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          簡單講講機載雷達天線的發展

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          簡單講講機載雷達天線的發展

          發布日期:2018-06-25 作者:admin 點擊:

          隨著戰爭的需求變化與科技的進步,空戰的“含金量”也越來越高。戰機機載雷達的發展就是個典型例子。而從外觀上而言,雷達設備的“進化”最直觀的部分就是天線的變化。下面簡單講講機載雷達天線的發展。

          機載雷達從早期的簡易對空搜索和測距功能演化到現在不僅要兼顧大區域范圍內的搜索、跟蹤以及火控制導甚至還要對地測繪,sar成像等實現多功能。一般而言,機載雷達要求天線具有高增益(便于增加探測距離)、窄波束(利于增加測角精度)、低副瓣(抗干擾)等特點。而實現高增益,窄波束。最簡單的就是使用定向天線,比如八木天線和拋物面(單反射面)天線。八木天線尺寸過大而且拋物面天線相比八木天線,更容易實現低副瓣,因此冷戰后早期的機載雷達普遍采用拋物面天線的形式。

          拋物面天線(單反射面天線)。這種天線采用一個較大尺寸的拋物面作為主面,主面前方中心位置一個喇叭作為饋源(正饋),(喇叭也可偏離中心位置,稱為偏饋)。其工作原理與光學里的拋物面鏡頗為類似。工作原理是,當天線工作在輻射模式時,由喇叭輻射出去的球面波打在拋物面上,拋物面把喇叭入射的球面波變換為平面波,使之輻射到自由空間中去。當工作與接收模式時,主反射面將自由空間中傳來的平面波匯聚稱為球面波,并使之“打回”饋源喇叭處。該形式的天線在x波段及以下加工并不困難,結構簡單,成本也不高。但是缺點也很明顯,由于通常拋物面天線在焦徑比(喇叭到反射面的距離與主反射面尺寸之比)較高時,易實現高性能,因而天線的整體剖面較高,體積較大。特別是當天線整體旋轉掃描時,會大大占用機頭空間,因此其掃描角度也較為受限。為了解決這些困難,一種名為“卡塞格倫(Cassegrain)”形式的雙反射面,應運而生。

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          拋物面天線基本構成及工作示意圖

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          拋物面天線基本構成及工作示意圖

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          殲5甲全天候型裝備的sl1型雷達(仿制蘇制РП-1/5型)的天線

          卡塞格倫天線。是一種在單反射面天線形式上改進而來的天線。相比單反射面天線,增加的副反射面可以初步優化喇叭發射出來的電磁波,并使之呈一個更為理想的分布,反射回主反射面,主反射面再將該整形后的球面波變成平面波,并使之輻射到自由空間中去。這樣的優點是能提高天線口徑效率,提高增益,大大降低了焦徑比,降低天線整體的剖面,減小體積。接收機和饋線也變為主面之后,更利于系統的走線布置并降低系統噪聲。但副反射面的引入也會帶來對主面遮擋增加的問題,這會反過來降低天線整體的增益和抬高副瓣電平。

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          Cassegrain天線基本構成及工作原理

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          蘇15截擊機的“鷹”式雷達(РП-11)

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          蘇15截擊機的“鷹”式雷達(РП-11)

