有源相控陣雷達技術發展趨勢

2017-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯網

有源相控陣(AESA,亦譯有源電掃描陣列)雷達已成為現代先進戰機的標準配置,不僅會在許多新機型中取代機械掃描陣列(MSA)和無源電掃描陣列(PESA)雷達,還用于現役飛機的批量升級。AESA也已滲入以前由MSA和PESA技術主導的其他領域,包括機載預警雷達、面對空導彈火控雷達和立體搜索雷達。這種發展勢頭還會持續下去,并將得到進一步的發展。但是,AESA也不是“萬能藥”,并非適合所有雷達應用。因為它會對支撐硬件提出許多獨特的要求,而在傳統雷達技術中,這樣的硬件很少甚至根本沒有。這些要求增加了系統集成的費用,并且在不同程度上影響到其應用。

有源相控陣雷達技術發展趨勢HFSS培訓的效果圖片1
雷聲公司的 RACR 基于 APG-79 AESA 雷達的經驗

毋庸置疑,隨著技術日趨成熟,制造費用不斷下降,AESA近期有望成為一種主流技術,用于多種大批量雷達的設計與開發。要知道AESA因何能夠獲得如此巨大的成功,首先需要了解電掃描陣列或相控陣的發展歷程。

ESA雷達技術的發展

世界上第一種“現代化”的軍用量產型相控陣雷達是曾在二戰后期部署的德國制造的VHF波段GEMA FuGM41“猛犸象”或“板墻”系列對空/對海監視雷達。這種創新性的雷達引入了電子或“靈活”波束控制概念-天線主瓣的方向不再通過天線視軸的物理指向來控制,而是通過改變經由天線陣列陣元的信號的相對相位或延時來實現。雖然更早出現的英國“本土鏈”雷達(曾對不列顛之戰發揮決定性作用)是利用天線陣元對之間的相位關系來測向,但“猛犸象”雷達才是第一種通過多個獨立的相位或延時控制單元實現收發的批生產型號。

這種方法帶來的最大好處就是不再需要通過機械的方法控制龐大笨重的天線掃描大范圍空域,而通過電子控制波束指向獲得靈活的波束控制能力。這是ESA相對于MSA的重要優勢,因為它能夠靈活控制波束,跟蹤單個目標或群目標,以及提高對大范圍空間的掃描速率。對于設計和維護人員來說,與MSA相比,采用ESA會帶來復雜度、體積和重量方面的問題,至今上述因素仍是影響ESA技術推廣應用的主要障礙。

20世紀70年代,隨著美國和前蘇聯開發了一系列重要的系統,ESA技術取得了長足進步。但不管怎么發展,其宗旨都是獲得同時跟蹤大批量高速運動目標的能力,進而支持導彈制導應用,以及戰術/戰略彈道導彈和低/高空巡航導彈防御應用。

美國部署了雷聲公司開發的450兆赫茲FPS-115“鋪路爪”雷達,前蘇聯開發部署了150兆赫茲的NIRI 5N15“第聶伯河”/“雞舍”系列PESA雷達,兩者均用于執行關鍵的戰略彈道導彈捕獲和跟蹤任務。后來的“鋪路爪”型號,平均功率為145.6千瓦,峰值功率為582.4千瓦,采用的陣元數量至少1792個,每個陣元的輻射功率為325瓦。

美國陸軍裝備的雷聲公司C波段MPQ-53“愛國者”交戰雷達和前蘇聯的X波段5N63/30N6(用于S-300PT/SA-10)和9S32(用于S-300V/SA-12)交戰雷達也是PESA雷達,都是為摧毀飛機、巡航導彈、遠程導彈和戰術彈道導彈而開發的。上述3種雷達采用了相同的設計理念-采用無源光學空間饋電和由移相器組成的透射主天線陣。前蘇聯雷達采用精心設計的單脈沖饋源喇叭排列,置于透鏡組件之后。類似的空間饋電設計也用于前蘇聯為S-300V/SA-12地空導彈系統開發的X波段9S19“高屏”反彈道導彈捕獲雷達和為S-300PM/SA-20A地空導彈系統開發的5N64/64N6“大鳥”S波段雙面陣戰場管理雷達。

