中国相控阵雷达重大突破，一文带你了解其工作原理及类型

2017-05-02  by:CAE仿真在线  来源:互联网

中国电科(CETC)第五十五研究所(NEDI)所重点实验室张凯博士近日发表在国际半导体器件权威期刊《IEEE Electron DeviceLetters》上的论文《High-Linearity AlGaN/GaN FinFETs for Microwave Power Applications》即《三维鳍式GaN高线性微波功率器件》被国际半导体行业著名杂志《Semiconductor Today》进行专栏报道,受到国内外业界关注。

《Semiconductor Today》报道截图

一

中国相控阵雷达组件重大突破

张博士的论文聚焦重点实验室近期在GaN高线性技术方面获得的多个重要突破,创新提出三维GaN FinFET微波功率器件,克服了GaN平面器件瓶颈,极大改善了跨导平整度,大幅提升GaN器件线性度,同时维持高的输出功率和效率,为下一代移动通信高性能元器件奠定基础。本成果也是首次展示GaN三维器件相对于二维器件在微波功率应用的优势与潜力,有力推动了GaN三维器件的实用化进程。该成果研制过程中得到国家自然科学基金、预研基金等课题的支持。

NEDI提出的高线性GaN FinFET器件以及跨导特性

(SemiconductorToday是总部位于英国具有独立性和非盈利性的国际半导体行业著名杂志和网站,专注于报道化合物半导体和先进硅半导体的重要研究进展和最新行业动态,具有很强的行业影响力。)

影响相控阵雷达的除了雷达基础结构设计之外,作为最前端负责无线电收发的T/R组件性能对雷达整体性能的影响也是非常大的。目前国际主流的T/R组件类型有砷化镓和氮化镓两种,其中氮化镓是近几年才出现的新兴事物,不光应用于雷达射频等设备,无线电通信也非常需要高性能的氮化镓半导体组件。

KLJ-7A相控阵雷达,安装有多达1000多个T/R组件

然而由于材料特性等原因,作为新生事物氮化镓T/R组件会出现一些原先所没有遇到过的问题。除了采用金刚石作为衬底材料来改善热传导性能,降低组件功耗之外,三维GaN FinFET的应用可以说是另辟蹊径。

在当前半导体行业开始推进各种三维结构芯片的潮流下,引入三维结构,将GaN二维器件改进成三维结构,可以说是一大创新。简单的说,一样的功耗,体积的T/R组件,将能提供出更精确的雷达波形和更高的射频功率,在不增加外部能耗需求的情况下,进一步提高雷达基本性能。

二

相控阵雷达工作原理及类型简介

我们知道,蜻蜓的每只眼睛由许许多多个小眼组成,每个小眼都能成完整的像,这样就使得蜻蜓所看到的范围要比人眼大得多。与此类似,相控阵雷达的天线阵面也由许多个辐射单元和接收单元(称为阵元)组成,单元数目和雷达的功能有关,可以从几百个到几万个。这些单元有规则地排列在平面上,构成阵列天线。利用电磁波相干原理,通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位,就可以改变波束的方向进行扫描,故称为电扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机,完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。每个天线单元除了有天线振子之外,还有移相器等必须的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流,从而在空间辐射出不同方向性的波束。天线的单元数目越多,则波束在空间可能的方位就越多。这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线,“相控阵”由此得名。

相控阵雷达的优点:

(1)波束指向灵活,能实现无惯性快速扫描,数据率高;

(2)一个雷达可同时形成多个独立波束,分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能;

(3)目标容量大,可在空域内同时监视、跟踪数百个目标;

(4)对复杂目标环境的适应能力强;

(5)抗干扰性能好。全固态相控阵雷达的可靠性高,即使少量组件失效仍能正常工作。

但相控阵雷达设备复杂、造价昂贵,且波束扫描范围有限,最大扫描角为90°~120°。当需要进行全方位监视时,需配置3~4个天线阵面。

传统机械式雷达通过不停转动来扫描目标

相控阵雷达与机械扫描雷达相比,扫描更灵活、性能更可*、抗干扰能力更强,能快速适应战场条件的变化。多功能相控阵雷达已广泛用于地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、机载和舰载系统、炮位测量、靶场测量等。美国“爱国者”防空系统的AN/MPQ-53雷达、舰载“宙斯盾”指挥控制系统中的雷达、B-1B轰炸机上的APQ-164雷达、俄罗斯C-300防空武器系统的多功能雷达等都是典型的相控阵雷达。随着微电子技术的发展,固体有源相控阵雷达得到了广泛应用,是新一代的战术防空、监视、火控雷达。

相控阵雷达有多神?

