电视中经常提到的有源相控阵雷达和无源相控阵雷达有什么区别?
─▥电视中经常提到的有源相控阵雷达和无源相控阵雷达有什么区别?
最近几年,随着我国军事实力的大幅度提高,各种各样的先进雷达也进入了人们的视野。其中又以相控阵雷达出境最多。再加上因为反隐身战机需要而曝光率明显增加的各类米波雷达,不禁让人疑惑,有源相控阵和无源相控阵雷达有什么区别?而米波雷达和普通的相控阵雷达又有着怎样的差异?
简单来说,有源相控阵雷达是由数百到上千个不等的发射/接收单元组成的,简称其为T/R模块。这些TR模块都可以独立发射、接收雷达波信号,并在相关算法的加持下进行协同工作。有源相控阵雷达采用平板式雷达阵面,雷达波的损耗量较小。并且在部分T/R组建损坏时,其仍旧能照常工作。但是其T/R组件采用的原料较为稀缺,且报废率高,因此有源相控阵雷达的造价和使用费用是十分高昂的。
而无源相控阵雷达则是通过组成系统,接收外部发射机的反射信号。没有数量众多的发射组建意味着其造价将会大大降低。制造工艺的简单化使得在战时可以进行快速补充。同时,其可以使用不同波段的发射机进行工作,工作方式相比于有源相控阵来讲灵活了不少。但是其本身又较为娇贵,一旦一部发射机损坏就会导致整部雷达瘫痪。
而米波雷达,则是采用了不同波段雷达波的雷达。世界上目前主流的雷达绝大部分都是工作在毫米波段,这就让各国五代机在无法做到全频段隐身时不约而同的选择了毫米波段隐身。正因为如此,各国在开发反隐身雷达时都选择了米波。米波雷达的衰减较小,有着较远的探测距离。但是其探测精度较低,通常情况下只能探测到隐身战机的大体方位。
总的来说,没有一款雷达是完美的,真正的防空作战都是多种雷达结合,互相补充、形成一个完善的作战网络,只有一种武器是无法保卫天空的。叙利亚近几日被炸毁的反隐身雷达就说明了,只能用米波雷达发现隐身战机的方位并不足以击落敌机,需要其他雷达、导弹的配合,才能完成作战。
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简单的来说是这样的,我们首先要知道相控阵雷达是由几百个到数万个辐射单元和接收单元组成。这些最基本的元件经过排列组合形成了多个阵列天线,每个阵列天线相当于独立的传统雷达。多个阵列天线可以同时向不同方向搜索、追踪目标。有了这个装备,四代机、五代机,中华神盾舰什么的才可以同时捕捉、追踪、攻击多个目标,战斗能力才能由点防御变为区域防御。
而无源相控阵雷达虽然有成百上千个信号接收元件,但却是依靠一个放大器来被动的调整功率大小。相反,有源相控阵的每一个天线元件都有自身的放大器,那么有源相控阵雷达的变化性、多功能性就更为厉害。无源相控阵的技术在上世纪80年代就已经成熟,主动有源相控阵直到90年代末才逐步的装备在战机、舰艇、地面雷达站上。通俗点可以这样讲,无源相控阵就相当于2000年的诺基亚,而有源相控阵就是苹果7plus。
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无源相控阵雷达,与传统雷达一样,只有一个发射接收核心设备。而所谓的相控阵面,有一个个单元组成,每个单元不过是用于具体控制分配给自己的那一部分雷达波能量,自身并不能产生雷达波。
有源相控阵雷达,则是由大量能够自行产生雷达波的单元组成的,又称T/R单元。因此,它把传统上唯一的发射接收核心设备,改为无数个发射接收设备的组合。这一体制的雷达可以更为有效的控制雷达工作状况,满足同时搜索探测大量目标的更高要求,可靠性更好,性能比无源相控阵雷达更进一步。
中国已经有了多种极为出色的有源相控阵雷达,例如空警系列预警机,率先使用了有源技术,使其比美军E-3等预警机在雷达体制上遥遥领先。
中国除了研制各种有源相控阵雷达之外,已经世界首创性的在机载有源相控阵火控雷达上,运用了风冷散热技术。
给战机装备相控阵雷达,有很大的吸引力 —— 它取消了复杂沉重不可靠的天线机械转动机构,波束指向快速灵活,数据更新速率快,方便与数字式信号处理系统整合,工作模式切换快,可靠性高,抗干扰能力强。
