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有源相控阵(AESA)是由一组天线阵列,构成一束无线电波,能在不同方向瞄准,天线无需移动。AESA出现于上世纪60年代初期,主要用于雷达装备。该技术是在当时无源电子扫描阵列(PESA)雷达技术基础上发展而来。PESA是一种固态系统,采用的信号是单个束源。它运用移相器来有选择地延迟某些信号,同时容许其他信号无延迟地传输。以这种方式发射的信号能产生形状不同的信号,有效地把信号光指向不同方位,有时被称为光束控制。
第一套AESA系统在上世纪80年代研制出来,比过去PESA系统有很多优势。与PESA采用一个收发模块不同的是,AESA应用多个收发模块与天线部件接口互连,能在不同频率下产生多个同时雷达光束。
鉴于有源相控阵技术可以极大扩展雷达功能并提高其性能,美国防部已将AESA系统应用在多个军事平台,包括战机和无人机。事实上,美军已对F-22和F-35战机等战机全部装备了AESA雷达,同时对第四代战机、轰炸机、预警和侦察等飞机的改进都已列入计划,并已得到美政府的财政支持。
除美国之外,俄罗斯、英国、法国、德国、瑞典和以色列等西方国家均在这一领域投入大量资金进行研究和合作开发。
采用AESA技术的雷达具有以下四大优势:
(1)抗电子干扰
AESA系统的主要优势之一是它有高度抗电子干扰技术。雷达干扰通常是先判定敌方雷达的发射频率,然后以同样频率发射来捣乱敌方雷达。后来,研究人员研发出一种对抗这种干扰的方法,即设计雷达系统可以能随着每个脉冲改变其频率。但是,道高一尺,魔高一丈。雷达技术改进之后,干扰技术随之提升。AESA与众不同的是,除了变换频率之外,它能在宽频带上分布频率,甚至在单个脉冲上分布频率,这种雷达技术被称为线性调频(chirping),即脉冲传输时中心波长发生偏移。这种组合技术特征使之很难干扰AESA系统。AESA天线口径场的幅度和相位都可以随意控制,可使天线旁瓣的零值指向敌方干扰源,使之不能收到足够强度的雷达信号,从而无法实施有效干扰。
(2)低截获
AESA系统拥有敌方雷达告警接收器(RWR)低截获概率(LPI)。在当前极为严峻的电子干扰环境中,LPI(低截获概率),即机载雷达辐射的电磁波被敌方拦截概率的高低是一项重要的性能指标。在攻击有专用电子干扰飞机掩护的机群或单机时,强烈的电磁干扰将使传统的雷达无法正常工作。RWR能让飞机或飞行器判定外来的雷达光束何时击中它。这样它就能判定光束来源,即敌方方位。AESA能非常有效地克制RWR。由于上述提及的线性调频变换频率非常迅速,完全是随机次序,RWR很难区分是否AESA雷达光束,也就是雷达信号,或者是周边到处是“白噪声”无线电信号。
(3)可靠性提高
应用AESA系统另一好处是每个模块独立工作。因此,单个模块失效不会对整个系统性能产生很大影响。AESA技术也能用在飞机和其他装备系统之间形成高带宽数据链。
(4)多模式能力
所谓多模式能力,即指AESA能在同一时间内完成一个以上的雷达功能。它可以用一部分T/R模块完成一种功能,用另外的T/R模块完成其它功能;也可用时间分隔的方法交替用同一阵面完成多种功能。AESA雷达技术还支持多种模式,使系统能承担各种任务,包括:(1)真实的光束绘图;(2)合成孔径雷达(SAR)绘图;(3)地面移动目标指引和跟踪;(4)空对空搜索和跟踪。由于AESA是由多个子阵组成,而每个子阵又是由多个T/R模块组成,因此,可以通过数字式波束形成(DBF)技术、自适应波束控制技术和射频功率管理等技术,使雷达的功能和性能得到极大的扩展,可以满足各种条件下作战的需要。并能因此而开发出更多新的雷达功能和空战战术。
与多数技术一样,AESA制造商在研发该雷达技术过程中面临着很多挑战。最普遍的挑战是AESA的功率大小,冷却手段,体积重量和销售价格。随着AESA雷达技术的提高,这些挑战正不断进行得到持续解决。
例如,雷达重量在过去几年里已经减轻一半,体积也减少很多。这使得AESA可以安装在除了飞机机头之外其他位置上。雷达也能定位在多个方向且视野广角更大。
综上所述,随着AESA技术的不断进步,AESA体积越来越小,应用成本越来越低。世界各国都在竞相把AESA技术应用地面、海上和空中传统设备上。2016年,雷神公司率先在防御技术领域的美陆军冬季展上推出了一套基于氮化镓(GaN)技术AESA升级到“爱国者”对空导弹防御系统。该系统自展示之后已成功运转1000多小时。在雷达相反方向配对布置两个升级AESA系统,就能实现360度全覆盖。
世界各国都在把AESA雷达装备在其军用飞机和舰船上。军工承包商和制造商都在积极满足这一要求。印度近年来委托一家以色列公司对其“美洲虎”战机配备新型AESA雷达系统。这些老式战机一旦装备AESA雷达,能使它们在当今电子战愈加重要的世界保持相对优势。简言之,如果没有AESA,现代常规军力就将过时。AESA不再是个选项,随着时间推移它将受到各国政府重视,其应用也将更加普遍。
感谢编译/述评:中国电科43所 王传声
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