          為了解決副反射面遮擋的問題,一種叫做倒置卡塞格倫的天線被提出來并廣泛應用在機載雷達中。倒置卡塞格倫,也被稱為變形卡塞格倫天線。它在卡塞格倫天線的基礎上,將副反射面位置變為極化柵格拋物面,主面位置變為極化扭轉板。(實際上,在倒卡天線中,主、副面位置已經與普通卡塞格倫有明顯不同。)工作原理與卡塞格倫天線有較大區別:位于極化扭轉版處的喇叭饋源,發出的水平線極化電磁波被前方的極化柵格幾乎全反射回來,并將該球面波變為平面波,打在后面的極化扭轉板上,將水平極化波“扭轉”為垂直線極化電磁波,從前方的極化柵格中透射出去,輻射到自由空間中。簡而言之,倒卡饋源發出的波束雖然也經過兩次反射,但是不同于普通卡塞格倫天線,它中間有個極化扭轉的過程。位于天線前方的極化柵格只對水平極化電磁波有遮擋,對垂直線極化波幾乎無影響。這里順便提一下,為了對抗地雜波,機載雷達天線多為垂直線極化天線。它通過適當旋轉極化扭轉板來實現波束掃描。因此,倒卡天線解決了副反射面遮擋的問題,而且還能把饋源和極化柵格稍微偏置,進一步降低了整體天線的剖面。因其特有的優勢,倒卡天線在二代機中很受歡迎。

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          倒卡天線工作原理 前部橫杠處為極化柵格。 后面傾斜45度布置的為極化扭轉板

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          米格-21BIS配套的藍寶石-21雷達使用的倒卡天線 注意其極化柵格未安裝

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          狂風戰斗機AI-24雷達系統采用的倒置卡塞格倫天線

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          Mig25的龍卷風A雷達使用的倒卡天線 其極化柵格面未安裝

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          Su27的n001雷達使用的倒卡天線 同樣,注意其極化柵格面未安裝

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          Su27的n001雷達使用的倒卡天線 注意此為完整狀態,裝上了極化柵格面

          上述天線的基本工作原理都是基于反射面形式,無非是單反射面還是雙反射面,有無極化扭轉等細節上的區別。通過控制喇叭離主面的距離,調整照射錐削等等,易于實現高增益和較低的副瓣。在早期也能夠取得較為滿意的性能。盡管如此,利用反射面形式來工作的天線,雖然加工上要求并不算高(X波段處還算好,到了更高的頻段則難度陡增),成本也能接受。但隨著機載雷達性能的提升,對天線部分也提出了新的要求,比如更大的掃描角度,更低的副瓣以及實現賦形波束。倒卡天線中存在的固有缺陷包括始終會有能量溢漏(這會造成口徑效率的降低,損失增益),掃描時波束的畸變也較為嚴重(主瓣增益下降,主波束變寬,副瓣抬升),并且始終存在天線重量較大的問題。所以大家都認為要奪取制空權的三代機:mig29和蘇27,它們早期都使用了倒置卡塞格倫天線,這多少顯得寒磣。

          我們知道,為了滿足機載雷達高增益窄波束低副瓣的要求,拋物面天線因其結構簡單而被較早使用。還有一種形式上稍微復雜,但性能更為優秀的天線,那就是平面陣列天線。平面陣列天線是一種典型的陣列天線。由數十到數百,甚至成千上萬個小單元天線按照一定規則,間距等,均勻布置在陣列面上。單個單元天線也許波束很寬,增益很低,但是依靠天線陣面上眾多的單元天線,協同工作,就能實現一個很高的增益,窄波束,甚至取得超低副瓣(后期甚至可以升級成為平面相控陣)。因此,平面陣列天線因其優異的性能很快取代了反射面天線,成為了各種三代、三代改、四代機機載雷達系統中的主流?,F在的先進機載雷達——相控陣雷達,幾乎都是使用的平面陣列天線形式。

          常見的平面陣列天線包括波導(平板)縫隙陣,開口波導陣,偶極子陣,Vivaldi天線陣,微帶貼片天線陣等等。

          波導縫隙陣,就是在常見的微波傳輸結構,波導表面開縫(槽),讓小縫隙成為一個天線,將電磁波輻射出去。具有利于和饋電結構匹配的優點,且功率容量較大。機載波導縫隙看起來就像開在平板上的一樣,所以有時也稱為平板縫隙陣。

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          E3使用的APY1雷達采用波導縫隙天線陣

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          F15的APG63雷達使用的平板縫隙陣 外圍突出的是IFF振子天線(陣)

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          F15的APG63雷達使用的平板縫隙陣 外圍突出的是IFF振子天線(陣)

