有源相控阵雷达技术发展趋势

2017-04-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

有源相控阵(AESA,亦译有源电扫描阵列)雷达已成为现代先进战机的标准配置,不仅会在许多新机型中取代机械扫描阵列(MSA)和无源电扫描阵列(PESA)雷达,还用于现役飞机的批量升级。AESA也已渗入以前由MSA和PESA技术主导的其他领域,包括机载预警雷达、面对空导弹火控雷达和立体搜索雷达。这种发展势头还会持续下去,并将得到进一步的发展。但是,AESA也不是“万能药”,并非适合所有雷达应用。因为它会对支撑硬件提出许多独特的要求,而在传统雷达技术中,这样的硬件很少甚至根本没有。这些要求增加了系统集成的费用,并且在不同程度上影响到其应用。

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雷声公司的 RACR 基于 APG-79 AESA 雷达的经验

毋庸置疑,随着技术日趋成熟,制造费用不断下降,AESA近期有望成为一种主流技术,用于多种大批量雷达的设计与开发。要知道AESA因何能够获得如此巨大的成功,首先需要了解电扫描阵列或相控阵的发展历程。

ESA雷达技术的发展

世界上第一种“现代化”的军用量产型相控阵雷达是曾在二战后期部署的德国制造的VHF波段GEMA FuGM41“猛犸象”或“板墙”系列对空/对海监视雷达。这种创新性的雷达引入了电子或“灵活”波束控制概念-天线主瓣的方向不再通过天线视轴的物理指向来控制,而是通过改变经由天线阵列阵元的信号的相对相位或延时来实现。虽然更早出现的英国“本土链”雷达(曾对不列颠之战发挥决定性作用)是利用天线阵元对之间的相位关系来测向,但“猛犸象”雷达才是第一种通过多个独立的相位或延时控制单元实现收发的批生产型号。

这种方法带来的最大好处就是不再需要通过机械的方法控制庞大笨重的天线扫描大范围空域,而通过电子控制波束指向获得灵活的波束控制能力。这是ESA相对于MSA的重要优势,因为它能够灵活控制波束,跟踪单个目标或群目标,以及提高对大范围空间的扫描速率。对于设计和维护人员来说,与MSA相比,采用ESA会带来复杂度、体积和重量方面的问题,至今上述因素仍是影响ESA技术推广应用的主要障碍。

20世纪70年代,随着美国和前苏联开发了一系列重要的系统,ESA技术取得了长足进步。但不管怎么发展,其宗旨都是获得同时跟踪大批量高速运动目标的能力,进而支持导弹制导应用,以及战术/战略弹道导弹和低/高空巡航导弹防御应用。

美国部署了雷声公司开发的450兆赫兹FPS-115“铺路爪”雷达,前苏联开发部署了150兆赫兹的NIRI 5N15“第聂伯河”/“鸡舍”系列PESA雷达,两者均用于执行关键的战略弹道导弹捕获和跟踪任务。后来的“铺路爪”型号,平均功率为145.6千瓦,峰值功率为582.4千瓦,采用的阵元数量至少1792个,每个阵元的辐射功率为325瓦。

美国陆军装备的雷声公司C波段MPQ-53“爱国者”交战雷达和前苏联的X波段5N63/30N6(用于S-300PT/SA-10)和9S32(用于S-300V/SA-12)交战雷达也是PESA雷达,都是为摧毁飞机、巡航导弹、远程导弹和战术弹道导弹而开发的。上述3种雷达采用了相同的设计理念-采用无源光学空间馈电和由移相器组成的透射主天线阵。前苏联雷达采用精心设计的单脉冲馈源喇叭排列,置于透镜组件之后。类似的空间馈电设计也用于前苏联为S-300V/SA-12地空导弹系统开发的X波段9S19“高屏”反弹道导弹捕获雷达和为S-300PM/SA-20A地空导弹系统开发的5N64/64N6“大鸟”S波段双面阵战场管理雷达。