“宙斯盾”系统的核心就是SPY—1D相控阵雷达,特别是它出众的预警搜索能力和识别能力,仿佛给妄图“独立”的台湾新领导人一根救命稻草,一把梦幻的保护伞,而相控阵雷达又再一次走进国人的视线中。说到相控阵雷达或技术,大家可能很陌生,但如果说起去年美国军方关于中国如何监测其隐型战斗机的报道,大家可能就清楚了。用一大串电视接收天线来监视天空,经济又有效,这就是最原始、最基础的雷达,相控阵雷达。

下面谈一谈雷达和相控阵雷达的发展情况。

1、雷达及其分类

雷达(Radar,即 radio detecting and ranging),意为无线电搜索和测距。它是运用各种无线电定位方法,探测、识别各种目标,测定目标坐标和其它情报的装置。在现代军事和生产中,雷达的作用越来越显示其重要性,特别是第二次世界大战,英国空军和纳粹德国空军的“不列颠”空战,使雷达的重要性显露的非常清楚。雷达由天线系统、发射装置、接收装置、防干扰设备、显示器、信号处理器、电源等组成。其中,天线是雷达实现大空域、多功能、多目标的技术关键之一;信号处理器是雷达具有多功能能力的核心组件之 雷达种类很多,可按多种方法分类:

(1)按定位方法可分为:有源雷达、半有源雷达和无源雷达。

(2)按装设地点可分为;地面雷达、舰载雷达、航空雷达、卫星雷达等。

(3)按辐射种类可分为:脉冲雷达和连续波雷达。

(4)按工作被长波段可分:米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其它波段雷达。

(5)按用途可分为:目标探测雷达、侦察雷达、武器控制雷达、飞行保障雷达、气象雷达、导航雷达等。

相控阵雷达是一种新型的有源电扫阵列多功能雷达。它不但具有传统雷达的功能,而且具有其它射频功能。有源电扫阵列的最重要的特点是能直接向空中辐射和接收射频能量。它与机械扫描天线系统相比,有许多显著的优点。例如、相控阵省略了整个天线驱动系统,其中个别部件发生故障时,仍保持较高的可*性,平均无故障时间为10万小时,而机械扫描雷达天线的平均无故障时间小于1000小时。下面主要介绍先进的相控阵雷达。

2、相控阵雷达的概况

相控阵技术,早在30年代后期就已经出现。1937年,美国首先开始这项研究工作。但一直到50年代中期才研制出2部实用型舰载相控阵雷达。60年代,美国和前苏联相继研制和装备了多部相控阵雷达,多用于弹道导弹防御系统,如美国的AN/FPS-46、AN/FPS-85、MAR、MSR,前苏联的“鸡笼”和“狗窝”等。这些都属于固定式大型相控阵雷达,其共同点:采用固定式平面阵天线,天线体积大、辐射功率高、作用距离远。其中美国的AN/FPS-85和前苏联的“狗窝”最为典型,70年代,相控阵雷达得到了迅速发展,除美苏两国外,又有很多国家研制和装备了相控阵雷达,如英、法、日、意、德、瑞典等。其中最为典型的有:美国的AN/TPN-25 、AN/TPQ-37和GE-592、英国的AR-3D、法国的AN/TPN-25、日本的NPM-510和J/NPQ-P7、意大利的RAT-31S、德国的KR-75等。这一时期的相控阵雷达具有机动性高、天线小型化、天线扫描体制多样化、应用范围广等特点。80年代,相控阵雷达由于具有很多独特的优点,得到了更进一步的应用。在已装备和正在研制的新一代中、远程防空导弹武器系统中多采用多功能相控阵雷达,它已成为第三代中、远程防空导弹武器系统的一个重要标志。从而,大大提高了防空导弹武器系统的作战性能。在21世纪,相控阵雷达随着科技的不断发展和现代战争兵器的特点,其制造和研究将会更上一层楼。

