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[原创] 雄鹰之眼-浅析我国机载无源相控阵雷达

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小飞猪 发表于 2012-1-19 22:04 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 小飞猪 于 2012-1-19 22:05 编辑

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   近日,网上出现了我国运-8机载雷达试验机和相控阵天线的照片,表明我国机载无源相控阵雷达已经研制成功进入试验阶段。
   从这张照片上面的相控阵天线还有馈源来看,应该是无源相控阵雷达,而有源相控阵采用的是T/R模块,显然不需要馈源来照射天线,而此前已经有人贴出图片,介绍说我国无源相控阵雷达具备电子扫描,可以同时跟踪10个目标,同时攻击4个目标的能力,显示我国的确研制过机载无源相控阵雷达。
   可能许多网友看到这张照片上的相控阵雷达感觉奇怪,这个雷达的馈源在天线的前方,而普通机载相控阵雷达就是一个平面,实际上这表示国产相控阵雷达的馈电式是空间馈电,所谓馈电系统是实现雷达发射能量按特定的需要分配至天线,将天线接收的信号按设计的合成要求传至接收机之间的电磁波传输设备,按照馈电方式分为强制馈电、空间馈电、视频馈电和光纤馈电等,其中后两种因为工作电平较低,所以多用于有源相控阵雷达,而前两者多用于无源相控阵,因此在有些时候,因此看到馈电可以推测出一个相控阵天线的性质。
机载无源相控阵最初采用的是强制馈电,比如前苏联米格-31型截击机配备的S800型相控阵雷达、苏-30MKI使用的BARS无源相控阵等,这种雷达采用波导或者其他手段实现功率分配网张或者功率相加,以完成对发射信号的分配或者对接收信号的相加,它的优点是可以严格口径的幅度和相位分布,天线口径上没有阻挡,功率分配过程中没有泄露,因此天线可以做到高增益、低副瓣,并且在波束扫描范围内,天线的性能变化也比较平稳,不过它也有自己的缺点,首先就是结构复杂、成本高、质量大,S-800雷达的重量超过1吨,而BARS也超过600公斤,几乎是一般机载火控雷达的3-4倍,加上雷达位于机头,距离飞机重心较远,力矩较大,因此对于飞机的性能影响较大,还有就是由于电磁波需要通过环流器、功分网络、移相器等系统才有辐射出去,所以造成系统的损耗较大,所以就会造成雷达功率可能较大,但是辐射出去的功率并不高,这样就会影响雷达的探测性能,根据NIIP的官方的介绍,BARS的电子扫描角度只有40度,低于普通机载火控雷达的60度,笔者认为可能是平面相控阵天线随着扫描角度的增加,会造成有效孔径投影区的减少,降低天线增益,影响雷达的探测性能,加上系统本身的损耗所以BARS雷达在超过40度后,其探测性能无法保证,必须采用机械转动系统弥补,这更进一步增加了雷达的整体重量,所以BARS的整体重量超过600公斤。
针对强制馈电这个缺点,空间馈电就出现了,所谓空间馈电就是用馈源对天线阵面进行照射,由后者接收然后再辐射出去,它的优点就是省掉传输线等对加工要求严格的高频微波器件,同时有结构简单、重量轻、成本低的特点,非常适合对空间和重量要求较高的作战飞机使用,空间馈电方式有两种一种是透镜式,就是它的雷达天线有两部分组成,一个是接收阵、一个是辐射阵,馈源在天线的后方,它发射的电磁波被接收后,然后再通过辐射阵发射出去,它的优点就是旁瓣和后瓣小,因而方向图较好,另外没有馈源和支撑结构阻挡的问题,法国RAFAL战斗机配备的REB2雷达就是这种无源相控阵雷达,不过它的缺点就是结构还是比较复杂,另外结构安装的重心前移,在飞机安装有困难,还有一种就是国产无源相控阵采用的反射式,它的原理的抛物面天线相似,馈源用电磁波照射相控阵天线,天线阵元接收后,经过移相,再用短路器发射出动去,它的优点就是结构和重量低,对器件要求较低,并且结构安装重心靠后,适合作战飞机使用,但是缺点也很大,就是由于电磁波经过发射、接收、再反射,损耗还是低大,另外也存在馈源及支撑结构阻挡问题,解决这个问题只有用偏馈,但是由于受飞机空间小的限制,偏馈有限,所以偏馈带来的改善也比较有限,另外偏馈也会产生波束的灵敏度和精度,国外采用反射式偏馈的有俄罗斯的PERO无源相控阵天线。