类似的作战需求也推动美国海军开发了SPY-1“宙斯盾”S波段无源相控阵雷达。该雷达每个天线面有4096个阵元,分成140个模块,每个模块包含32个阵元,利用复杂的波导馈源网络分发发射和接收信号。SPY-1A采用混合阵,每个天线阵面内嵌有4352个固态接收机,采用8部发射机为每个阵面提供高达132千瓦的总峰值功率。

第一代ESA雷达的共有特征是,采用无源透射铁氧体移相器和行波管发射机,从而提高了整个系统的峰值功率。对重量敏感的应用,如地面导弹连,则优选光学空间馈电,而“宙斯盾”系统和更低波段的弹道导弹防御雷达则采用馈电网络。截至目前,所有上述雷达的型号及派生型仍在服役和生产。

20世纪80年代,第二代ESA雷达面世,主要针对机载应用,充分汲取了雷达设计师在70年代早期获得的经验。美国西屋公司为B-1B“枪骑兵”轰炸机开发了X波段APQ-164雷达,是从EAR(电子捷变雷达)演示验证机发展而来的PESA型号,具备一定的低截获概率(LPI)能力。雷达共用1个由1526个阵元组成的独立孔径,用于地面测绘、武器瞄准和自动地形跟随等。利用行波管和接收机链路冗余技术,达成ESA天线的高可靠性要求。

随后不久,休斯公司就为B-2A“幽灵”隐身轰炸机开发了Ku波段APQ-181无源相控阵雷达。APQ-181是一种低截获概率雷达,具备隐蔽攻击能力。它采用了与APQ-164相同的天线技术,提供类似的导航、瞄准和自动地形跟随能力。不仅如此,它还附加了一项比较苛刻的要求,即天线阵面的雷达发射截面积必须满足类似“小鸟”的尺寸,这样才能保证B-2优异的隐身性能。APQ-181雷达再一次验证了ESA相较于MSA的关键优势,且适于隐身探测,这也是长期以来推动AESA,尤其是机载AESA雷达不断向前发展的关键因素。

虽然美国早期的机载ESA方案主要针对轰炸机应用,但前苏联的首部X波段机载PESA雷达-季霍米洛夫NIIP公司开发的BRLS-8B“盾牌”(Zaslon,北约称“闪舞”)脉冲多普勒机载拦截雷达却是为“米格-31”重型战斗机开发的。这是因为该型战机承担着拦截美国AGM-86B空射巡航导弹、BGM-109G陆射“战斧”和RGN-109潜射巡航导弹的艰巨任务。“盾牌”雷达阵列由1700个阵元组成,能够同时引导4枚“阿莫斯”远程空空导弹打击隐藏在地杂波中的低信号特征目标,是用于装备前线战斗机的第一种批生产型ESA雷达。其最显著的特征是L波段IFF询问机的PESA阵列被嵌入X波段雷达阵列之中。

与第一代ESA一样,第二代ESA雷达也采用无源透射铁氧体技术移相器和行波器发射机,唯一不同的是后者采用天线馈电网络,这也是堆栈行结构的典型特征。在此类雷达中首次采用的多种理念一直沿用于后续AESA的研发与设计中。

俄罗斯继续采用PESA技术设计开发了一系列新式雷达,如季霍米洛夫NIIP公司为“苏-30MKI/MKM”战机开发的N011M混合型ESA雷达以及为“苏-35S”战机开发的N035“雪豹-E”派生型雷达,法扎特伦公司为“苏-33”舰载机开发的Zhuk-MFS/MFSE雷达,列宁人公司仿造APQ-164为“苏-34”轰炸机开发的B004多功能火控雷达,NIIP梁赞GRPZ公司用于N001VE机扫雷达升级改造的Pero无源相控阵雷达。Pero采用独特的反射式空馈设计,其X波段喇叭置于阵列前面的尾桁之上。该技术也用于专为9K317“山毛榉”M2/SA-17新型战场防空导弹系统开发的X波段9S36交战雷达。

