相位阵列雷达概述

7/7相位阵列雷达概述

──bycaptａinＰicaｒd传统雷达的限制在介绍相位阵列雷达之前,先简单地归纳出仰赖机械旋式旋转以及抛物面天线技术的传统式雷达的几个重大基本限制:1.波束角太宽、旁波瓣太大传统式的陆基与舰载雷达使用抛物面天线等未经任何相位合成的雷达天线，其波束角的大小（即雷达波束的集中程度）取决于天线的孔径（即直径）大小。波束角越小,意味着将雷达射频能量集中在更小的面积上,雷达的侦测距离与解析度也越好。又,如果以维持相同波束角为条件，则波长越长的雷达，就需要比短波长雷达孔径更大的天线。一般而言，雷达波强度随距离的平方成反比。长距离舰基/陆基雷达为求增加搜索距离,都使用较大的波长以利于长距离传递；但天线的尺寸却不可能无限制地增大，导致传统式搜索雷达都有一个不小的波束角,加上波长越大解析度自然越低，解析度自然难以让人满意.例如舰艇在搜索第二代掠海反舰飞弹这类低ＲCＳ的目标时,传统长程搜索雷达即便在目标进入搜索范围后,第一次扫瞄到目标时,往往因为讯号强度不足或干扰而没有足够的「证据」,只好先将资料放入暂存区，等天线下一回转动到相同位置时,再比对暂存区中的目标是否依旧存在；故传统雷达必须连续在同一方位上多次（通常是三次,例如美国的SPS-48E）侦测到同一讯号,才会将之列为追踪对象，浪费不少宝贵的反应时间。为了弥补这个弱点，这类长程搜索雷达只好将雷达旋转速度降低（往往需要十秒钟以上才能回转一圈)，让天线在同一个位置上停留更久,以接收更多的脉冲讯号,然而这样又会使目标更新速率恶化.除了精确度的问题外，传统雷达天线在辐射雷达波时，也会产生一系列周边的旁波瓣；对于雷达而言,旁波瓣是有害而无益的损耗（因为主波瓣才有侦测效益），不仅浪费射频能量,更因旁波瓣散射他处而大幅增加被敌方察觉与干扰的机率.由于一般雷达采用周期扫瞄方式进行搜索,让方位角很窄的雷达主波束依序完成空域扫瞄，因此对电子支援系统等信号接收装备而言,雷达主波瓣经常是一闪即逝,而且每隔十数秒至数十秒才能收到一次，难以直接对其追踪与锁定；因此，这类雷达信号接收器主要是靠着持续而稳定、朝四面八方辐射的旁波瓣来锁定敌方雷达。所以一般而言,旁波瓣是最容易让雷达「露馅」的头号元凶.干扰方面，目前最主要的电子反制手法就是在对方雷达的旁波瓣中灌入强大信号,使雷达误以为这是目标回波，如果进入旁波瓣的干扰强度高于主波瓣，雷达便失去侦测目标的能力,所以旁波瓣又是让雷达被敌方干扰的最大罩门。2。机械旋转机构的限制对于舰载或陆基雷达而言,传统式雷达天线靠着旋转来涵盖所有方位;而如果要持续追踪同一个目标的轨迹，就要等天线完成一个旋转周期回到原先位置后，才能作目标资料的更新.如同前述,长距离舰载/陆基搜索雷达由于天线尺寸重量较大，加上必须在同一方为累积足够的脉冲信号,因此转速都不可能太快；例如，美制SPS－49舰载对空搜索雷达的旋转周期是30秒／周，意味每分钟只能实施两次目标资料更新。又，如同前述，传统式雷达需要对同一目标扫瞄三次左右，才能获得足够的资讯,进一步使问题恶化。此等更新速率在面对高速突进的目标时,将显得力不从心；对于舰艇而言，这样的更新速率很难有效应付各式新一代高速先进超音速反舰飞弹。至于用来描绘目标轨迹的舰载追踪雷达则拥有较快的天线转速（例如每秒转一周）以及较短的波长，尽量缩短目标更新时间,但也使得天线较难持续接收同一目标传回的讯号，侦测距离大幅缩短.因此，长距离侦测以及精确追踪对传统式雷达而言,是不可兼得的鱼与熊掌。战斗机上的射控雷达也有类似情况；传统式战机雷达天线也需要旋转机构来改变天线方位,以扫瞄各个空域.