我国很早就开始了机载相控阵雷达的研制,1964年,有关厂所开始研制机载无源相控阵雷达样机的研制,但是由于种种原因,相关型号的研制无疾而终,70年代开始为水轰-5研制698对海搜索雷达,其天线就采用了一维相控阵天线,这是我国第一型配备相控阵天线的搜索雷达,1978年完成样机的研制,虽然698型雷达相关技术问题以及载机任务的变化而停止研制,但却为我国研制机载相控阵雷达积累了经验,进入80年代,为了提高机载雷达的探测距离、多目标能力,我国开始机载相控阵转达的研制,从现在披露的雷达样机照片来看,我国早期的机载相控阵雷达采用了空馈,基本上可以确定它是无源相控阵雷达,考虑到当时国内经济技术实力、工业基础和空军装备现状,这种方式是现实的选择,首先空馈方式结构简单、重量轻,加避许多加工复杂的高频微波器件,适合当时国内的技术实力,另外也比较适合中轻型作战飞机配备,与当时空军装备水平相适合,但是考虑到馈源对于反射面的遮挡而产生的副瓣问题,所以我国此型无源相控阵天线采用了偏馈的设计,这样就可以在一定程度上减少遮挡,从而降低天线的副瓣。
90年代以后,为了加快国产机载相控阵雷达的发展,我国与国外进行机载相控阵雷达领域的合作研究,其中引进了俄罗斯的PERO无源相控天线,PERO是俄罗斯仪器仪表研究院(NIIP)研制的,主要是为了改进苏-27系列作战飞机的NO01雷达,它也采用了空馈方式,结构也与;国产无源相控阵天线大同小异,不过一个支撑在上方,一下方而已,根据俄方给出的资料;PERO的直径是1050毫米,天线增益是34DB,副瓣是-34DB,重量是82公斤,NO01换装PERO天线、以及相关的信号/数据处理系统改变为NO01VEPF,探测距离可以增加到190公里,可以同时跟踪12个目标,同时导引4枚R-77E导弹打击4个威胁最大的目标,并且NO01VEPF重量只比NO01雷达增加大约20公斤,对于苏-27最大起飞重量近30吨的作战飞机来说,对其飞行性能几乎没有什么影响,也非常容易调整出来的,根据海外的消息,首部PERO于2001年交付我国进行测试,俄罗斯方面则将其配备在苏-30KN型作战飞机动进行飞行测试,并于2003年完成相关试验,2006年在珠海航展上面,俄方曾向我国空军提出一个基于NO01VEPF的航电升级方案,用于改进我国空军的苏-27SK/-30MKK系列歼击机,但是最终我国空军并没有采纳这个方案。另外俄罗斯自己也没有选择这个方案,在NIIP的官方主页,PERO这个产品已经拿下,显然是个被取消了方案。
究其原因,笔者认为还是空馈因有的缺点,那就是馈源及其支撑对于天线的遮挡问题难以解决,从而对天线及雷达的性能造成较大的影响,我国、俄罗斯及法国不约而同的选择空馈的方式而不是更能发挥天线性能的强制馈电方式,主要还是回避加工难度高的高频微波器件,从而降低雷达的造价、重量和成本,特别是想提高机载雷达的探测距离,提高发射机功率是不二的选择,这样雷达天线馈线就要承受更高的功率,就必须采用而更高功率的波导、同轴线等传输线还要充高压气体以防止高压击穿,在当时电子技术有限的情况下,这些都成为强制馈电方式运用的主要障碍,随着电子技术的进步,这些曾经障碍已经被克服,同时新的器件的体积、重量都更低,而强制馈电对于天线性能影响小的优势显得更加突出,最明显的例子就是俄罗斯最新的IRBIS-E无源相控阵仍旧采用了强制馈电的方式,但是功率更大,如BARS的峰值K5KW,平均功率是1KW,而IRBIS-E的峰值是20KW,平均功率是4KW左右,因此不但电子扫描的角度加大到60度, 探测距离及其他性能也有较大的增加。
从我国的相关情况来看,虽然机载有源相控阵火控雷达已经研制成功,但是从贲德院士的说法;由于现在的T/R模块的成本仍旧较高,所以国产机载有源相控阵火控雷达的价格仍旧较高,所以可能只配备在高档作战飞机上面,而无源相控阵雷达相对简单一些、成本也比较低,因此价格也比较便宜,所以可能空军一些低档作战飞机及出口型飞机仍旧配备机载无源相控阵雷达,另外国内的相关器件也在发展,如栅控行波管的功率已经得到较大的增加,电子元器件的水平也较大的提高,包括印刷板的研制、超大规模集成电路的运用等等都为国产无源相控阵雷达进一步发展打开了空间,因此笔者认为我国国产无源相控阵雷达可能会放弃空馈的方式,而继续采用强制馈电,14所在《机载无源相控阵雷达维修性设计》就曾经指出“典型的无源相控阵天线由“天线辐射单元、波控、馈电网络(行馈和列馈)等组成”,这里似乎已经指明我国机载无源相控阵天线采用强制馈电的方式。

