科普:機載X波段AESA雷達

2020-11-22 電子工程專輯

有源電子掃描陣列(AESA)因其卓越的性能、多功能能力以及降低的功耗和雷達散射特徵使得空中作戰飛機的性能發生了革命性的變化，而且可靠性更高、生命周期內的成本費用更低。


隨著器件和封裝技術的發展，諸如氮化鎵(GaN)單片微波集成電路(MMIC)、共形陣列、數字陣列雷達、MIMO體系結構和集成射頻系統等領域是未來發展的趨勢。



作戰飛機上的火控雷達採用了AESA多功能系統，典型工作頻段為X波段。這些雷達也正在改裝到F-15E、F-16和F/A-18等現役戰機上，以提升其作戰能力。


美國的第一批AESA產品是西屋公司研製的1500單元陣列雷達，也就是現在諾斯羅普·格魯曼公司為F-22A猛禽戰機研製的APG-77雷達前身。與西屋公司同時開展研發的是由1100個單元構成的雷神APG-79雷達，最初的目的是為了升級替換F/A-18E/F超級大黃蜂裝備的APG-73雷達。


為APG-79開發的T/R模塊技術被用於後來F-15C的APG63(V)3和F-15E的APG-82(V)1雷達升級，此外，該技術也促進了B-2幽靈隱形轟炸機雷達APQ-181的進一步升級，APQ-181使用了一對2000個X波段天線單元。


諾斯羅普·格魯曼公司開發了1000個陣元的APG-80作為F-16戰機的升級產品，後來APG-80演變為可升級的捷變波束雷達(SABR)設計，以SABR為模板，格魯曼公司研製了裝備F-16的APG-83、裝備B-1轟炸機的SABR-GS APQ-164 AESA雷達。



AESA的T/R模塊將多個MMIC組合在一起實現獨立通道控制的接收機、發射機和波束控制器。早期的AESA採用四通道設計技術，而目前都是基於單通道T/R模塊的設計。與四通道或多通道的設計相比，單通道設計能夠顯著提高生產效率；AESA天線與數百甚至上千個收發模塊集成組裝在一起實現電磁波的接收、發射。


由於AESA雷達使用了數百到數千個獨立的T/R模塊，因此即使部分T/R模塊出現故障也只會稍微降低天線性能。災難性的AESA故障僅僅在共享子系統(如電源或波束控制器BSC)發生故障時才會出現。


AESA具有比PESA或MSA更大的帶寬，有助於低截獲概率(LPI)模式，並有效對抗針對頻帶內信號的電子幹擾。這種能力允許使用AESA雷達作為威脅告警子系統的高增益天線，或者具有千兆比特/秒的帶寬傳輸能力，或者具有LPI隱蔽能力的數據鏈路。


AESA接收機通常比PESA/MSA接收機具有6dB或更好的噪聲係數。因為網絡噪聲係數或系統噪聲係數主要是由天線輻射單元與第一級接收機之間的損耗決定的。


更高功率孔徑的AESA陣列也具有作為定向能武器的巨大潛力，從而在電子目標密集的環境中產生破壞性或電氣損傷效應。AESA將成為使用GaN元件的下一代EA-18G咆哮者幹擾機設計的核心技術。



AN/ZPY-2多平臺雷達技術嵌入計劃(MP-RTIP)已經啟動，專門用於提供監視成像和地面動目標指示(GMTI)能力，面向的裝備平臺為E-8「JSTARS」和RQ/MQ-4全球鷹。


實現高解析度的寬幅合成孔徑雷達(SAR)圖像是一種全新的技術挑戰，需要應用新的設計概念和系統架構。


基於多通道的SAR系統允許通過使用數字波束形成(DBF)或MIMO技術來克服解析度與覆蓋範圍的矛盾。SAR圖像的產生是通過相參方式實現的，從而導致散斑噪聲，但也意味著能夠提取出更多的附加信息。目前已經有多種技術可用於檢測兩幅SAR圖像之間的精細地表擾動，例如應用於地面車輛軌跡的相干變化檢測(CCD)技術。


運動目標檢測(MTD)雷達通過使用目標運動引起的都卜勒頻移，可以消除雜波後檢測到期望的目標信號。MTD要求射頻元器件具有高線性度和寬動態範圍，並實現天線旁瓣電平控制。空時自適應處理(STAP)能夠通過空間和都卜勒譜特性區分目標和雜波，從而將雜波區檢測的虛警率降低一個數量級。


下一代AESA天線將在同一個射頻前端組合產生不同工作模式，包括雷達、通信(數據鏈)和電子戰(幹擾)，這將導致更高的MMIC需求。目前用於AESA的T/R模塊射頻部分通常是基於砷化鎵(GaAs)技術，在過去的10年中，半導體刻蝕技術取得了很大的進展，特別是GaN和矽鍺(SiGe)雙極電晶體(BiCMOS)材料有可能挑戰甚至取代砷化鎵技術。由於GaN的高功率性能和低成本費用，領先的製造商都在積極推動GaN取代GaAs。



在相同的晶片面積上，GaN的功率輸出能達到GaAs的5倍以上，由於晶片的價格取決於晶片面積，因此從成本效益上來說也得到了很大的提升。例如，如果製成的GaN晶片(包括製作材料)成本是GaAs的兩倍，但GaN MMIC是GaAs MMIC尺寸的1/3-1/4，那麼GaN解決方案的花費僅僅是GaAs方案的50-66%。


基於GaN的系統還通過減少總的T/R模塊數量降低成本費用，同時更高的工作電壓提高了DC到RF的轉換效率，降低了功率消耗和生命


來源：雷達通信電子戰

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