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什么是“相控阵雷达”
发布日期:2014-06-23 来源:北京电子管厂协会 作者:莫有智 浏览次数: 字号:【

  什么是“相控阵雷达”
  北京电子管厂协会 莫有智
 

 

  常在媒体上看到,美国的“宙斯盾舰”、中国的“中华神盾舰”等世界上最先进的战舰,它们的舰载雷达可以同时发现并跟踪几百个目标,还能同时指挥自己导弹或战机去攻击数十个目标,而且它可以覆盖周围数十到数百平方公里的海域和空域,它还可能担当一个舰船编队的C4ISR系统功能(即指挥、控制、通信、电脑和情报、监视、侦察查等系统功能)。也常看到各种预警机的报导,一架预警机在高空飞行,可以侦察它所在空域数百平方公里范围内所有目标,也可以跟踪几百个目标,并可以指令己方的相关机、舰向几十个敌人目标发起攻击。不仅如此,它还可以把侦测到的目标数据传回地面指挥中心,再由地面指挥中心发出各种攻击命令,向敌人发起全方位攻击。
  那么,宙斯盾舰、预警机等为什么能有如此大的本领呢?它为什么能发现、跟踪和攻击那么多的目标呢?答案就是它们有了全新的雷达系统,这种雷达的工作原理和工作模式都大大不同于以往的雷达,它就是“相控阵雷达”。
  那么什么是“相控阵雷达”呢?它与以前的那些雷达有什么异同呢?它又为何具有如此广大的神通呢?
  所谓“相控阵雷达”它的全称应该叫“相位控制的发射与接收阵列阵雷达”。所谓“相位控制”就是不同的雷达发射源所发出雷达波是经过相位控制之后而发射出去的电磁波。那么,什么叫“相位”?又怎么控制呢?这还得从波以及波的传播说起。我们在中学物理中就学过波的产生及运动规律以及波的传播特性等。波的特点是要向四周传播的,有它的传播速度,描写它的参数有波长、频率、波幅和相位等,不同波源的波在同一媒体中传播时,它们是要相互作用和相互影响的,会产生相互干扰,相互叠加等现象。此处我重点谈谈相互叠加的问题。相互叠加的结果可能是使波加强或减弱,以致完全抵消。怎么才能加强呢?条件就是两个或者多个波的传播速度相同,传播方向一致,波的频率相同,相位相同。这样它的叠加结果就是加强,如果只有前面几项相同,而相位相反(即相位相差180度),其结果就是相互减弱以致完全抵消。
  我们知道,雷达波属于微波波段的电磁波,而所有的电磁波在空间的传播速度是相同的(光速:每秒30万公里)。可以控制好每个发射源的震荡频率和它们射出的方向,相位则可以通过调整相位角的方法加以调控。这样经过上述调控的多个雷达波在其传播的过程中就得到了加强。这就是“相位控制”所带来的好处。
  那“发射与接收阵列”又是怎么回事呢?原先的雷达是由一台大的发射机产生很强的微波功率,通过一个大的发射天线向空间发送雷达波束的,反射回来的波也由它接收。现在我们是要把一个大的发射源化为若干个小功率的发射源,然后再把这些小功率的发射源按照一定的方式排列分布成一阵列组合,控制这些小发射源所发出雷达波频率和相位,使整个阵列中所有的雷达波到了传播空间中都是相互叠加从而形成一个功率强大的雷达波。这就是相控阵雷达为什么能做到大功率,从而延长其探测距离的原因所在。
  “相控阵雷达”的概念是上世纪60年代中期提出来的,它的大发展则是上世纪末到本世纪初的事。为什么早不提出晚不提出,而偏偏要到上世纪60年代才提出来呢?这是雷达技术发展的必然过程,让我们简要地回顾一下雷达的发展简史就知道了。