战机雷达往往也会提供自动锁定模式，在此模式下,天线靠着伺服机械的带动持续对准目标的方位。由于机械运动的速率有限,导致目标更新速率过慢,致使战斗机雷达在进行多目标精确追踪等耗费较多资源的工作时，需将天线扫瞄范围限制在左右各40度、上下各10度的范围内,才能获得可接受的目标更新速率。这种限制意味着战机雷达专注于视距外多目标接战时，能处理的空域范围极为有限，也不可能同时兼顾空对空与空对地等不同需求。范围过窄的另一问题就是：敌机很容易藉由急遽的运动（侧转、改变高度）或将机群散开，进而逃出战机雷达的有效搜索范围。此外，许多天线具有自动锁定模式,藉由机械伺服机构将天线持续对准目标；不过由于伺服机构动作速度有限，目标同样也能藉由大范围剧烈机动来摆脱雷达的锁定。以冷战时代美国长程拦截能力最优秀的F－１４战机而言,虽然号称能同时以凤凰飞弹攻击６个目标,不过前提是这六个目标必须在天线纵轴左右各40度以内。欲以传统方式增加天线伺服机构的动作速度，例如使用低阻尼超高速雷达伺服马达,可改进的幅度也十分有限，终究不是治本之道。3.倚赖都卜勒虑波技术都卜勒技术是一种广泛被雷达采用的虑波技术；藉由测量雷达回波的都卜勒频移，讯号处理装置就能将地形背景、海面波浪、天空中鸟群产生的低速率讯号滤除,只保留相对速度较高的目标──也就是人为的飞机或飞弹；而舰载近迫武器系统(如早期的美制方阵系统)更是以都卜勒虑波器排除低速目标(包括水面快艇或慢速飞行器)，专挑高速来袭的反舰飞弹。不过正由于都卜勒虑波器的特性，使得敌机能以侧转等方式使雷达与目标的相对速度瞬间降低或归零，于是就自动被都卜勒虑波器排除,造成目标流失.在19９1年波湾战争中,便有一架伊拉克Ｍiｇ—25利用连续的侧转,一连使美国Ｆ—1５战机发射的好几枚AIＭ—7麻雀半主动雷达导引空对空飞弹脱锁,一路冲至目视缠斗的距离，才被机动性较高的美军Ｆ—1５以机炮击落。为了应付这种战术，某些雷达的操控软体在发现目标准备进行脱锁动作时，立即关闭都卜勒虑波器避免丢失目标,不过如此又会使问题回到原点。

解决之道：相位阵列雷达欲解决前述传统机械动作雷达天线的几个根本问题，基本原则就是「用天线元件直接改变雷达波束指向」，而不是「转动天线」,因为小型电子元件的开关切换的速度比机械伺服快得多;而这种不靠天线运动就能改变波束指向的雷达,一般称为「电子扫瞄雷达」。电子扫瞄技术主要有两种，第一是频率扫瞄(以改变波束频率的方式变换指向），第二则是改变波束的相位：其中，频率扫瞄只能在一个维度上改变波束指向，故此种雷达多半是利用旋转基座改变雷达水平方位，并以频率扫瞄方式在垂直方向改变雷达波指向,进而达到三维(方位、高度、距离)侦测能力,例如美国海军的SPS—48Ｃ／Ｅ或者俄罗斯海军的顶板(Toppｌａte）就属于这类雷达;由于仍需要机械式旋转天线，因此频率扫瞄雷达并不能根除传统式雷达的先天弱点。至于改变波束相位的方式由于可同时在水平与垂直方向进行,才真正实现了「天线固定就能在三度空间内改变波束方向」的理想;由于这类雷达以大量的小型天线元件构成天线阵列，故一般称为「相位阵列雷达」（PhaseArrayRaｄar），大陆则多半翻为「相控阵列雷达」，此种雷达在今后都将是新型高性能雷达的主流发展方向.相位阵列雷达以「大量密集排列的小型天线元件（又称移相器，PhaseＳhｉfteｒ)」取代「单一的一个大天线」；与高中物理课本杨格双狭缝实验相同，各天线单元发射的电磁波以建设性干涉原理强化并合成一个接近笔直的雷达主波瓣,而旁波瓣则由于破坏性干涉而大幅减低。