20世纪90年代,美国和欧洲的AESA雷达技术取得了长足进步,俄罗斯紧跟其后。虽然新研的AESA雷达采用了许多以前为PESA雷达开发的技术,但也引入了完全有别于PESA的发射机技术。砷化镓平面单片集成电路工艺的成熟是AESA得以实现的关键因素之一,因为大功率晶体管和单片移相器的制造均有赖于这种工艺的成熟。虽然早在25年前就已经普及小功率接收机用的低噪声系数砷化镓金属-半导体场效晶体管(MESFET)器件,但直到微波单片集成电路(MMIC)技术成熟到能在关键应用中将必需的电路封装在有限空间的T/R模块内时,研制AESA才具备了现实的可能。L波段和S波段MMIC技术早在15年前就已经成熟,更具挑战性的X波段MMIC技术在10年前获得应用。PESA采用无源移相器件,而AESA的T/R模块则集成了多个MMIC,形成独立控制的接收机、发射机和波束控制器。在T/R模块设计方面,俄罗斯稍逊于美国,但有望很快缩短差距。

渗透军用雷达主流应用领域

目前,AESA技术已渗透到许多关键应用领域,包括X波段机载火控雷达、VHF至S波段预警搜索雷达和特定的S/X波段弹道导弹防御雷达。在不断插入现役雷达的升级改造以及作为一种全新设计取代传统雷达的发展中,AESA技术不断取得进步。

战斗机和轰炸机机载雷达多为X波段。首部AESA批生产雷达是原西屋公司,现诺斯罗普·格鲁曼公司为F-22A“猛禽”战斗机开发的由1500个阵元组成的APG-77雷达。该雷达已成为AESA技术发展风向标,现已发展到第二种配置APG-77(V)1,其中采用的模块与为F-35战斗机开发的只有1200个阵元的APG-81雷达通用。

同期并行开发的是雷声公司1100个阵元的APG-79雷达。该雷达最初为批量升级改造F/A-18E/F“超级大黄蜂”战机开发,最后却发展成一种独特的设计。为APG-79开发的T/R模块技术用于对F-15C战斗机APG-63(V)3和F-15E战斗机APG-82(V)1的AESA升级。早期的F-15雷达采用由行波管驱动的机械扫描阵列技术,后来一部分F-15C战机换装了早期采用“条”式T/R模块技术的APG-63(V)2雷达,近期的升级改造涉及APG-63(V)3/APG-82配置,其中采用了基于APG-79设计的独立T/R模块。这种先进的T/R模块技术也移植到APQ-181雷达的深度改进之中,在其AESA型号中采用了一对2000个阵元的X波段阵列。同期,诺·格公司还开发了1000个阵元的APG-80雷达,用于老式F-16战机的批量现代化改造,作为一种全新设计,APG-80现已发展成尺寸可变的灵活波束雷达(SABR)。

当美国X波段机载AESA雷达占据主导地位之时,专门针对ISR应用的X波段AN/ZPY-2多平台雷达技术插入计划(MP-RTIP)才开始启动。MP-RTIP雷达专门用于提供监视成像和地面动目标指示能力,主要针对E-8、E-10和RQ/MQ-4“全球鹰”平台。AESA技术也是设计新一代干扰机EA-18G“咆哮者”干扰支持吊舱的关键,计划采用氮化镓(GaN)器件。

虽然欧洲制造商落后于美国,但目前也能提供几种X波段AESA产品,包括泰利斯公司为达索公司“阵风”战斗机开发的RBE2型雷达,欧洲雷达联盟为“台风”战斗机开发的ECR-90雷达和塞莱克斯公司更小型的Vixen500E和1000E型AESA雷达(对新一代“鹰狮”战斗机)。所有设计都充分汲取了机载多功能固态有源阵雷达(AMSAR)开发项目的经验与教训。

