相控陣雷達與光控相控陣雷達技術(shù)

從近代戰爭來(lái)看,雷達是空戰、陸戰和海戰中極為重要的作戰“軟”武器,在幾十年的發(fā)展歷程中,始終存在著(zhù)雷達與反雷達的斗爭。雷達系有源探測技術(shù),又稱(chēng)無(wú)線(xiàn)電定位儀,它是利用電磁波來(lái)探測目標的距離、方位及其運動(dòng)狀態(tài)的。

世界上第一臺雷達誕生于20世紀30年代末期;然后一直到60年代,常規雷達由于二戰的刺激以及60年代新革命浪潮的推動(dòng)而飛速發(fā)展。其中,60年代初引入移相器和陣列天線(xiàn)而 發(fā)展出相控陣雷達,解決了常規雷達由于機械掃描和天線(xiàn)慣性造成的掃描速度緩慢以及精度低、可靠性不高等問(wèn)題,頓時(shí)成為國際研究熱點(diǎn),目前美、日、英、法、 俄等各的軍事裝備中已廣泛應用;但是由于其波束出射角受到微波頻率的影響而造成波束偏斜的現象,無(wú)法滿(mǎn)足寬帶寬的要求。1985年,美國 GardoneLeo最早提出了光學(xué)真延時(shí)相控陣雷達的思想,真延時(shí)技術(shù)可以很好地解決寬帶寬的問(wèn)題,并且將光電子技術(shù)引入相控陣雷達還解決了電纜 饋電帶來(lái)的尺寸和重量的限制以及導電電纜干擾發(fā)射單元輻射方向的問(wèn)題、提高雷達性能、降低成本等;到90年代中后期隨著(zhù)光電技術(shù)的日益成熟,相控陣雷達中 的光學(xué)真延時(shí)技術(shù)得到了快速發(fā)展。

1　相控陣雷達

雷達在搜索目標時(shí),需要不斷改變波束的 方向。改變波束方向的傳統方法是轉動(dòng)天線(xiàn),使波束掃過(guò)一定的空域、地面或海面,稱(chēng)為機械掃描。利用機械掃描方式工作的雷達即常規雷達,由于天線(xiàn)的慣性,掃 描速度緩慢、精度低、可靠性不高?，F代通信和軍事技術(shù)的發(fā)展對雷達和天線(xiàn)提出了越來(lái)越高的要求,傳統的機械掃描雷達已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應用的需要;隨著(zhù)60 年代初移相器和相位-相位掃描體制的發(fā)展,相控陣雷達應運而生。

相控陣即“相位控制陣列天線(xiàn)”,由許多輻射單元排列而成,輻射單元少的有幾 百,多的則可達幾千、甚至上萬(wàn),其天線(xiàn)排列可以是線(xiàn)陣、平面陣、共形陣,相控陣雷達因其天線(xiàn)為相控陣型而得名。相控陣雷達是一種新型的有源電掃描陣列多功 能雷達,每個(gè)陣元(或一組陣元)后面接有一個(gè)可控移相器,其掃描原理是利用控制這些移相器相移量的方法來(lái)改變各陣元間的相對饋電相位,從而改變天線(xiàn)陣面上 電磁波的相位分布,使得波束在空間按一定規律掃描。如圖2相控陣原理圖所示:

圖1　相控陣一般發(fā)射單元原理結構簡(jiǎn)圖

傳 統相控陣天線(xiàn)實(shí)施電掃描的關(guān)鍵器件之一是移相器。對移相器的要求是有足夠的移相精度、性能穩定、插入損耗小,用于發(fā)射陣時(shí)有足夠的功率容量,頻帶足夠寬、 開(kāi)關(guān)時(shí)間短、易于控制等。其種類(lèi)很多,按材料分有PIN二極管移相器、鐵氧體移相器、場(chǎng)效應晶體管移相器、鐵電陶瓷移相器以及分子極化控制移相器等;按傳 輸形式分有波導移相器、同軸線(xiàn)移相器、集中參數移相器以及分布參數移相器等;按功率電平分有高功率和低功率移相器;按工作方式分有模擬式、數字式以及模擬 2數字控制式移相器等。

與機械掃描天線(xiàn)系統相比,相控陣雷達有許多顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn):適用于多目標、多方向、多層次空襲的作戰環(huán)境,可同時(shí)實(shí)現掃描、跟蹤、搜索 等等多種功能,反應時(shí)間短、數據率高,抗干擾能力強、可靠性高等。如圖2所示的是設在美國CapeCod、每個(gè)陣元呈金字塔形的相控陣雷達。它有兩 個(gè)平面陣列,每個(gè)天線(xiàn)陣列可作扇形的微波束掃描。它能探測到3000海里范圍內10平方米大小的物體,掃描迅速,能同時(shí)跟蹤很多個(gè)物體。在相控陣天線(xiàn)中, 對于單色或窄帶的微波信號,其發(fā)射方向由下式?jīng)Q定:

圖2 　相控陣雷達天線(xiàn)

其 中y表示發(fā)射單元的位置,Ψ是此發(fā)射單元信號的相位,f為微波頻率?？梢钥闯?為了獲得固定的出射角度θ0,Ψ必須與f成正比。在窄帶微波信號中這 是沒(méi)有問(wèn)題的;但是在寬帶信號中,對某個(gè)固定的發(fā)射單元來(lái)說(shuō),其發(fā)射信號的相移是不變的,而不同頻率的信號將會(huì )得到不同的發(fā)射角度,從而沿不同的方向輻 射,造成波束傾斜,這是我們不愿意看到的結果。

然而當今國際形勢的新發(fā)展、新格局以及各國軍事技術(shù)力量的提高,都迫切需要提高雷達性能:為 了提高抗干擾能力,相控陣雷達必須具有盡可能大的帶寬;為了提高雷達的分辨率、識別能力和解決多目標成像問(wèn)題,相控陣雷達必須具有大的瞬時(shí)帶寬;為了對抗 反輻射導彈的威脅,也要求采用大瞬時(shí)帶寬的擴頻信號。但是由于傳統的相控陣雷達的波束指向隨頻率的變化而偏移,不能滿(mǎn)足寬帶寬的要求。