此外，每个小型天线元件的开/关均可个别控制，换言之就是藉由不同的开/关时机，制造各天线单元之间的相位差；由高中物理课本的海更士波前原理可得知，透过各天线单元发射波束的相位差，就能改变所合成的雷达波束的指向。相位阵列雷达从根本上解决了前述传统机械式雷达的种种先天问题。由于小型天线元件的开关切换都是在瞬间完成,意味着相位阵列雷达可在微秒内完成波束指向的改变，在极短的时间内就能将天线对应到的搜索空域扫瞄完毕，扫瞄速率是机械式天线的数十甚至一百倍，因此在扫瞄范围内都能维持很高的目标更新速率。由于相位的控制迅速而自由，因此可运用自动回馈机制,在雷达波束与可疑目标接触后，便立刻控制波束回头对该目标多送几道波束进行确认，之后才继续扫瞄其他的方位；因此目标只要进入相位阵列雷达的侦测范围,多半很快就可有效搜获(除非雷达截面积太小），不像传统式天线得等伺服机构下一次将天线对准同一方位才能进一步累积资讯。此外,相位阵列天线的单元可分成好几组子天线,各自执行不同的工作。藉由天线分割运作，相位阵列雷达能对搜索范围内的大量目标各分派一道波束(＂\l＂註二＃註二”注二），因此能获致更远的侦测距离以及更大的精确度,而旁波瓣也远低于传统式天线（HYPEＲＬIＮＫ""\l”註八＃註八"注八），这方面的表现将不及主动相位阵列雷达.主动相位阵列技术的未来发展将目光放远,主动相位阵列天线技术提供了一个「效能优异、功能强大」的电磁波收发工具；既然如此，只要拥有适当的控制软体,这种杰出天线的功能就不仅止于作为「雷达」而已。许多新一代整合式电子战系统或者是高频宽资料传输系统,都以相位阵列天线来取代传统天线,目的就是要获得更高的性能。在电子战方面,以操控灵敏、波束笔直精准、功率强大的主动相位阵列天线取代传统天线后，无论对于主动式的电磁波干扰或被动式的截收，性能表现都会大大地增强:对被动截收而言，相位阵列天线由于分割弹性广泛、反应灵敏，将提供极高的定位精确度,使载台可在不需要以本身雷达朝敌方电磁波来源进一步确认的情况下，便获得精确度足以直接发射武器攻击的目标方位资讯；对主动反制而言，主动相位阵列天线能制造功率更强大的干扰波束以及更迅捷多变的干扰模式，自由的天线分割能力使其能同时产生多道波束分别干扰不同的目标，而优秀的旁波瓣抑制能力可将天线外泄至其他方位的电磁波降至最低.此外,未来日渐成熟的主动相消干扰技术(发射震幅与频率与敌方雷达波相同但相位完全相反的电磁波,如控制得当，有机会彻底消除载台自身的雷达回波，在敌方雷达萤幕上完全隐形)，由于需要极高的敌方雷达电磁讯号精确分析处理能力以及正确而即时的相消干扰波束产生能力，因此天线部分也以最精确灵敏的主动相位阵列天线为上选。而发展中的直接能量电磁脉冲（ＥMＰ）硬杀科技，也得依靠主动相位阵列天线笔直而强大的波束，将脉冲能量投射至敌方电子回路与硬体上造成实体损坏。瑞典Erｉcsson为JAS－39战机开发的MIDAS整合式电战防护系统，便采用平板式主动相位阵列天线,无论在被动截收监听距离、威胁标定精确度都远胜过传统式同类系统；拜优秀的天线机能以及杰出的后端控制软硬体，Ericｓson宣称加装此一整合于机体内的内建式系统后，JAＳ-39的整体电子作战能力将不输给现役其他需要外挂大量各式电战荚舱的专业防空压制(SEAＤ）战机,而且不需要占用任何机上挂架。在资料传输方面，现阶段美国等先进国家大力发展的网基作战，包括协同接战能力（ＣＥＣ）、全球即时精准打击作战、同时指挥大量无人载具、整合战区内所有单位/载台的感测装置去持续追踪匿踪目标等工作,传输的资料量即为庞大，绝非现有包括Lｉnｋ—16在内的战术网路系统所能负荷；而主动相位阵列雷达强大的发射能力，正好为这些传输工作提供了良好的解决方案,其高指向性的笔直波束亦使这些通讯难以被接收方以外的第三者截获。