3、相控阵原理

相控阵,就是由许多辐射单元排成阵列形式构成的走向天线,各单元之间的辐射能量和相位关是可以控制的。典型的相控阵是利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描,即电子扫描,简称电扫。相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干辐射单元即为线阵,在两维上排列若干辐射单元称为平面阵。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上.这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点,能以一部天线实现全空域电扫。通常的共形阵天线有环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等。综上所述,相控阵雷达因其天线为相控阵型而得名。

雷达探测目标距离的原理:雷达波从发射到从目标返回的总时间,乘上光速,等于目标距离的两倍。

相控阵雷达有相当密集的天线阵列,在传统雷达天线面的面积上目前可安装一千多到两千多个相控阵天线 (F-22约有2000个),任何一个天线都可收发雷达波,而相邻的数个天线即具有一个雷达的功能。扫描时,选定其中一个区块(数个天线单元)或数个区块对单一目标或区域进行扫描,因此整个雷达可同时对许多目标或区域进行扫描或追踪,具有多个雷达的功能。由於一个雷达可同时针对不同方向进行扫描,再加之扫描方式为电子控制而不必由机械转动,因此资料更新率大大提高,机械扫描雷达因受限於机械转动频率因而资料更新周期为秒或十秒级,电子扫描雷达则为毫秒或微秒级。因而它更适於对付高机动目标。此外由於可发射窄波束,因而也可充当电战天线使用,如电磁干扰甚至是构想中发射反相位雷达波来抵消探测电波等。

以一个线型光控相控阵天线阵面为例进行理论分析,如图1所示。其阵元间距为d=半波长,8个天线单元为一个子阵,每个子阵由一个OTTD进行延时补偿。

4、相控阵雷达分类

相控阵雷达大体可分为两大类,即全电扫相控阵和有限电扫相控阵。全电扫相控阵又可称固定式相控阵,即在方位上和仰角上都采用电扫,天线阵是固定不动的。有限电扫相控阵是一种混合设计的天线,即把两种以上天线技术结合起来,以获得所需要的效果,起初把相扫技术与反射面天线技术相结合,其电扫角度小,只需少量的辐射单元,因此可大大降低设备造价和复杂程度。

方向动画示意图

天线阵,根据扫描情况可分为相扫、频扫、相/相扫、相/频扫、机/相扫、机/频扫、有限扫等多种体制。相扫系列利用移相器改变相位关系来实现波束电扫。频扫是利用改变工作频率的方法来实现波束电扫。相/相扫是利用移相器控制平面阵两个角坐标实现波束电扫。相/频扫是利用移相器控制平面阵一个坐标而另一坐标利用频率变化控制来实现波束电扫.机/相扫是在方位上采用机扫、仰角上采用相扫。机/频扫是在方位上采用机扫、仰角上采用频扫。

5、相控阵雷达的特点

相控阵雷达之所以具有强大的生命力,因为它优胜于一般机械扫描雷达。它具有以下特点:

(1)能对付多目标。相控阵雷达利用电子扫描的灵活性、快速性和按时分割原理或多波束,可实现边搜索边跟踪工作方式,与电子计算机相配合,能同时搜索、探测和跟踪不同方向和不同高度的多批目标,并能同时制导多枚导弹攻击多个空中目标。因此,适用于多目标、多方向、多层次空袭的作战环境。

(2)功能多,机动性强。相控阵雷达能够同时形成多个独立控制的波束,分别用以执行搜索、探测、识别、跟踪、照射目标和跟踪、制导导弹等多种功能。一部相控阵雷达能起到多部专用雷达的作用,如“爱国者”的一部多功能相控阵雷达可以完成相当于“霍克”和“奈基”-2型9部雷达的功能,而且还远比它们能够同时对付的目标多。因此,可大大减少武器系统的设备,从而提高系统的机动能力。