例如美军F-15战斗机最重要的升级设备之一:APG-63(V)3雷达,它是传统的APG-63雷达逐步升级而成的有源相控阵雷达。
但这一崭新的雷达技术,一直存在冷却上的难题 —— 当然,各个军事大国在全新设计的现代战斗机有源相控阵雷达,已经有力的解决了冷却问题。
可是如果需要用有源相控阵技术,改进升级现有战斗机的现役雷达,难度就大多了。
法国阵风战斗机的RBE2AA有源相控阵雷达,全新设计,冷却问题已经解决
在改进、升级现役雷达时,为了节省成本和加快升级过程,常常保留现役传统脉动多普勒火控雷达主体部分,仅将传统天线等发射接受部分改为使用有源相控阵技术,这时解决散热问题的技术难度很大 —— 传统雷达并没有考虑有源相控阵的巨大发热量,而现役战斗机、现有雷达的结构、供能都无法大改。
在外国的一些战机、导弹有源相控阵雷达中,采用了非风冷方式,例如日本AAM-4B空空导弹的雷达,它的散热设计能耗较高,因此设计上增加了携带的燃料,以满足供能需求。
在这一前提下,风冷方式有着简单、耗能少、成本低等特点,但是风冷传统上效率较低,因此在现役战斗机各种限制下,长期存在无法满足战机有源相控阵雷达冷却的需求。而中国军工行业的这一突破,化解了相关难题。
AAM-4B空空导弹使用相控阵雷达,因此没有转动天线的机械部分
散热冷却问题,被公认为相控阵雷达的研制难关,而战机、导弹上的相关雷达难上加难。战机航空电子设备有大约一半来自于高温问题,雷达也不例外。特别是在限制特别多的战斗机、导弹导引头上,因为天线阵中负责收发信号的T/R组件密度大,全部集中在一个平面上,间隔只能是波长一半左右(在X波段间隔必须只有15mm左右,而且这是两个组件中心算起的间隔,组件边缘间距要更小)。
按目前技术水平,假如相关效率为25%,一个常见的导引头相控阵雷达天线产生好几百瓦的热量,战机机载有源相控阵雷达热量只会更大。可以想像在狭小空间内要传走几百瓦热量,对风冷技术要求极高。
导弹上的雷达空间有多小?左边是俄罗斯R-27R/ER导弹使用的9B-1101K单脉冲半主动雷达,中间为R-77主动雷达空空导弹的9B-1348E雷达,右边是R-27AE上的9B-1103K主动雷达。它们都必须安装在少于200毫米的狭小空间内。
这也是为什么世界上还没有几个风冷的同类雷达。甚至在许多专业著作中,明确指出这一级别的有源相控阵雷达,“不宜采用自然散热或风冷”方式,而应使用热管等其它方式。具体手段包括把天线整体浸入液冷系统中,或使用固态散热、循环液体导热技术,但这些方法都不太适合于改造现有传统雷达。
解决风冷技术问题,还对增大有源相控阵雷达探测距离有着决定性的意义 —— 按照目前的技术水平,有源相控阵雷达虽然有着巨大的优势,但即便它的总功率增加10倍,使用集中波束探测时,有效距离却只能增加0.87倍。也就是说,想要增加探测距离,总功率就要大幅度增加,但随之而来的散热问题更为困难。中国军工人解决了风冷方式技术问题后,使得增加探测距离的难度显著降低。
如前所述,有源相控阵雷达的好处远不止探测距离远,散热冷却问题的缓解将令中国军工行业能在更多的战机、导弹上发挥这一探测手段的优秀性能,全面提高战斗力。
中国航空工业雷达所在有源相控阵雷达风冷问题上的突破,也使得中国军工更为解决彻底解决“共形有源相控阵雷达”的技术难题。
共形有源相控阵雷达的优点在于,它的天线不再限制为机头安装的单一天线阵列,可以在机身各个位置,包括侧向机身表面、宽度极大的机翼前缘正面安排有源相控阵T/R收发组件,这对于改善整体雷达探测能力有着突破性的意义 —— 仅仅能够将多个雷达天线安排到更大的距离上这一点,就能令整体探测能力显著提高,特别是在针对隐身战斗机的无线电信号被动定位等领域,会获得前所未有的出色能力。
据称苏-35战斗机机翼前缘装有有源相控阵雷达天线