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          F16A/B的APG66雷達使用的平板縫隙陣

          與此類似的還有開口波導陣列天線。開口波導也是利用波導結構,不過不是開槽開縫,而是直接利用波導口面輻射電磁波。因為這種開口波導形式剖面稍大,且重量過重,因此多見于陸基或者艦載雷達,機載雷達較少采用這種形式。

          上面利用波導進行饋電和輻射的結構,利于做天線匹配,功率容量大是其顯著優點。但是天線帶寬往往會受到限制,而且重量難以控制。后續不少新穎的設計逐漸被用在了機載雷達系統中。

          實際上到了冷戰后期,為了讓機載雷達獲得更快的掃描速度和更強大的性能(比如同時實現搜索跟蹤火控制導對地探測等),工程師為機載雷達使用了相控陣天線,且至今仍被視為先進技術。相控陣天線在外觀上和常見的平面陣列天線并沒有太大區別,甚至可以簡單理解為在普通機掃平面陣列天線的基礎上修改饋電結構而得到(后端發射/接收機和信號處理算法當然會有很大變化)。天線單元后端加入移相器可以得到無源相控陣天線(PESA),不喜歡移相器加入TR組件,即可得到有源相控陣天線(AESA)。對于天線工程師而言,同一個天線陣面,即可以做AESA,也可以做PESA。因此,對于平面陣列天線而言,具有很大升級成為相控陣天線的潛力。

          對于升級成為了AESA天線的雷達而言,具有更大的發射功率,更遠的探測距離,更為靈敏的波束掃描和更強大的波束付形功能。獲得個-50、-60dB的平均副瓣也更為容易。

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          以F22為例,這類新一代隱身戰斗機的AESA雷達,喜歡采用偶極子陣列(圖為F22的apg77雷達所用的傘狀偶極子陣)。單元采用偶極子天線,具有寬帶特性,單元方向圖較寬,也容易實現大角度掃描

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          F22的APG77雷達天線

          最前方凸出的很容易被誤認為是TR組件,嚴格來說那個其實是天線表面,TR組件是接在天線后方的(雖然現在TR組件一般和天線加工成一體,但這里仍然區分開來談)

          陣風新款中使用的RBE2 AESA雷達(如下圖所示),則采用了Vivaldi天線陣。這種天線單元的特點是帶寬特別寬,因此整個天線陣列的帶寬可以得到拓展。

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          RBE2 AESA

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          RBE2 AESA

          當然也有些比較特殊的。比如下面這個采用八木天線為單元的E2D預警機使用的APY9雷達。因為相對于其使用的uhf波段電磁波波長長,其天線尺寸非常有限,為了獲得更加理想的窄波束和高增益,它的天線單元波束就得窄下來,因此八木天線成為了一個較理想的選擇。高增益的八木天線作為單元,能夠使陣列的增益有明顯提升。但是事物總是相對的,八木天線較窄的單元波束,大大限制了陣列的寬角掃描能力。當天線掃描角偏離法線較大時,增益的下降和波形的畸變將非常明顯。因此APY9使用了機電掃結合的方式,來彌補不足。

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          E2D APY9雷達使用的2*9單元八木天線線陣

          E2D APY9雷達使用的2*9單元八木天線線陣

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          E2D APY9雷達使用的2*9單元八木天線線陣

          正是相控陣技術的發展,使得機載天線進入了一個全新的階段。

          天線的發展,是雷達整體技術發展的一個縮影。雖然我們并不能根據天線外觀來對雷達性能下定論,衡量雷達的總體性能,但是工程上往往注重系統之間的協調和平衡性。如果一個雷達系統整體性能先進,天線自然不能差了。工程師未來還會繼續攻克諸如相控陣天線大角度掃描(拓展現階段一般是±60度的掃描范圍)、超寬帶、共口徑、共形等等難題,促進機載雷達系統的發展。


          本文網址:http://www.pics-toyama.com/news/373.html

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