法扎特伦公司是俄罗斯第一家提交X波段AESA雷达的生产商,早在2007年便交付了供“米格-35”战斗机使用的Zhuk-AE有源阵雷达。之后不久该公司便与季霍米洛夫NIIP公司展开了为“苏-27/30”和T-50 PAK-FA新一代隐身战斗机提供大型AESA雷达的竞标。季霍米洛夫NIIP公司同期开发的L波段AESA项目备受关注,该雷达旨在嵌入战斗机机翼前缘和外侧,提供敌我识别和反隐身探测。

虽然X波段AESA雷达在先进战斗机应用中占据主导,但诺·格公司的AN/ASQ-236雷达吊舱却独辟蹊径,专为精确地面测绘而设计开发了Ku波段AESA雷达。

20世纪90年代,X波段AESA雷达逐渐渗入机载预警雷达市场。以色列IAI/Elta公司基于波音707-320平台开发了L波段EL/M-2075“费尔康”雷达,后验证机被销往智利,而相关技术却演变成G550平台携载的EL/W-2085雷达,现装备以色列和新加坡。1998年,因为“楔尾”的原因,采用相同的技术研发的EL/W-2090型L波段三面阵AESA雷达未能成功销往澳大利亚,也未能如愿销售给中国,最终印度购得此套系统。瑞典S波段“爱立眼”机载雷达出口取得了巨大成功,用户有瑞典、巴西、希腊、墨西哥、巴基斯坦、泰国和阿联酋,平台可选用商用喷气式或涡轮螺旋桨飞机。美国唯一的机载预警与指挥控制AESA雷达是诺·格公司开发的L波段多功能电扫描阵列(MESA),雷达以波音737-600为平台,系统现已销往澳大利亚、土耳其和韩国。

虽然机载应用是AESA研发的主要目标,但新出现的地面应用也逐渐得到推广。其中之一是导弹防御用的目标捕获与火控雷达。以色列埃尔塔公司率先推出了EL/M-2080“绿松”L波段雷达,用于支持“箭”式反弹道导弹。之后不久,美国雷声公司推出了25344个阵元的AN/TPY-2型THAAD地基雷达/前沿部署的X波段机动式宽带AESA雷达,用作THAAD系统的捕获与交战雷达。该领域内体积最庞大,功率最强劲的雷达当属包含45056个阵元的海基X波段雷达,是专为地基拦截器三级外太空反弹道导弹开发的,其AESA天线阵面直径达22米。

AESA技术占主导的另一个领域是X波段捕获和火控雷达,可用来为作战舰只提供保护,使其免受掠海巡航导弹的攻击。典范之作包括雷声公司为“朱姆沃尔特”级驱逐舰和“福特”级航母开发的AN/SPY-3多功能雷达,泰利斯公司为荷兰“泽文·普罗文森”号护卫舰和德国“萨克森”号护卫舰开发的APAR四面阵相控阵雷达(3000个阵元)和澳大利亚CEA技术公司为“安扎克”级护卫舰开发的CEA-FAR/CEAMOUNT(含1024个阵元),上述雷达均旨在引导RIM-160改进型“海麻雀”导弹。

AESA技术也逐渐推广应用到搜索捕获雷达之中。且不说“朱姆沃尔特”级驱逐舰双波段雷达系统的S波段雷达,单是泰利斯/雷声公司的地面防空雷达系列中S波段GM200和GM400也堪称典范之作。俄罗斯金刚石-安泰联合企业/NNIIRT开发的IL119“天空”SVU和VHF波段55Zh6ME RLM-M“天空”M型3坐标反隐身搜索和捕获雷达同样引人关注。前者采用84个阵元,每个阵元的额定功率为1.4~1.7千瓦;后者采用168个阵元,额定功率也许更大。

AESA雷达的优势与局限

为什么AESA最终会取代PESA和MSA设计,而后者仅局限于某些特定的应用呢?