(3)反应时间短、数据率高。相控阵雷达可不需要天线驱动系统,波束指向灵活,能实现无惯性快速扫描,从而缩短了对目标信号检测、录取、信息传递等所需的时间,具有较高的数据率。相控阵天线通常采用数字化工作方式,使雷达与数字计算机结合起来,能大大提高自动化程度,简化了雷达操作,缩短了目标搜索、跟踪和发控准备时间,便于快速、准确地实施畦达程序和数据处理。因而可提高跟踪空中高速机动目标的能力。

(4)抗干扰能力强。相控阵雷达可以利用分布在天线孔径上的多个辐射单元综合成非常高的功率,并能合理地管理能量和控制主瓣增益,可以根据不同方向上的需要分配不同的发射能量,易于实现自适应旁瓣抑制和自适应抗各种干扰,有利于发现远离目标和小雷达反射面目标(如隐形飞机),还可提高抗反辐射导弹的能力。

(5)可靠性高。相控阵雷达的阵列组较多,且并联使用,即使有少量组件失效,仍能正常工作,突然完全失效的可能性最小。此外,随着固态器件的发展,格控阵雷达的固态器件越来越多,甚至已生产出全固态儿控阵雷达,如美国的。“爱国者”雷达,其天线的平均故障间隔时间高达15万小时,即使有10%单元损坏也不会影响雷达的正常工作。

当然,相控阵雷达不是十全十美的,也有其缺点。主要是造价贵,典型的相控阵雷达比一般雷达的造价要高出若干倍。此外,相控阵雷达对于短程弹道导弹的袭击可以说是无能为力,这也是美国及台湾为什么担心大陆方面在福建沿海部署东风导弹的原因。而1991年,海湾战争期间,伊拉克用“飞毛腿”导弹袭击以色列的时候,其“爱国者”导弹根本无法有效将其击落,何况短短的台湾海峡呢?

三

“萨德”反导系统相控雷达

1 萨德的组成和工作原理

萨德系统主要由四大部分组成:①雷达,②火控系统,③发射车,④拦截器。

工作原理分为四大步骤:

1)雷达探测到导弹来袭。

2)指挥和火控系统确认并锁定目标。

3)发射车发射拦截弹。

4)拦截导弹在空中摧毁来袭导弹。

萨德系统主要有两套核心组件:拦截弹和雷达系统。

作为一枚通信汪,我更关注的是那个用来探测和跟踪目标的雷达系统,就是被称为萨德系统的眼睛的AN/TPY-2相控阵雷达。也有人认为真正对中国最大的威胁是这个相控阵雷达。

相控阵雷达采用的正是相控阵天线技术,也是今天4.5G Massive MIMO作为民用之一采用的技术,同时未来5G相控阵基站将成为主流。

2 AN/TPY-2雷达系统

AN/TPY-2雷达系统工作在X波段(9.5GHz),天线阵面积为9.2平方米,安装有25344个(有人说30464个)天线单元,采用数字波束形成(DigitalBeamForming,DBF)处理器。方位角机械转动范围-178°~+178°,俯仰角机械转动范围0°~90°,但天线的电扫范围,俯仰角及方位角均为0°~50°。

AN/TPY-2可以实现从探测、搜索、追踪、目标识别等多功能任务为一体,据有关报道称,其探测的距离最远可达2000公里,基本上大半个中国都在它的覆盖之下。它使用的窄波束,称可精确评估目标弹头的预计位置,并识别假弹头。

AN/TPY-2雷达系统的组成主要分为如下图的5大部分:

1)相控阵天线

2)电子设备单元(车)

3)1兆瓦的主电源单元(车)

4)冷却设备单元(车),主要为天线阵列提供冷却

5)操作控制车,内置可操作、维护和通信监控的操作控制台(使用自有的供电系统)

