    微波成像雷達系統能力與目標的電磁特性、天線理論和工程及信號處理技術等密切相關 。相控陣技術已成為雷達發展的主流 , 包括高解析度對地微波成像雷達 . 為了有效地緩解微波成像雷達高解析度與寬觀測帶之間的矛盾 , 有源陣列天線是理想的選擇 , 並且天線的高效率、大孔徑、低剖面和輕量化是工程應用的急需 , 也是天線工程師永恆的追求 .
  • 薩德反導系統·THAAD-末端高空反導的利刃!
    圖2 薩德系統的工作模式AN/TPY-2雷達被稱為目前世界上最大，功能最強的陸基X波段有源相控陣雷達。AN/TPY-2雷達由天線、操作控制車、冷卻設備車、電子設備車和電源設備車等5個部分組成，如圖3所示。圖3 薩德雷達系統組成AN/TPY-2高解析度X波段固態有源相控陣多功能雷達是美國THAAD系統的火控雷達，是 THAAD系統的重要組成部分，為攔截大氣層內外3500千米內中程彈道飛彈而研製，是美軍一體化彈道飛彈防禦體系中的重要傳感器。
  • 東亞最強?韓國FFX-III護衛艦,配備雙波段有源相控陣雷達
    FFX-III型護衛艦的建造計劃，是整個FFX系列護衛艦建造的最後一個階段，也是該系列性能最強的一個型號。FFDX護衛艦的建造計劃於1998年啟動，21世紀初期完成基本規劃，其主要目的就是為了代替於上個世紀7、80年代建造的，已經逐步老舊的蔚山級、浦項級和東海級這類輕型護衛艦，最終實現韓國海軍護衛艦編隊的全部更新換代。
  • AN/APY-9有源相控陣雷達
    AN/APY-9有源相控陣雷達由洛克希德馬丁公司研製，是一部採用「電子掃描+機械掃描」組合方式的預警雷達系統，可執行開發海域/近海
  • 科普丨衛星天線簡史
    隨著各種需求的增長，衛星通信容量逐漸增大，為提高天線增益和區域覆蓋能力，反射面天線得到了快速發展。通過對反射面進行賦形優化設計，實現了對不同地區的靈活覆蓋；同時引入機構組件使天線具有轉動功能，實現了覆蓋區的靈活機動掃描。該類衛星從早期的線天線為主擴展到面天線為主。主要天線類型以卡薩格倫天線為核心的各種變形、多波束天線陣及各型喇叭天線。
  • 相控陣雷達未來的發展趨勢之一:光學相控陣
    這已經在一些無源或有源相控陣天線中採用，主要原因是為了提高波控傳輸速率，縮短雷達響應時間，減少波控系統的重量，簡化布線結構設計，提高EMC性能。 • 發射陣中載頻信號的傳輸分配與上變頻用本振信號的傳輸與分配，這隻有在有源相控陣中使用才易於工程實現。
  • 反制薩德飛彈最好的辦法在哪?
    薩德反導系統簡稱薩德飛彈，正式的名稱是「末段高空區域防禦系統」（Terminal High Altitude Air Defense，縮寫：THAAD，薩德），是當今世界最厲害的反導系統。關鍵是攔截高度，韓軍擁有的「愛國者」PAC-2攔截飛彈的攔截高度僅為20公裡，薩德的高度達到40-150公裡。中遠程飛彈發射後，有一個明顯的飛行弧度，往上速度慢些，向下掉時速度快些。