首先,最重要的原因是波束形成和波束捷变能力。在现代AESA的设计中,波束参数可以高达数千赫兹的速率改变,这是早期推行ESA应用的驱动力,这样天线可以很高的刷新率跟踪多个目标,这对于拦截超声速飞行的巡航导弹、飞机或再入战斗部等快速目标至关重要。

波束捷变能力还可以驱动天线执行不同任务,获得时间共享、多路复用或交叉使用的能力。在火控应用中,这允许雷达同时跟踪多个分散的目标,或同时执行搜索、导弹中段或末段制导任务。在搜索应用中,允许雷达在跟踪同时执行立体搜索任务。在监视应用中,它允许交替执行对地测绘和动目标检测任务。在战斗机应用中,可提供测绘、地形跟随或回避、空面目标搜索和数据传输等功能交替执行的能力。因此,1部独立的AESA多功能雷达可以取代2部以上功能单一的常规雷达。

第二个重要原因是,AESA雷达的可靠性大大优于常规雷达,这主要得益于其采用了成百上千个T/R模块。即使多个T/R模块故障,也只会降低天线性能,而不会导致其失效。只有当共享子系统,如电源或波束控制器故障时,AESA雷达才会出现致命故障。而MSA容易发生机械故障,且行波管、波导、馈源和高压电源等电子器件均易发生单点故障。

相较于PESA,AESA最重要的优势是其具有独立控制每个阵元的增益和相位的能力,这会对以下几个领域产生重要影响:

首先是波束形成更精确,不同的波束还可以采用不同的口面锥削分布,这在副瓣抑制时经常使用。副瓣抑制是隐身技术关注的重要问题,因为极低旁瓣可降低被敌方截获的概率。

其次,AESA能提供比PESA或MSA宽得多的带宽,这有利于低截获概率模式和针对带内辐射源的电子攻击。在某些设计中,这种能力允许将雷达AESA用作威胁告警系统的附加高增益天线,或作为带宽能力高达数千兆比特每秒的数据链,或两者兼而有之。AESA接收机的噪声指数一般比PESA/MSA接收机低6分贝以上,大功率孔径AESA还能用作重要的定向能武器,可对电子密集目标系统或电子设备造成毁灭性影响。就雷达结构截面积而言,固定的AESA本身就优于万向支架式的MSA,更容易与其他隐身平台融合。

但是,获得这些优势并非不需要付出代价。与MSA相比,AESA雷达更复杂,研发费用更高,重量和体积也比MSA大得多。功耗和冷却也是开发AESA面临的两大难题,这已成为其与小型平台整合难以逾越的鸿沟。许多设计中,半导体器件的功率密度限制和T/R模块级冷却架构直接影响着AESA性能增长。随着实时处理要求的提高,AESA对软件依赖性更强,会带来许多不属于射频领域的独特的工程问题。

从单纯的增益性能来看,AESA必须解决远离天线视轴的目标的孔径缩短问题,以及对波束扫描在45°~70°范围内时波束控制角的性能受限问题。由于孔径填充和副瓣控制的原因,相位控制AESA也会遭受带宽本身受限的问题,这将影响所有大带宽应用。在许多应用中,与低结构性RCS兼容的唯一方案是采用多个AESA阵列,这同时又会牺牲成本、复杂度、重量、体积和冷却方面的要求。典范之作包括为F-22A规划但尚未装备的侧视阵列或计划中的T-50PAK-FA侧视阵列。AESA并非适合所有微波天线应用的“万能药”,只是它在大多数应用中呈现出的重要优势掩盖了使用该技术导致的不足而已。

有源相控阵技术发展趋势

毫无疑问,单片器件是推动AESA设计不断发展的关键技术之一,因为它直接通过大功率晶体管或间接通过冷却性能影响着AESA的功率孔径性能。进一步来说,封装技术又对冷却性能和密度有重要影响。