▲AN/TPY-2雷达

▲相控阵天线设备

▲AN/TPY-2雷达系统组成

电子设备车是一种模块化、一体化的拖车,车箱配备核生化防护能力及环境控制装置的密闭保护罩。主要设备有:2台用于数据处理的VAX7000计算机、4台MP2大规模并行信号处理机,以及接收机/激励器、检测目标发生器和高速记录仪等。MP2处理机是大规模并行处理技术的首次军事应用,用途是频谱分析、脉冲压缩与连续探测,以及对来自接收机的数字化雷达回波抽样进行初步图像处理。VAX7000计算机负责实际作战任务的计算,任务前与任务后的数据处理等。

电源设备车由1台内燃机、1台交流发电机、1个控制盘、1个转换开关组成,能提供1.1兆瓦的电力。

冷却设备车是1个长12米、重16.3吨的封闭式拖车,车内装有供天线冷却用的液体冷却设备和为天线及电子设备提供电力分配的装置。

▲冷却设备单元

▲AN/TPY-2雷达和冷却设备单元

操作控制车是一个单独的系统,可保证操作人员监视雷达跟踪效果以及与外部的通信,有独立的电力系统。部署时其功能可以并入雷达系统。

系统之间的通信连接采用光纤数据链路。整套系统和组件共需2.1兆瓦的功率来工作。

▲操作控制车

▲内部操作控制台

▲操作控制车内部结构图

四

有源相阵控雷达和无源相阵控雷达区别

有源相阵控雷达和无源相阵控雷达的区别是就是无源是只有单个或者几个发射机子阵原只能接收,而有源是每个阵原都有完整的发射和接收单元

区别就是无源是只有单个或者几个发射机子阵原只能接收,而有源是每个阵原都有完整的发射和接收单元!机载雷达经历了从机械扫描形式到相控阵电子扫描,再到最新的保形"智能蒙皮"天线的发展过程,电子扫描雷达在作战使用中的优势在哪里?未来的综合式射频(RF)传感器系统的总体特点和关键技术是哪些?

近50多年来,机载雷达不断采用新的技术成果,性能不断提高,其中重要的有全向多脉冲射频(MPRF)模式和高分辨率多普勒波束锐化(DBS)技术在雷达中的实际应用。目前,由于在信号处理和砷化镓微波集成电路领域技术的进步,雷达作为战术飞机主传感器的地位仍然会继续保持下去。有源ESA的出现是技术上的又一进步。它的每一个阵元中都有一个RF发射机和灵敏的RF接收机,在各个发射/接收(T/R)模块内都有一个功率放大器、一个低噪声放大器和用砷化镓技术制造的相位振幅控制装置。有源ESA雷达技术放弃了传统的中心式高功率发射机,除了具有无源相控阵雷达的优点外,还提高了能量的使用效率并具有自适应波束控制、强抗干扰能力和高可*性等优点。

西方国家第一代有源相控阵雷达系统接近定型的有美国装备F-22和日本装备FS-X的雷达。英、法和德国共同研制的AMSAR项目也确定使用先进的有源相控阵雷达技术,为其后续的欧洲战斗机雷达的升级改装做准备。从今天的角度来看,雷达技术未来的下一个发展方向是保形"智能蒙皮"阵列,它把有源ESA技术和多功能共用RF孔径结合了起来,在天线阵元的安排上,与飞机机身的结构巧妙地配合,实现宽波段和多功能。保形天线阵列有高性能的处理器并使用空-时自适应处理技术有效地抑制了外部的噪声、干扰和杂波并能以最优化的方式来探测所感兴趣的目标。虽然有许多相关的技术问题需要解决,但保形"智能蒙皮"技术并非是个不切实际的解决方案,预计在20~25年的时间内就可以达到实用阶段。

在10~15年内,对战术飞机射频传感器(包括雷达)未来所执行的任务来说,最迫切的需要是增加功能、提高性能,并且还要注重经济性和可维护性。美国的"宝石路"计划已经证明,航空电子系统通过采用通用模块、资源共享和传感器的空间重构(重构的设备包括雷达、电子战及通信-导航-识别等射频传感器)可以做到系统的造价和重量减小一半,而可靠性提高三倍。它所确立的综合模块化航空电子的设计原则已用于JSF战斗机的综合传感器系统(ISS)和多重综合式射频传感器工程的设计中,欧洲类似的用于未来战术飞机的综合式射频传感器项目也正在实施。

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