典型相控阵雷达技术分析

1.AN/SPY-1 相控阵雷达

AN/SPY-1 这种S 波段相控阵雷达是海军“宙斯盾”武器系统中的一部分。它有四个相控阵孔径，以提供无障碍的半球覆盖范围。在早期结构中，接收时，它使用68个子阵简单馈电系统，每个子阵包括64个波导型辐射器，总共4 352个单元。发射时，子阵成对组合，32个子阵对给出4 096个辐射的发射孔径。移相器有5 位且是非可逆、磁力线激励、锁紧式石榴石的结构，它直接向波导辐射器馈电。

合成的相控阵有一个具有强制馈电结构和4 350个波导型辐射器的孔径。单脉冲和差接收波瓣及发射波瓣分别被最佳化。

天线孔径包括圆极化螺旋辐射器 （用于抑制雨滴），此辐射器绕在郁金香状的介质结构上，大致排列在同心的圆环上。单元内也包含用于波束控制的二极管移相器，移相激励器沿孔径的外围安装。

馈电网络具有非常简单的结构。它由位于辐射孔径后面的圆盘状的平板介质组成。介质在其中心由单脉冲馈源提供能量。由于发射和接收使用同一个圆极化天线，所以单次反射目标（包括雨滴）将被抑制。

2.“爱国者（PATRLOT）”相控阵雷达

它是为陆军研制的一种多功能相控阵雷达系统，此系统使用光学馈电的透镜阵列形式。和差波瓣分别通过单脉冲馈源达到最佳。孔径呈圆形，包含大约5 000个单元。它在两个孔径上都使用4 位的磁力线激励非可逆铁氧体移相器和波导型辐射器。天线如图9.3 所示，它被安装在车辆上，并可平叠，以利于运输。

图9.3　“爱国者”多功能相控阵雷达天线

3.电子捷变雷达

日本西屋电气公司为机载应用研究了一种X 波段相控阵雷达，后来系统演化为B1- B 轰炸机上的AN/APQ- 164 雷达。如图9.4 所示，该雷达具有1 526个单元的椭圆形孔径，直径为39 in，且由1 818个辐射单元组成，每一个单元带有它本身的可逆铁氧体锁定移相器。系统有许多灵活的特性，孔径的相位可以变化，以便将波束形状从笔形改变为余割平方形，再改为垂直扇面形；极化也可以从垂直极化改为单向圆极化。

图9.4　正在装配的AN/APQ-164 相控阵雷达天线

4.机载预警和控制系统（AWACS）

第一个具有超低副瓣天线的作战雷达天线是由西屋电气公司为AWACS 研制的。它采用波导缝隙波导阵列，有4 000 多个缝隙，可用于空中监视，如图9.5 所示。它在可一起转动的圆形天线罩内做机械旋转。

图9.5　AWACS 雷达天线

5.“铺路爪（Pave Paws）”相控阵雷达

如图9.6 所示，“铺路爪”雷达被用于提供弹道导弹的预警，也可以实现对卫星跟踪，它是超高频（UHF）固态相控阵雷达。一套系统包括孔径相互倾斜120°的两端雷达，因此，可以提供240°总观测范围，它可检测到3 000 mile^[1]处10 m2 目标。

图9.6　“铺路爪”超高频固态相控阵雷达天线

6.丹麦“眼镜蛇（Cobra Dane）”相控阵雷达

丹麦“眼镜蛇”雷达是一部庞大的L 波段相控阵雷达，它是为了收集国外洲际导弹试验情报而研制和部署的。如图9.7 所示。

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图9.7　丹麦“眼镜蛇”L 波段相控阵雷达天线

它是一种稀疏阵，直径为95 ft^[2]，共有34 768个单元，其中15 360个单元是有源单元，其余是无源的，后期可能用有源单元来替换。有源单元分成96个子阵，每个子阵有160个辐射器。用行波管发射。天线上峰值功率为15.4 MW，平均功率为0.92 MW，瞬时带宽为200 MHz，距离分辨力为2.5 ft，可以探测目标尺寸和形状。由于有效天线孔径注满时间远大于脉冲宽度，所以即使是中等扫描角，时延波束控制也变得很有必要。

7.“朱迪眼镜蛇”相控阵雷达

用于收集国外弹道导弹试验数据，如图9.8 所示，它安装在美国舰船“瞭望岛”的转台上。阵列直径22.5 ft，包括12 288个单元，用于发射16个行波管馈电。对于等幅照射面积为A 的孔径，其法线波束增益为

如果将孔径考虑为一个匹配接收机，来自方向的能量之和正比于孔径的投影面积，扫描时的增益为

图9.8　美国舰船“瞭望岛”上的“朱迪眼镜蛇”大型可旋转相控阵雷达天线

增益可以用实际的波束宽度来表示，即

式中　θBφB——波束扫描θ0时两主面上的波束宽，（°）；

　　　η——增益效率系数。

如果孔径由N个相同的辐射源组成，匹配地接收入射功率，则所有单元对总增益的贡献均相同，即

式中，Ge是一个单元的增益，其匹配单元功率波瓣为

对于给定单元间距S，在面积A 内辐射总元数N=A/S2，则

在扫描角方向θ0上，天线最大增益为

对于法线方向的波束θ0=0°，得

并且单元增益Ge=π。