砷化镓MMIC是实现S及以上频段AESA的关键技术,也是L波段AESA率先进入机载应用的关键,因为这类器件与晶体管的特征频率性能基本无关。尽管材料的载流子迁移率较优,但砷化镓基片的热性能较差,这也是长期困扰AESA技术发展的一个问题,也是推广锗化硅(SiGe)、氮化镓(GaN)等热特性更优的材料的强大推动力。自首部X波段AESA验证机问世以来,封装技术也取得了长足发展。阵列设计理论规定阵元间距为半个波长或更短,这样随着频率的升高,密度的挑战也随之增大。目前阵面上的功率密度基准已超过4瓦/平方厘米。

美国早期的X波段AESA设计和俄罗斯当前的设计均采用“条状”或“四芯组件”封装设计的T/R模块。这种方法会持续产生生产可重复性问题,因为任一通道出现瑕疵,都需要对整个“条状”或“四芯组件”模块进行再加工。目前美国和欧盟的AESA采用“单通道”法设计,其中每个单元采用一组垂直于天线阵面的器件(“瓦片”法)。虽然与PESA相比,AESA不必处理较高的功率电平,但是底板馈电网络也会带来设计挑战,尤其在损耗和带宽方面。在X波段设计中,馈电网络也许会变得更复杂,因为需要划分阵列建立几个相位中心,实现双平面单脉冲跟踪或地面动目标指示偏置相位中心(DPCA)。

AESA中一个独立的通道或单元必须包含用于接收路径的低噪放(LNA)、功放、移相器、阻抗匹配、低插损连接、增益控制单元、RF缓冲放大器(如果需要)和数字电路(需要用来将增益和相位参数锁存到T/R模块移相器和增益控制器件)。现代AESA的T/R模块还包括健康监测、机内自检和校准电路。

必须将T/R模块内半导体器件的热量导出模块,并通过冷却系统导出天线。X波段AESA多采用聚烯烃合成油(Poly-Alpha-Olefin,一种先进的冷却材料),将热导入飞机燃油内或通过热交换器导入周围空气中。

在分析AESA技术的未来发展趋势时,一方面要考虑到先进的RF器件材料和工艺的发展,另一方面要考虑到利用影印法制造的数字器件的密度呈指数级增长的趋势。美国雷达专家布鲁克内尔(Brookner)最近指出AESA在器件和材料技术方面的发展趋势如下:

(1)阵列将采用微机电系统(MEMS)移相器;

(2)24吉赫兹低成本相控阵汽车雷达的广泛使用将不断降低T/R模块的成本和体积;

(3)基于1个独立的锗化硅/双极互补金属氧化半导体(BiCMOS)芯片可实现8~32个阵元阵列用的超大规模MMIC电路;

(4)利用氮化镓技术提供10倍功率和更高的效率,利用一个独立的晶体管组件提供超过1000瓦的峰值功率;

(5)基于硅的低成本锗化硅芯片;

(6)普渡大学开发的低成本S波段双板氮化镓数字阵列雷达,带宽为700兆赫兹,每个阵元的峰值功率为25瓦,通过采用电磁带隙(EBG)材料,增大天线阵元之间的隔离度,降互低藕,获得宽角扫描,未来可能取消环形器;

(7)瞬时带宽从10:1到30:1的阵列;

(8)通过改善A/D线性度,减少互调,使接收机动态范围提高20分贝;

(9)在无源天线器件中采用金属材料;

(10)开发互联用的三维微加工技术。

密度呈指数级增长是数字领域发展的显著特点之一,但在射频器件中并非那么突出,原因在于阻抗匹配的阻碍和模拟器件的需求。技术的进步,尤其是并行处理计算机硬件的发展可提供执行浮点运算的冗余能力将对雷达发展产生重要影响。通用图形处理单元芯片的内存带宽目前已超过100吉比特/秒,单个芯片通常能够提供超过500个流水线节拍的浮点优化处理核。随着这种技术继续发展,将产生更多的处理核,提供更大的内存带宽,使一些信号/数据处理算法得以实时应用。

总之,随着MMIC材料和制造技术持续发展,封装技术的进步和数字电路的指数级增长,这些都将为未来AESA设计开辟更多新的可能性,创造更多的机会。

作者:黄鹤何晓晴原载《现代军事》

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