相控陣雷達「相控」原理---多張動畫示意圖完美解釋

2021-02-25 微波仿真論壇

什麼是大規模天線(Massive MIMO)技術，為何5G要用MIMO天線 ?

對於很多人來說，相控陣雷達非常耳熟，但它的原理卻一直不是很清楚，今天咱們就來說說相控陣。

相控陣雷達不但不動，而且天線陣列也是平面的，那奇怪了，它到底是如何調整掃描方向的？顧名思義，「相控陣」就是控制每個陣元產生電磁波的相位與幅度，以此強化電磁波在指定方向上的強度，並壓抑其他方向的強度，從而實現讓電磁波束的方向發生改變。如下圖，就是相控陣雷達掃描不同方向的動畫示意圖：

說相控陣雷達的原理，就不得不提一下傳統雷達的工作方式。影視中，如果非要出現雷達畫面的話，傳統雷達就是最好的道具，因為傳統雷達動感十足，快速旋轉的天線便於營造緊迫感。

雷達探測目標距離的原理是：雷達波從發射到從目標返回的總時間，乘上光速，等於目標距離的兩倍。

傳統雷達依靠360度旋轉來掃描目標，而相控陣雷達與它的區別是，絕大多數相控陣雷達都是不動的，既然不動，那它又是如何掃描不同方向的呢？

相控陣雷達不是「一個雷達」，本質上，它是很多個「傳統雷達」的共同體。下圖為相控陣雷達的天線。

很容易就能發現，相控陣雷達的天線由無數個小單元天線組成，這些小單元天線叫做「陣元」，對於有源相控陣雷達來說，每一個陣元都是獨立控制的，它們既能獨立發射雷達波，也能接收雷達波的回波信號。

這就是相控陣雷達的基本工作原理，人們常把傳統機械式掃描雷達比喻為「個體戶」，而把相控陣雷達說成是「合作社」。人們還把它說成是21世紀的雷達，是否裝配相控陣雷達也是第四代戰鬥機一個非常重要的標準。而很多第三代機，把老式雷達改裝成相控陣雷達後，戰鬥力迅速提高。如下圖的F-16。有人開玩笑說，F-16裝上相控陣雷達後，火雞變成了鳳凰。

下面，我們就來看看，相控陣雷達有哪些先進之處。

沒有機械運動

相控陣雷達因為省去了整個天線的機械驅動系統，所以它的可靠性非常高，平均無故障時間遠遠高於傳統雷達。另外，相控陣雷達的思想有點兒類似於網際網路，某些節點壞了不影響整體功能的使用，數百個或上千個陣元中，就算有百分之十的陣元損壞，相控陣雷達依然可以使用。

分身有術

相控陣雷達是否強大，跟「陣元」是否先進和陣元數量的多少有很大的關係。陣元的數量可以是幾百個，也可以是上萬個，像美國的「鋪路爪」陸基相控陣預警雷達，就有15360個能發射電磁波的陣元和2000個不發射電磁波的陣元。15360個陣元分成96組，與其他不發射電磁波的輻射器搭配起來，本質上相當於96部雷達的組合體。

上圖為美國的「鋪路爪」長程預警雷達，主要用於監視彈道飛彈，它可以探測飛彈的彈道、發射點，計算出彈著點的位置。同時，它還可以用於監視和探測太空中的衛星。

上圖為美國海基X波段雷達，被稱為「海上巨眼」。它以螺旋槳推進，可遠海的大型風浪中維持運作，是美國國家飛彈防禦系統（NMD）的重要一環。

正是因為有非常多的陣元，所以，軍艦面對敵方飛彈的飽和攻擊時，可以把所有陣元分成若干組，每一組分別跟蹤和對付一個目標。我們經常聽到某種戰機或者軍艦能同時對付多少個多少個目標，其實，這其中的大部分功勞主要是屬於戰機或者軍艦上的相控陣雷達。

如上圖的F-35戰機，它配備的AN / APG-81相控陣雷達，既可以跟蹤空中的目標，還能監視地面上坦克和車輛，以及海面上的船隻。下圖為美國海軍的F-35B在航母上垂直起降的照片。

快速切換

上圖為蜻蜓的複眼，蜻蜓的眼睛又大又鼓，佔據著頭部的絕大部分，它是世界上眼睛最多的昆蟲之一，由上萬隻「小眼」組成，蜻蜓的視力很棒，還能向上、向下、向前、向後看而不必轉頭。

相控陣雷達跟蜻蜓的複眼有相似之處，每一個陣元相當於蜻蜓的每一隻小眼。在很多人的眼裡，雷達就是會發射和接收電磁波的鐵傢伙，但是其實，人類的眼睛又何嘗不是這樣？人的眼睛依靠接收可見光這種電磁波從而看見東西，而雷達，本質上就是「人著眼」，它是戰機、軍艦和衛星的眼睛，沒有雷達，拳頭再硬也無用武之地。

傳統雷達像人類的眼睛，估計還是獨眼龍那種，想看到左邊，就得把頭扭向左邊；而相控陣雷達，相當於蜻蜓的複眼，看左邊和右邊都不用扭頭。這樣的好處是，相控陣雷達探測和跟蹤目標的速度極快，如果要調整100度的方向，普通雷達因為要轉動，大約需要1秒，而相控陣雷達所需時間不到1毫秒。

它是雷達界的全能冠軍

在過去，軍艦上安裝有不同種類的雷達，體積龐大、重不說，另一個麻煩是幹擾，常常是，一種雷達工作時，另一種雷達就會受到幹擾，嚴重的甚至不能同時工作。

由於相控陣雷達由電腦控制，所以它的方位指向和波段切換速度極快，能夠同時完成對空、對地、對海不同目標的探測，如此的話，它可以把原來需要多種不同種類雷達才能完成的任務一下子接過來，實現火控雷達、搜索雷達、預警雷達等合而為一。另外，相控陣雷達還可以進行戰機間通信，如果集中波速，可以對敵實施電磁幹擾戰。

相控陣雷達可以在1秒內關機，1秒內開機，好處是，當軍艦遇到依靠雷達信號進行引導的「反雷達飛彈」時，可以迅速地把朝向來襲飛彈方向的雷達關機，同時，其他方向的雷達保持開啟。

智能蒙皮

相控陣雷達由多個獨立的收發陣元組成，未來技術成熟後，這些陣元可以分散到機身各處，與機身徹底融為一體，這就是戰機的智能蒙皮，它能讓飛機的機身更緊湊，進一步減少風阻。而預警機背著一個「大圓盤」，這是不得已而為之。未來智能蒙皮成熟後，大圓盤或許不再存在。

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