综合以上，主动相位阵列天线技术不仅在侦测的老本行有着更出色的表现,在电子软/硬杀与战术通讯/资料传递等领域也展现了不可限量的潜力.不过相位阵列天线高指向性的特点，在进行通讯用途时，传输的各个载台必须保持在特定的相对位置而不能任意运动，才能顺利传输笔直的波束,而传输之前各载台必须精确标定彼此之间的相对位置才能开始传输资料，这在使用上会造成一些不便,美军在测试协同接战能力的相关设备时,已经发现了这个问题；反观传统资料传输天线的波束朝着四面八方「广播」，只要在主波瓣与各旁波瓣收讯范围内都能收到讯号。以未来二十年内全球性能最强的战机用雷达──美国F－2２战斗机的AＰG-77主动相位阵列雷达的性能表现,就能从中领略主动式相位阵列雷达领先于被动式相位阵列雷达之处,以及其不可限量的发展前景。目前APG-７7的机鼻阵列天线由1500至２200个瓦片式砷化镓T／R单元构成,能划分为多个独立的子雷达、被动电子截收器、电子反制系统，在同一时间内各自操作,未来还可能增添位于机身侧面的阵列天线，使F—22的雷达视野范围激增。拜主动相位阵列天线赋予的超高波形调整速率、资料更新速率以及分配弹性之赐，ＡPＧ—77能同时执行多个波形、资料更新速率各异的对空/对地模式。又,由于T／R元件精确敏捷的控制，APＧ—77能实行灵敏而严格的电磁波管制，在维持所需的战况意识(SituaｔionAwarenｅsｓ,ＳＡ）的条件下,随时对雷达波束的强度、发射时间与波束范围进行调整，将其减至最低，最大限度地减少因电磁波外泄而遭敌方截收侦获的机率。此外，ＡPG-77亦具备封闭回路追踪(Ｃｌosｅd—lｏopｔｒaｃkｉng)能力,也就是持续修正雷达波的能量与脉冲频率，在保持有效获得目标的前提下将雷达波的能量降至最低。而在ALR-94整合式电子战系统的支援下，ＡPＧ—77能将雷达波束窄化成有如雷射般(仅２X2度）,能强化波束探测能力,并将其他方位的电磁辐射降至最低。将来ＡPG-77还有许多更具前瞻性的发展,例如美国空军曾以ＡPＧ-77进行通讯传输测试,结果显示此雷达天线在数秒之内的资料传输量(包括传送与下载),以目前的Lｉnk-16资料链得耗时３0~６0分钟才能传输完毕，这对于现阶段经常苦于传输频宽不足的美军而言有如天降甘霖。此外,美国空军亦打算以ＡPG-7７的硬体为基础,搭配新研发的控制软体，发展一种电子软/硬杀武器,其功能包括直接以集中的高功率波束，烧毁敌方在空中、地面的雷达天线或电子硬体设备,或者利用其强大的资料传输能力，在敌方军用资料传输网路内散布病毒，预计在2０１0年代正式推出。主动相位阵列天线的终极发展目标,便是透过同一套能任意分配、改变频率的主动阵列天线系统,配合不同功能的控制软体，进而包办一个武力投射平台上所有相关的电磁波收发机能（HYPERLＩNＫ”"＼ｌ”註九＃註九”注九）。这种全功能阵列天线能根据战场上的需求,将天线分组来执行所需的各种功能，而分配给各功能的Ｔ／R单元数量也是完全根据任务所需。前述美国ＡＰG-77以及欧洲EＡDS集团正为ＥF-20０0战机发展的新型CＡＥＳＡR主动相位阵列雷达，便打算以一面阵列雷达天线包办以往在一架战机上需要各式天线分工合作才能完成的全部机能,包括多功能雷达（包括对空、地貌追沿等)、电子反制、电子反反制、被动电子信号监听截收、敌我识别、通信传输、导航、飞弹导控传输等等.而德国海军研发中的「2020年水面舰艇计画」(FＤZ-2020）中,也预计