从抛物面到相控阵—机载雷达天线发展史

电子万花筒 2023-08-17 08:37

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随着战争的需求变化与科技的进步，空战的“含金量”也越来越高。战机机载雷达的发展就是个典型例子。而从外观上而言，雷达设备的“进化”最直观的部分就是天线的变化。下面简单讲讲机载雷达天线的发展。

机载雷达从早期的简易对空搜索测距功能演化到现在不仅要兼顾大区域范围内的搜索、跟踪以及火控制导甚至还要战场监视，SAR成像等等，实现多功能。一般而言，机载雷达要求天线具有高增益（便于增加探测距离）、窄波束（利于增加测角精度）、低副瓣（抗干扰）等特点。而实现高增益，窄波束。最简单的就是使用定向天线，比如八木天线和抛物面（单反射面）天线。八木天线尺寸过大而且抛物面天线相比八木天线，更容易实现低副瓣，因此冷战后早期的机载雷达普遍采用抛物面天线的形式。

抛物面天线（单反射面天线）。这种天线采用一个较大尺寸的抛物面作为主面，主面前方中心位置一个喇叭作为馈源（正馈），（喇叭也可偏离中心位置，称为偏馈）。其工作原理与光学里的抛物面镜颇为类似。工作原理是，当天线工作在辐射模式时，由喇叭辐射出去的球面波打在抛物面上，抛物面把喇叭入射的球面波变换为平面波，使之辐射到自由空间中去。当工作与接收模式时，主反射面将自由空间中传来的平面波汇聚称为球面波，并使之“打回”馈源喇叭处。该形式的天线在x波段及以下加工并不困难，结构简单，成本也不高。但是缺点也很明显，由于通常抛物面天线在焦径比（喇叭到反射面的距离与主反射面尺寸之比）较高时，易实现高性能，因而天线的整体剖面较高，体积较大。特别是当天线整体旋转扫描时，会大大占用机头空间，因此其扫描角度也较为受限。为了解决这些困难，一种名为“卡塞格伦（Cassegrain）”形式的双反射面，应运而生。

抛物面天线基本构成

歼5甲全天候型装备的sl1型雷达（仿制苏制РП-1/5型）的天线

卡塞格伦天线。是一种在单反射面天线形式上改进而来的天线。相比单反射面天线，增加的副反射面可以初步优化喇叭发射出来的电磁波，并使之呈一个更为理想的分布，反射回主反射面，主反射面再将该整形后的球面波变成平面波，并使之辐射到自由空间中去。这样的优点是能提高天线口径效率，提高增益，大大降低了焦径比，降低天线整体的剖面，减小体积。接收机和馈线也变为主面之后，更利于系统的走线布置并降低系统噪声。但副反射面的引入也会带来对主面遮挡增加的问题，这会反过来降低天线整体的增益和抬高副瓣电平。

为了解决副反射面遮挡的问题，一种叫做倒置卡塞格伦的天线被提出来并广泛应用在机载雷达中。倒置卡塞格伦，也被称为变形卡塞格伦天线。它在卡塞格伦天线的基础上，将副反射面位置变为极化栅格抛物面，主面位置变为极化扭转板。（实际上，在倒卡天线中，主、副面位置已经与普通卡塞格伦有明显不同。）工作原理与卡塞格伦天线有较大区别：位于极化扭转版处的喇叭馈源，发出的水平线极化电磁波被前方的极化栅格几乎全反射回来，并将该球面波变为平面波，打在后面的极化扭转板上，将水平极化波“扭转”为垂直线极化电磁波，从前方的极化栅格中透射出去，辐射到自由空间中。简而言之，倒卡馈源发出的波束虽然也经过两次反射，但是不同于普通卡塞格伦天线，它中间有个极化扭转的过程。位于天线前方的极化栅格只对水平极化电磁波有遮挡，对垂直线极化波几乎无影响。这里顺便提一下，为了对抗地杂波，机载雷达天线多为垂直线极化天线。它通过适当旋转极化扭转板来实现波束扫描。因此，倒卡天线解决了副反射面遮挡的问题，而且还能把馈源和极化栅格稍微偏置，进一步降低了整体天线的剖面。因其特有的优势，倒卡天线在二代机中很受欢迎。

倒卡天线工作原理

米格-21BIS配套的蓝宝石-21雷达使用的倒卡天线

狂风战斗机AI-24雷达系统采用的倒置卡塞格伦天线

Mig25的龙卷风A雷达使用的倒卡天线其极化栅格面未安装

Su27的n001雷达使用的倒卡天线同样，注意其极化栅格面未安装

Su27的n001雷达使用的倒卡天线注意此为完整状态，装上了极化栅格面

尽管如此，利用反射面形式来工作的天线，虽然加工上要求并不算高（X波段处还算好，到了更高的频段则难度陡增），成本也能接受。但随着机载雷达性能的提升，对天线部分也提出了新的要求，比如更大的扫描角度，更低的副瓣以及实现赋形波束。倒卡天线中存在的固有缺陷包括始终会有能量溢漏（这会造成口径效率的降低，损失增益），扫描时波束的畸变也较为严重（主瓣增益下降，主波束变宽，副瓣抬升），并且始终存在天线重量较大的问题。所以大家都认为要夺取制空权的三代机：mig29和苏27早期都使用了倒置卡塞格伦天线，这多少显得寒碜。