不过,在各种非传统的机身位置上安装有源相控阵雷达T/R组件,散热难度要比在机头安装雷达更大 —— 这时候中国最新风冷技术的优势就凸显出来了,它比热管等方式更为易于安排,非常有希望解决狭窄位置,例如机翼前缘的T/R组件散热问题。
此外,战斗机、导弹需要高速飞行,特别是在空空导弹上,气动加热对雷达相关位置的影响,也必须考虑进去。有了风冷技术的突破,战机、导弹也不再需要为了头部巨大的雷达天线而牺牲气动、隐身性能,可以更为灵活的选择最佳的气动设计。
下图中的歼-8II战斗机,虽然已经相当老旧,但如果能改为使用具备有源相控阵技术的改进型雷达,仍有一定价值。
综上所述,中国航空工业雷达所的最新风冷机载有源相控阵雷达技术,显然意义不局限于改进现役战斗机,还对未来探测能力更为强大的空空导弹与机载共形雷达发展,有着决定性的作用。
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首先要知道相控阵雷达的工作原理,它是利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面,每个天线单元都由独立的移相开关控制,通过控制各天线单元发射的相位,就能合成不同相位波束,经过波速的传播进而完成侦测扫描任务。
有源相控阵雷达和无源相控阵雷达的区别单从字面就不难看出,一个有源一个无源,简单说就是有源相控阵雷达由于每个辐射器都配装有一个发射/接收组件,能自己产生、接收电磁波。而无源相控阵雷达仅有一个中央发射机和一个接收机,发射机产生的高频能量经计算机自动分配给天线阵的各个辐射器,相对有源来说,不仅发射/接收组件少,中间还多了一个传送处理数据的过程,在功率、效率、波束控制及可靠性等方面不如有源相控阵雷达,从这点相对来说无源相控阵雷达的技术难度也要小得多。
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有源相控阵雷达(AESA)和无源相控阵雷达(PESA)都是属于电扫雷达,什么是电扫雷达呢?通俗来说,就是雷达天线不需要机械扫描结构转动摆动,就可以将雷达信号波束的扫描角度发生改变,实现雷达扫描不同角度方位的目标。
但是有源相控阵雷达,并没有传统雷达的收发机,而是以T/R收发组件替代。
AN/APG-77型有源相控阵雷达
无源相控阵雷达和脉冲多普勒雷达技术上接近都是由雷达信号发射机、信号接收机、控制盒、雷达计算机(处理器)以及低射频组合和雷达天线组成。
AN/APG-66型
但是无源相控阵雷达在发射机上有若干个小的信号辐射天线,在雷达波束信号经过雷达计算机计算,分配到雷达信号发射机,在由若干个小的信号辐射天线发射之后,雷达信号波束,作为爬行波打在目标物上,然后形成反射波后,雷达信号接收机统一接收并放大信号。
N011M“雪豹”型无源相控阵雷达
所以在结构上无源相控阵雷达依然跟脉冲多普勒差不多,都是只有一个发射机和接收机,但是在雷达天线表面,设置有若干个信号天线,这些小天线与发射机相连,这也是与脉冲多普勒不一样的地方,所以无源相控阵雷达理论上可以不需要像脉冲多普勒那样,通过偏转雷达天线,就可以实现雷达信号波束,扫描角度的改变。
说完了二者区别,那么两者孰优孰劣,其实可以从几方面讲。成本方面无源相控阵雷达可以通过加装小的辐射天线,修改算法和工作方式来达到,具有成本低、技术门槛低、技术风险小的特点,这是它的优势。
N035E“雪豹-E”型
劣势就是抗干扰、精度、可靠性不足,由于无源相控阵雷达本质上,就是脉冲多普勒雷达技术的妥协产物,远没有有源相控阵雷达很强的抗干扰性和可靠性和精度。
后者几百上千个由砷化镓或氮化镓制成的T/R组件贴片封装到一起,假如出现10%故障率对雷达性能影响几乎忽略不计,如果故障率出现30%雷达性能,系统增益也就降低3 Bd左右,还可以维持基本工作能力,可靠性这一点上远优于无源相控阵雷达。
AN/APG-83型有源相控阵雷达
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