類似的作戰需求也推動美國海軍開發了SPY-1“宙斯盾”S波段無源相控陣雷達。該雷達每個天線面有4096個陣元,分成140個模塊,每個模塊包含32個陣元,利用復雜的波導饋源網絡分發發射和接收信號。SPY-1A采用混合陣,每個天線陣面內嵌有4352個固態接收機,采用8部發射機為每個陣面提供高達132千瓦的總峰值功率。

第一代ESA雷達的共有特征是,采用無源透射鐵氧體移相器和行波管發射機,從而提高了整個系統的峰值功率。對重量敏感的應用,如地面導彈連,則優選光學空間饋電,而“宙斯盾”系統和更低波段的彈道導彈防御雷達則采用饋電網絡。截至目前,所有上述雷達的型號及派生型仍在服役和生產。

20世紀80年代,第二代ESA雷達面世,主要針對機載應用,充分汲取了雷達設計師在70年代早期獲得的經驗。美國西屋公司為B-1B“槍騎兵”轟炸機開發了X波段APQ-164雷達,是從EAR(電子捷變雷達)演示驗證機發展而來的PESA型號,具備一定的低截獲概率(LPI)能力。雷達共用1個由1526個陣元組成的獨立孔徑,用于地面測繪、武器瞄準和自動地形跟隨等。利用行波管和接收機鏈路冗余技術,達成ESA天線的高可靠性要求。

隨后不久,休斯公司就為B-2A“幽靈”隱身轟炸機開發了Ku波段APQ-181無源相控陣雷達。APQ-181是一種低截獲概率雷達,具備隱蔽攻擊能力。它采用了與APQ-164相同的天線技術,提供類似的導航、瞄準和自動地形跟隨能力。不僅如此,它還附加了一項比較苛刻的要求,即天線陣面的雷達發射截面積必須滿足類似“小鳥”的尺寸,這樣才能保證B-2優異的隱身性能。APQ-181雷達再一次驗證了ESA相較于MSA的關鍵優勢,且適于隱身探測,這也是長期以來推動AESA,尤其是機載AESA雷達不斷向前發展的關鍵因素。

雖然美國早期的機載ESA方案主要針對轟炸機應用,但前蘇聯的首部X波段機載PESA雷達-季霍米洛夫NIIP公司開發的BRLS-8B“盾牌”(Zaslon,北約稱“閃舞”)脈沖多普勒機載攔截雷達卻是為“米格-31”重型戰斗機開發的。這是因為該型戰機承擔著攔截美國AGM-86B空射巡航導彈、BGM-109G陸射“戰斧”和RGN-109潛射巡航導彈的艱巨任務。“盾牌”雷達陣列由1700個陣元組成,能夠同時引導4枚“阿莫斯”遠程空空導彈打擊隱藏在地雜波中的低信號特征目標,是用于裝備前線戰斗機的第一種批生產型ESA雷達。其最顯著的特征是L波段IFF詢問機的PESA陣列被嵌入X波段雷達陣列之中。

與第一代ESA一樣,第二代ESA雷達也采用無源透射鐵氧體技術移相器和行波器發射機,唯一不同的是后者采用天線饋電網絡,這也是堆棧行結構的典型特征。在此類雷達中首次采用的多種理念一直沿用于后續AESA的研發與設計中。

俄羅斯繼續采用PESA技術設計開發了一系列新式雷達,如季霍米洛夫NIIP公司為“蘇-30MKI/MKM”戰機開發的N011M混合型ESA雷達以及為“蘇-35S”戰機開發的N035“雪豹-E”派生型雷達,法扎特倫公司為“蘇-33”艦載機開發的Zhuk-MFS/MFSE雷達,列寧人公司仿造APQ-164為“蘇-34”轟炸機開發的B004多功能火控雷達,NIIP梁贊GRPZ公司用于N001VE機掃雷達升級改造的Pero無源相控陣雷達。Pero采用獨特的反射式空饋設計,其X波段喇叭置于陣列前面的尾桁之上。該技術也用于專為9K317“山毛櫸”M2/SA-17新型戰場防空導彈系統開發的X波段9S36交戰雷達。