  20世纪30-40年代,英国人发明了雷达,它是利用电磁波向前传播过程中,若遇到了与其波长相近的物体就能产生反射。这被反射回来的电磁波显得微弱,但如果把它接收并加放大处理,就能知道前方有某种物体(如飞机、舰船等)的存在,就能利用一系列的技术方法,很快知道并且显示出物体与雷达发射机之间的距离,而且还能知道你所发现的物体的运动方向和速度,以至于它的运动轨迹都能知道。所以用它来探测几十公里、几百公里外的敌方来袭的飞机、舰船等就是很容易的事。而且它还不受天气、云雾以及白天黑夜的影响。所以它一发明就在二战期间及战后成为各国竞相发展的国防利器,得到了飞速发展。这种发展不仅表现为数量上的暴增,更表现为质量上的猛进。表现为如何加大它的探测距离,提高分辨能力,以及提高捕捉目标和跟踪目标的能力等方面。要想增大探测距离,就必须提高雷达发射机的发射功率,要想增大发射功率就必须做大产生微波的电子管或半导体管的功率级别。现在最强大的雷达,其探测距离能达到数百公里。有的可达几千公里,真可谓千里眼了。但是这样大功率的雷达,其体积也异常庞大。因为发射管做大了, 它的外围系统如机械操作系统、发射天线系统、电源供电系统、冷却系统等都做得很庞大。所以在提高发射功率、加大探测距离方面受到的限制越来越大。 为了提高分辨能力,人们就努力提高雷达波的频率,在缩短波长上做文章,设计制造各种各样的电子管和半导体管,使得雷达波的波长从几百米、几十米缩短到几米以至分米、厘米的级别,但再想提高就难了。受到了电子管和半导体管工作机理的制约。在提高捕捉力和跟踪能力方面,人们尽量提高发射天线的灵巧性和加快它的旋转速度和俯仰角度等方面努力,但这也受到机械结构与机械运动方面的固有限制。这些难题挡在雷达技术进一步发展的面前,走到一个重要的关口,要想让它更多更好地为国防服务,就必须要有新的理念,新的思路出现,才能有新的发展。
  就在这样的情况下,20世纪60年代人们提出了关于“相控阵雷达”的新概念,从而走上了一条全新的道路。当初人们提出它的主要目的有二:其一是想通过这种方法来方便地提高雷达的功率,从而延长探测距离,增加预警时间;其二是增加雷达发射站的安全性,因为前面讲过,大功率雷达站,往往是由一个庞大的系统组成,不仅站房面积很大,有的甚至还要为它配备专用电厂,像个小城镇。这样的庞然大物如何隐蔽,如何转移,它很容易被对手发现遭到攻击。为了克服这一弱点,人们想到了把一个大型雷达发射机做成很多的小型发射机,把这些小的发射机分散布局,然后再把这些小的发射机发出的雷达波通过相位控制方法,让它们在传递过程中产生相位叠加,也就是把很多小的功率叠加起来,形成一个统一而功率强大的雷达波,实现了大功率的目的。而这些小的发射源(几百个、几千个)就便于隐蔽分散,不易被发现和攻击,即使遭到攻击,受到损坏的也仅仅是其中的一小部分,其余大部分仍可继续工作,受损的部分也易于修复,从而保持了雷达工作的持续性,提高了它的安全性。以上两点就是提出“相控阵雷达”概念的初衷。当时还未想到它所潜在着巨大的捕捉和跟踪目标的能力,这是在相控雷达发展到一定程度再与电脑的结合后,实现了所谓的“电子扫描”之后才得以实现的,这些是20世纪末期到本世纪初期才实现的。
  有了好的想法,能否实现还要看条件,20世纪60年代雷达发射机用的发射源主要是电子管,电子管的功率可以做的较大,但它体积也大,同时由于它工作机理的限制,要想提高频率,缩短波长很难。做到分米及厘米波段就很难了。电子管不行,半导体行吗?当时的硅半导体由于受到载流子穿越电极之间的时间限制,要想做到较高的频率和较大的功率也不可能。这样一来,雷达发射源的问题就成了雷达进一步发展的拦路虎。显然相控阵雷达的想法很好,但没有好的发射源也是做不到的。
