[科普中国]-电子扫描阵列雷达

简介

电子扫描阵列雷达（Electronically Scanned Array radar, ESA radar），是指一类通过改变天线表面阵列所发出波束的合成方式，来改变波束扫描方向的雷达。1这种设计有别于机械扫描的雷达天线，可以减少或完全避免使用机械马达驱动雷达天线便可达到涵盖较大侦测范围的目的。当然，这并非表示相控阵雷达就不可以采用机械转动的方式来增大扫描范围，事实上采用机械转动相控阵雷达基座的方式可以进一步增大雷达波所能覆盖的范围，比如俄国现代级、英国45型等防空驱逐舰都装备或将装备双面相控阵雷达（而不是如美国神盾舰上的四面阵），这就使它们不得不采用旋转阵面的方式来覆盖360度圆周，这是相控阵+机械转动结合的典型实例。电子扫描天线使用的阵列包含一维线性阵列与二维阵列两种。这两种阵列代表波束可以控制方向上的差异。

相控阵天线采用电子扫描、全固态分布式发射机,大大提高了可靠性,可以实现全自动、无人值守、长期不间断工作,在气象雷达中有很好的应用前景。2

天线型态频率扫描军事上很少有电子扫描雷达采用扫频的方式来控制波瓣指向，因此通常所说的“电扫”都是指“相位扫描”的相控阵雷达。但是早期的相控阵雷达上也有混合了扫频机制的例子，比如美国核动力导弹巡洋舰“长滩号”以及核动力航空母舰“企业号”上的SCANFAR雷达系统，其目标追踪子系统AN/SPS-33雷达就是对目标高度扫描采用频率扫描，而对目标方位角扫描采用相位扫描的机制工作的。

相位扫描：被动相控阵/无源相控阵Passive Phased Array Radar, PPAR radar，无源相控阵雷达，是 PESA radar 即无源电子扫描阵列雷达的一种。英文Passive翻译为“被动”或“无源”，意思是指天线表面的阵列单元只有改变讯号相位的能力而没有发射信号的能力，讯号的产生还是依靠天线后方的讯号产生器，然后利用波导管将产生的讯号送到讯号放大器上，再传送到阵列单元上面，接收时则反向而行。由于每个阵列单元自身不能作为讯号源主动发射电磁波，所以被称作被动相控阵或无源相控阵。

现在的无源相控阵雷达多是以行波管产生讯号，这和最新的脉冲多普勒雷达产生讯号的方式一样，区别主要在天线上。

相位扫描：主动相控阵/有源相控阵Active Phased Array Radar, APAR radar，有源相控阵雷达，是 AESA radar 即有源电子扫描阵列雷达的一种。英文Active翻译为“主动”或“有源”，意思是指天线表面的每一个阵列单元都完整地包含讯号产生、发射与接收的能力，也就是将讯号产生器、放大器等等全部缩小放在每一个阵列单元以内，天线不需要依靠讯号产生器以及波导管馈送讯号。由于每个阵列单元都可以单独作为讯号源主动发射电磁波，所以被称作主动相控阵或有源相控阵。这是目前相控阵天线发展的主流趋势。

有源相控阵的的每个单元只扫描一小块固定区域。各个模组的讯号的相对相位经过适当调整，最后会强化讯号在指定方向的强度，并且压抑其他方向的强度。在同样的涵盖范围以内，不需要移动雷达天线也可以满足扫描的需求。此雷达的电子零件需要“快速移相器”，而控制相控阵也需要极高的计算能力。此雷达理论在二次大战时提出，最早使用是用于地面的大型弹道导弹预警雷达上面。空用系统最早是出现在美国空军一架RC-135 Rivet Amber飞机上面进行试验，这架飞机稍后发生意外坠毁。能够使用在船舰上或者是军用飞机上的小型化有源阵列技术要到1980年代才逐渐成熟，成本降低到可以接受的程度。

有源相控阵的好处除了与无源相控阵类似之外，由于取消波导管的配置，电磁波能量在传送过程中的散失得以降低，能量输出得以集中在波束上。此外，波束讯号的产生是在阵列单元上面，免除传送的线路也就降低噪讯的影响。有源阵列天线在频率的变换与多模式的同时运作方面比无源阵列更有效，当天线表面的阵列有部分受损或者是故障的情况下，雷达的性能会稍微降低，但是不会无法工作。有源阵列的天线在执行多工模式时，可以将雷达分为几个区块，各自发出波束同时执行不同的任务。而无源阵列则是以快速波束跳跃的方式在近乎同时的情形下执行多工扫描。由于有源阵列相比于无源阵列省略波导管造成的能量耗损，因此探测距离得以大幅延长，而无源相控阵雷达的探测距离却由于耗损而稍逊于同功率的传统机械。随着相控阵技术的日趋成熟，采用相控阵技术的天气雷达可以更好地探测和跟踪快速变化的中小尺度天气系统，提高对灾害性天气的预警能力，服务于气象防灾减灾。3

使用形态陆用系统大型弹道导弹预警天线使用有源或者是无源阵列的设计由美国首先引进，美国与苏联都有部署类似的系统担任警戒的工作。

空用系统空用系统最早是出现在美国以C-135改装的电子作战飞机上面，其中以使用无源相控阵的较多，使用有源阵列的只有Rivet Amber一架，当意外发生之后，美国空军并未另外改装一架C-135补充损失。

可以安装在战斗机或者是轰炸机的相控阵雷达系统当中，苏联为MiG-31设计的SBI-16 Zaslon雷达是世界第一款使用在中小型军用机种上面的相控阵雷达，美国第一款装置在中小型军用飞机上的相控阵雷达是B-1B上的APQ-164雷达。这两款都是无源相控阵。

第一种能够安装在中小型军用机上的实用型有源相控阵雷达是装置在日本F-2战斗机上的J/APG-1，第二种则是美军F/A-22猛禽战斗机上的AN/APG-77。

海用系统海上的相列雷达可以AN/SPY-1为例。AN/SPY-1是一种多功能雷达系统，也是神盾战斗系统的中枢。由于相列雷达的优点，一艘战舰可以只用一个雷达系统充当海面侦蒐雷达（找船只）、空中侦蒐雷达（找飞机与导弹）以及多目标火炮控制系统。第三项是战舰使用相列雷达的最重要理由。在引进相列雷达以前，导引一个防空导弹就需要一个火控雷达全力关注。一艘船因此只能与少数目标接战。相列雷达能快速重新定向雷达波，快到足以模拟许多个火控雷达，导引许多防空导弹。这是神盾系统接战能力很强的原因之一。