20世紀90年代,美國和歐洲的AESA雷達技術取得了長足進步,俄羅斯緊跟其后。雖然新研的AESA雷達采用了許多以前為PESA雷達開發的技術,但也引入了完全有別于PESA的發射機技術。砷化鎵平面單片集成電路工藝的成熟是AESA得以實現的關鍵因素之一,因為大功率晶體管和單片移相器的制造均有賴于這種工藝的成熟。雖然早在25年前就已經普及小功率接收機用的低噪聲系數砷化鎵金屬-半導體場效晶體管(MESFET)器件,但直到微波單片集成電路(MMIC)技術成熟到能在關鍵應用中將必需的電路封裝在有限空間的T/R模塊內時,研制AESA才具備了現實的可能。L波段和S波段MMIC技術早在15年前就已經成熟,更具挑戰性的X波段MMIC技術在10年前獲得應用。PESA采用無源移相器件,而AESA的T/R模塊則集成了多個MMIC,形成獨立控制的接收機、發射機和波束控制器。在T/R模塊設計方面,俄羅斯稍遜于美國,但有望很快縮短差距。

滲透軍用雷達主流應用領域

目前,AESA技術已滲透到許多關鍵應用領域,包括X波段機載火控雷達、VHF至S波段預警搜索雷達和特定的S/X波段彈道導彈防御雷達。在不斷插入現役雷達的升級改造以及作為一種全新設計取代傳統雷達的發展中,AESA技術不斷取得進步。

戰斗機和轟炸機機載雷達多為X波段。首部AESA批生產雷達是原西屋公司,現諾斯羅普·格魯曼公司為F-22A“猛禽”戰斗機開發的由1500個陣元組成的APG-77雷達。該雷達已成為AESA技術發展風向標,現已發展到第二種配置APG-77(V)1,其中采用的模塊與為F-35戰斗機開發的只有1200個陣元的APG-81雷達通用。

同期并行開發的是雷聲公司1100個陣元的APG-79雷達。該雷達最初為批量升級改造F/A-18E/F“超級大黃蜂”戰機開發,最后卻發展成一種獨特的設計。為APG-79開發的T/R模塊技術用于對F-15C戰斗機APG-63(V)3和F-15E戰斗機APG-82(V)1的AESA升級。早期的F-15雷達采用由行波管驅動的機械掃描陣列技術,后來一部分F-15C戰機換裝了早期采用“條”式T/R模塊技術的APG-63(V)2雷達,近期的升級改造涉及APG-63(V)3/APG-82配置,其中采用了基于APG-79設計的獨立T/R模塊。這種先進的T/R模塊技術也移植到APQ-181雷達的深度改進之中,在其AESA型號中采用了一對2000個陣元的X波段陣列。同期,諾·格公司還開發了1000個陣元的APG-80雷達,用于老式F-16戰機的批量現代化改造,作為一種全新設計,APG-80現已發展成尺寸可變的靈活波束雷達(SABR)。

當美國X波段機載AESA雷達占據主導地位之時,專門針對ISR應用的X波段AN/ZPY-2多平臺雷達技術插入計劃(MP-RTIP)才開始啟動。MP-RTIP雷達專門用于提供監視成像和地面動目標指示能力,主要針對E-8、E-10和RQ/MQ-4“全球鷹”平臺。AESA技術也是設計新一代干擾機EA-18G“咆哮者”干擾支持吊艙的關鍵,計劃采用氮化鎵(GaN)器件。

雖然歐洲制造商落后于美國,但目前也能提供幾種X波段AESA產品,包括泰利斯公司為達索公司“陣風”戰斗機開發的RBE2型雷達,歐洲雷達聯盟為“臺風”戰斗機開發的ECR-90雷達和塞萊克斯公司更小型的Vixen500E和1000E型AESA雷達(對新一代“鷹獅”戰斗機)。所有設計都充分汲取了機載多功能固態有源陣雷達(AMSAR)開發項目的經驗與教訓。