  就在差不多的同一时期,半导体技术,特别是微波半导体也迈入了一个新的阶段。上世纪60-70年代三五族化合物半导体出现了。什么是三五族化合物半导体呢?就是元素周期表中的三族元素和五族元素合成的化合物,如砷化镓、磷化铟等。它们有很好的半导体特性,它们具有所谓的双能谷效应。带电粒子在能谷间跃迁,就会产生高频振荡、产生微波辐射。而这种跃迁不是像硅半导体那样是电极之间进行的,而是在适当的条件下在半导体体内进行的,所以人们又称它为体效应器件。由于这种体效应器件有如此好的优越性,所以它一出现就受到广泛重视。就期盼它能作为相控阵雷达发射源。人们在材料的提纯、加工方面做了很多努力,又在器件的设计制造方面做了大量工作,到了上世纪80-90年代逐渐成熟,很好地把它用作相控阵雷达的发射源,这才使得相控阵雷达发展起来。
  解决了发射源之后,又把它与计算机技术结合起来,才使得“相控阵雷达”日趋成熟和完善,才能在国防工程中发挥重要作用。
  下面我们以宙斯盾舰为例来说明相控阵雷达的强大功能。宙斯盾舰的舰塔上有四块各为几平方米的相控阵雷达的发射阵源,每个发射阵源都由几百个甚至几千个小的发射和接收单元组成,这些小的发射单元所发出的雷达波都是经过相位控制之后,在空间叠加形成一个强大功率的阵面波向外发射,四个阵面分别安置在舰塔的东西南北四个方向。这样,它的雷达波就能同时照射到周围各个方向,实现了对它所在海域及其附近空域的全照射,也就是把它周围来袭的所有敌方的目标都能及时而全部不漏地被它看到。实际上它能捕捉多少目标跟踪多少目标,以至最后能指挥多少自己的机、舰去攻击多少敌人的目标就由计算机的运算速度及处理能力来决定,这对现代电脑技术来说是不成问题的。这在原来的雷达,靠机械扫描的天线发射很窄的雷达波束来扫测四周空域的办法是根本做不到的。
  让我们再来说说预警机吧。所谓的预警机,就是要提前多少时间发现敌人,并能提前告知己方事先做好迎击敌机的准备争得战争的胜利。预警机就是把雷达放到飞行平台上,让雷达站得高、看得远,而且在高处往下看,其视野宽广,克服了地面雷达的盲区问题,使雷达的性能优势充分发挥到了极致。
  但是要把雷达放到飞机上是件很不容易的事,以往的雷达体积、重量很大,根本上不了飞机。几十年来人们虽然从未放弃过这种尝试,千方百计把电子管做小、半导体做小,用一些小的电子管或半导体管造了一些小型雷达放在飞机上,最终因功率太小及无法摆脱天线旋转的问题使得它们只能有些简单的运用,如飞行高度的测控,飞行速度的测控,防止互撞等极简单的功能,要想用它做预警是根本不可能的。只有到了上世纪末和本世纪初相控阵雷达发展成熟之后,才能把它放到适当的飞行平台上造出现在的预警机来。
  我们看到,所有的预警机,它的背上都背着一个平衡木似的大棒子或是一个蘑菇状的大圆盘。这些棒子和圆盘中装的就是相控阵雷达。雷达的发射和接收阵列就分布在棒子的两侧或圆盘的四周。它们所产生的相控阵雷达波基本上能把预警机所在空域实现全空域照射,作用半径是几十到几百公里,在此广阔空域的所有目标基本逃不出它的眼睛,所以它也能同时跟踪几百个目标同时指挥几十个己方向攻击平台去打击几十个敌方目标了。如果我们把预警机飞到边、海防线外几百公里处,它又能看到四周几百公里的范围,这就相当于我的边、海防侦测范围前推了近千公里。如果再把预警机放到舰上起降的话,更可随舰而到达更远的地方得到更远的侦测效果,更大限度提高我们的预警能力,使我们的边、海线更加牢固。
  随着相控阵雷达的进一步发展和完善,我们相信它必将在我们的国防现代化建设中发挥更大的作用,同时也会在我们国家的现代化和国民生活中发挥越来越大的作用。同时通过相控阵雷达的产生和发展过程,可以看出它是紧紧跟随国防现代化的需求而产生,它也是随着现代科技的发展而发展起来的,又由于它的发展反过来又把国防科技向前推进一大步,形成一种互为需求、互为因果又互相促进的良性态势。

 

 

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