我们知道，为了满足机载雷达高增益窄波束低副瓣的要求，抛物面天线因其结构简单而被较早使用。还有一种形式上稍微复杂，但性能优秀的天线，那就是平面阵列天线。平面阵列天线是一种典型的阵列天线。由数十到数百，甚至成千上万个小单元天线按照一定规则，间距等，均匀布置在阵列面上。单个单元天线也许波束很宽，增益很低，但是依靠天线阵面上众多的单元天线，协同工作，就能实现一个很高的增益，窄波束，甚至取得超低副瓣（后期甚至可以升级成为平面相控阵）。因此，平面阵列天线因其优异的性能很快取代了反射面天线，成为了各种三代、三代改、四代机机载雷达系统中的主流。现在的先进机载雷达——相控阵雷达，几乎都是使用的平面阵列天线形式。

常见的平面阵列天线包括波导（平板）缝隙阵，开口波导阵，偶极子阵，Vivaldi天线阵，微带贴片天线阵等等。

波导缝隙阵，就是在常见的微波传输结构，波导表面开缝（槽），让小缝隙成为一个天线，将电磁波辐射出去。具有利于和馈电结构匹配的优点，且功率容量较大。机载波导缝隙看起来就像开在平板上的一样，所以有时也称为平板缝隙阵。

E3使用的APY1雷达采用波导缝隙天线阵

F15的APG63雷达使用的平板缝隙阵外围突出的是IFF振子天线（阵）

F16A/B的APG66雷达使用的平板缝隙阵

与此类似的还有开口波导阵列天线。开口波导也是利用波导结构，不过不是开槽开缝，而是直接利用波导口面辐射电磁波。因为这种开口波导形式剖面稍大，且重量过重，因此机载雷达较少采用这种形式。

上面利用波导进行馈电和辐射的结构，利于做天线匹配，功率容量大是其显著优点。但是天线带宽往往会受到限制，而且重量难以控制。后续不少新颖的设计逐渐被用在了机载雷达系统中。

实际上到了冷战后期，为了让机载雷达获得更快的扫描速度和更强大的性能（比如同时实现搜索跟踪火控制导对地探测等），工程师为机载雷达使用了相控阵天线，且至今仍被视为先进技术。相控阵天线在外观上和常见的平面阵列天线并没有太大区别，甚至可以简单理解为在普通机扫平面阵列天线的基础上修改馈电结构而得到（后端发射/接收机和信号处理算法当然会有很大变化）。天线单元后端加入移相器可以得到无源相控阵天线（PESA），不喜欢移相器加入TR组件，即可得到有源相控阵天线（AESA）。对于天线工程师而言，同一个天线阵面，即可以做AESA，也可以做PESA。因此，对于平面阵列天线而言，具有很大升级成为相控阵天线的潜力。

对于升级成为了AESA天线的雷达而言，具有更大的发射功率，更远的探测距离，更为灵敏的波束扫描和更强大的波束付形功能。获得个-50、-60dB的平均副瓣也更为容易。

以F22为例，这类新一代隐身战斗机的AESA雷达，喜欢采用偶极子阵列（图为F22的apg77雷达所用的伞状偶极子阵）。单元采用偶极子天线，具有宽带特性，单元方向图较宽，也容易实现大角度扫描。

F22的APG77雷达天线

最前方凸出的很容易被误认为是TR组件，严格来说那个其实是天线表面，TR组件是接在天线后方的（虽然现在很多TR组件和天线加工成一体，但这里仍然区分开来谈）

阵风新款中使用的RBE2 AESA雷达（如下图所示），则采用了Vivaldi天线阵。这种天线单元的特点是带宽特别宽，因此整个天线阵列的带宽可以得到拓展。

RBE-2雷达AESA

当然也有些比较特殊的。比如下面这个采用八木天线为单元的E2D预警机使用的APY9雷达。因为相对于其使用的uhf波段电磁波波长长，其天线尺寸非常有限，为了获得更加理想的窄波束和高增益，它的天线单元波束就得窄下来，因此八木天线成为了一个较理想的选择。高增益的八木天线作为单元，能够使阵列的增益有明显提升。但是事物总是相对的，八木天线较窄的单元波束，大大限制了阵列的宽角扫描能力。当天线扫描角偏离法线较大时，增益的下降和波形的畸变将非常明显。因此APY9使用了机电扫结合的方式，来弥补不足。