法扎特倫公司是俄羅斯第一家提交X波段AESA雷達的生產商,早在2007年便交付了供“米格-35”戰斗機使用的Zhuk-AE有源陣雷達。之后不久該公司便與季霍米洛夫NIIP公司展開了為“蘇-27/30”和T-50 PAK-FA新一代隱身戰斗機提供大型AESA雷達的競標。季霍米洛夫NIIP公司同期開發的L波段AESA項目備受關注,該雷達旨在嵌入戰斗機機翼前緣和外側,提供敵我識別和反隱身探測。

雖然X波段AESA雷達在先進戰斗機應用中占據主導,但諾·格公司的AN/ASQ-236雷達吊艙卻獨辟蹊徑,專為精確地面測繪而設計開發了Ku波段AESA雷達。

20世紀90年代,X波段AESA雷達逐漸滲入機載預警雷達市場。以色列IAI/Elta公司基于波音707-320平臺開發了L波段EL/M-2075“費爾康”雷達,后驗證機被銷往智利,而相關技術卻演變成G550平臺攜載的EL/W-2085雷達,現裝備以色列和新加坡。1998年,因為“楔尾”的原因,采用相同的技術研發的EL/W-2090型L波段三面陣AESA雷達未能成功銷往澳大利亞,也未能如愿銷售給中國,最終印度購得此套系統。瑞典S波段“愛立眼”機載雷達出口取得了巨大成功,用戶有瑞典、巴西、希臘、墨西哥、巴基斯坦、泰國和阿聯酋,平臺可選用商用噴氣式或渦輪螺旋槳飛機。美國唯一的機載預警與指揮控制AESA雷達是諾·格公司開發的L波段多功能電掃描陣列(MESA),雷達以波音737-600為平臺,系統現已銷往澳大利亞、土耳其和韓國。

雖然機載應用是AESA研發的主要目標,但新出現的地面應用也逐漸得到推廣。其中之一是導彈防御用的目標捕獲與火控雷達。以色列埃爾塔公司率先推出了EL/M-2080“綠松”L波段雷達,用于支持“箭”式反彈道導彈。之后不久,美國雷聲公司推出了25344個陣元的AN/TPY-2型THAAD地基雷達/前沿部署的X波段機動式寬帶AESA雷達,用作THAAD系統的捕獲與交戰雷達。該領域內體積最龐大,功率最強勁的雷達當屬包含45056個陣元的海基X波段雷達,是專為地基攔截器三級外太空反彈道導彈開發的,其AESA天線陣面直徑達22米。

AESA技術占主導的另一個領域是X波段捕獲和火控雷達,可用來為作戰艦只提供保護,使其免受掠海巡航導彈的攻擊。典范之作包括雷聲公司為“朱姆沃爾特”級驅逐艦和“福特”級航母開發的AN/SPY-3多功能雷達,泰利斯公司為荷蘭“澤文·普羅文森”號護衛艦和德國“薩克森”號護衛艦開發的APAR四面陣相控陣雷達(3000個陣元)和澳大利亞CEA技術公司為“安扎克”級護衛艦開發的CEA-FAR/CEAMOUNT(含1024個陣元),上述雷達均旨在引導RIM-160改進型“海麻雀”導彈。

AESA技術也逐漸推廣應用到搜索捕獲雷達之中。且不說“朱姆沃爾特”級驅逐艦雙波段雷達系統的S波段雷達,單是泰利斯/雷聲公司的地面防空雷達系列中S波段GM200和GM400也堪稱典范之作。俄羅斯金剛石-安泰聯合企業/NNIIRT開發的IL119“天空”SVU和VHF波段55Zh6ME RLM-M“天空”M型3坐標反隱身搜索和捕獲雷達同樣引人關注。前者采用84個陣元,每個陣元的額定功率為1.4~1.7千瓦;后者采用168個陣元,額定功率也許更大。

AESA雷達的優勢與局限

為什么AESA最終會取代PESA和MSA設計,而后者僅局限于某些特定的應用呢?

首先,最重要的原因是波束形成和波束捷變能力。在現代AESA的設計中,波束參數可以高達數千赫茲的速率改變,這是早期推行ESA應用的驅動力,這樣天線可以很高的刷新率跟蹤多個目標,這對于攔截超聲速飛行的巡航導彈、飛機或再入戰斗部等快速目標至關重要。

波束捷變能力還可以驅動天線執行不同任務,獲得時間共享、多路復用或交叉使用的能力。在火控應用中,這允許雷達同時跟蹤多個分散的目標,或同時執行搜索、導彈中段或末段制導任務。在搜索應用中,允許雷達在跟蹤同時執行立體搜索任務。在監視應用中,它允許交替執行對地測繪和動目標檢測任務。在戰斗機應用中,可提供測繪、地形跟隨或回避、空面目標搜索和數據傳輸等功能交替執行的能力。因此,1部獨立的AESA多功能雷達可以取代2部以上功能單一的常規雷達。

第二個重要原因是,AESA雷達的可靠性大大優于常規雷達,這主要得益于其采用了成百上千個T/R模塊。即使多個T/R模塊故障,也只會降低天線性能,而不會導致其失效。只有當共享子系統,如電源或波束控制器故障時,AESA雷達才會出現致命故障。而MSA容易發生機械故障,且行波管、波導、饋源和高壓電源等電子器件均易發生單點故障。

相較于PESA,AESA最重要的優勢是其具有獨立控制每個陣元的增益和相位的能力,這會對以下幾個領域產生重要影響:

首先是波束形成更精確,不同的波束還可以采用不同的口面錐削分布,這在副瓣抑制時經常使用。副瓣抑制是隱身技術關注的重要問題,因為極低旁瓣可降低被敵方截獲的概率。

其次,AESA能提供比PESA或MSA寬得多的帶寬,這有利于低截獲概率模式和針對帶內輻射源的電子攻擊。在某些設計中,這種能力允許將雷達AESA用作威脅告警系統的附加高增益天線,或作為帶寬能力高達數千兆比特每秒的數據鏈,或兩者兼而有之。AESA接收機的噪聲指數一般比PESA/MSA接收機低6分貝以上,大功率孔徑AESA還能用作重要的定向能武器,可對電子密集目標系統或電子設備造成毀滅性影響。就雷達結構截面積而言,固定的AESA本身就優于萬向支架式的MSA,更容易與其他隱身平臺融合。

但是,獲得這些優勢并非不需要付出代價。與MSA相比,AESA雷達更復雜,研發費用更高,重量和體積也比MSA大得多。功耗和冷卻也是開發AESA面臨的兩大難題,這已成為其與小型平臺整合難以逾越的鴻溝。許多設計中,半導體器件的功率密度限制和T/R模塊級冷卻架構直接影響著AESA性能增長。隨著實時處理要求的提高,AESA對軟件依賴性更強,會帶來許多不屬于射頻領域的獨特的工程問題。

從單純的增益性能來看,AESA必須解決遠離天線視軸的目標的孔徑縮短問題,以及對波束掃描在45°~70°范圍內時波束控制角的性能受限問題。由于孔徑填充和副瓣控制的原因,相位控制AESA也會遭受帶寬本身受限的問題,這將影響所有大帶寬應用。在許多應用中,與低結構性RCS兼容的唯一方案是采用多個AESA陣列,這同時又會犧牲成本、復雜度、重量、體積和冷卻方面的要求。典范之作包括為F-22A規劃但尚未裝備的側視陣列或計劃中的T-50PAK-FA側視陣列。AESA并非適合所有微波天線應用的“萬能藥”,只是它在大多數應用中呈現出的重要優勢掩蓋了使用該技術導致的不足而已。

有源相控陣技術發展趨勢

毫無疑問,單片器件是推動AESA設計不斷發展的關鍵技術之一,因為它直接通過大功率晶體管或間接通過冷卻性能影響著AESA的功率孔徑性能。進一步來說,封裝技術又對冷卻性能和密度有重要影響。

砷化鎵MMIC是實現S及以上頻段AESA的關鍵技術,也是L波段AESA率先進入機載應用的關鍵,因為這類器件與晶體管的特征頻率性能基本無關。盡管材料的載流子遷移率較優,但砷化鎵基片的熱性能較差,這也是長期困擾AESA技術發展的一個問題,也是推廣鍺化硅(SiGe)、氮化鎵(GaN)等熱特性更優的材料的強大推動力。自首部X波段AESA驗證機問世以來,封裝技術也取得了長足發展。陣列設計理論規定陣元間距為半個波長或更短,這樣隨著頻率的升高,密度的挑戰也隨之增大。目前陣面上的功率密度基準已超過4瓦/平方厘米。

美國早期的X波段AESA設計和俄羅斯當前的設計均采用“條狀”或“四芯組件”封裝設計的T/R模塊。這種方法會持續產生生產可重復性問題,因為任一通道出現瑕疵,都需要對整個“條狀”或“四芯組件”模塊進行再加工。目前美國和歐盟的AESA采用“單通道”法設計,其中每個單元采用一組垂直于天線陣面的器件(“瓦片”法)。雖然與PESA相比,AESA不必處理較高的功率電平,但是底板饋電網絡也會帶來設計挑戰,尤其在損耗和帶寬方面。在X波段設計中,饋電網絡也許會變得更復雜,因為需要劃分陣列建立幾個相位中心,實現雙平面單脈沖跟蹤或地面動目標指示偏置相位中心(DPCA)。

AESA中一個獨立的通道或單元必須包含用于接收路徑的低噪放(LNA)、功放、移相器、阻抗匹配、低插損連接、增益控制單元、RF緩沖放大器(如果需要)和數字電路(需要用來將增益和相位參數鎖存到T/R模塊移相器和增益控制器件)。現代AESA的T/R模塊還包括健康監測、機內自檢和校準電路。

必須將T/R模塊內半導體器件的熱量導出模塊,并通過冷卻系統導出天線。X波段AESA多采用聚烯烴合成油(Poly-Alpha-Olefin,一種先進的冷卻材料),將熱導入飛機燃油內或通過熱交換器導入周圍空氣中。

在分析AESA技術的未來發展趨勢時,一方面要考慮到先進的RF器件材料和工藝的發展,另一方面要考慮到利用影印法制造的數字器件的密度呈指數級增長的趨勢。美國雷達專家布魯克內爾(Brookner)最近指出AESA在器件和材料技術方面的發展趨勢如下:

(1)陣列將采用微機電系統(MEMS)移相器;

(2)24吉赫茲低成本相控陣汽車雷達的廣泛使用將不斷降低T/R模塊的成本和體積;

(3)基于1個獨立的鍺化硅/雙極互補金屬氧化半導體(BiCMOS)芯片可實現8~32個陣元陣列用的超大規模MMIC電路;

(4)利用氮化鎵技術提供10倍功率和更高的效率,利用一個獨立的晶體管組件提供超過1000瓦的峰值功率;

(5)基于硅的低成本鍺化硅芯片;

(6)普渡大學開發的低成本S波段雙板氮化鎵數字陣列雷達,帶寬為700兆赫茲,每個陣元的峰值功率為25瓦,通過采用電磁帶隙(EBG)材料,增大天線陣元之間的隔離度,降互低藕,獲得寬角掃描,未來可能取消環形器;

(7)瞬時帶寬從10:1到30:1的陣列;

(8)通過改善A/D線性度,減少互調,使接收機動態范圍提高20分貝;

(9)在無源天線器件中采用金屬材料;

(10)開發互聯用的三維微加工技術。

密度呈指數級增長是數字領域發展的顯著特點之一,但在射頻器件中并非那么突出,原因在于阻抗匹配的阻礙和模擬器件的需求。技術的進步,尤其是并行處理計算機硬件的發展可提供執行浮點運算的冗余能力將對雷達發展產生重要影響。通用圖形處理單元芯片的內存帶寬目前已超過100吉比特/秒,單個芯片通常能夠提供超過500個流水線節拍的浮點優化處理核。隨著這種技術繼續發展,將產生更多的處理核,提供更大的內存帶寬,使一些信號/數據處理算法得以實時應用。

總之,隨著MMIC材料和制造技術持續發展,封裝技術的進步和數字電路的指數級增長,這些都將為未來AESA設計開辟更多新的可能性,創造更多的機會。

作者:黃鶴何曉晴原載《現代軍事》

開放分享：優質有限元技術文章,助你自學成才