我国发展机载无源相控阵火控雷达还有一点比较重要,就是可能方便的对现有的平板缝阵机械扫描雷达进行升级,就是前面说过NO01VEPF升级用无源相控阵天线和信号/数据系统替代的系统即可,重量也增加不多,因此可能我国一些早期的三代作战飞机如歼-11A,未来的升级可能就会这样的套件进行升级,以便用较小的代价对作战飞机的性能有较大的升级,虽然性能可能不如采用新的机载有源相控阵雷达,但是对付国外改进后的三代作战飞机已经足够。

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icyblue 发表于 2012-1-19 22:11 | 显示全部楼层
居然是沙发。。。

空馈也可以做到高功率啊,AN/SPY-1就是空馈。
yy1129 发表于 2012-1-20 09:33 | 显示全部楼层
本帖最后由 yy1129 于 2012-1-21 10:33 编辑

       机载有源相控阵在全世界已是大趋势,无论MD还是欧洲,包括俄罗斯、印度、日本、韩国都毫无例外地发展装备机载有源相控阵雷达,尤其是MD,已经开始全面普及开花,从高端的四代机F-22、F-35,到新改进的三代机F-16、F-15、F-18,并且大力向其盟国出售装备,那么与其发展装备毫无前途的机载无源相控阵,不如把资金、精力放到机载有源相控阵上面,让它尽快成熟、价格降下来,全面改进、装备三代机、四代机才是正理!
        另:“虽然性能可能不如采用新的机载有源相控阵雷达,但是对付国外改进后的三代作战飞机已经足够。”这句话更是奇怪,现在国外改进后的三代作战飞机都已装备或即将装备机载有源相控阵雷达,既然承认机载无源相控阵在性能上不如机载有源相控阵雷达,那么对付国外改进后的三代作战飞机如何足够?自相矛盾啊!

       附:
      1、目前MD正在研制和开始装备的有代表性的战斗机AESA雷达主要有:
      (1) F-22 机载雷达(AN/APG-77)  
        AN/APG-77雷达是一部典型的多功能和多工作方式的雷达,其主要的功能有:
  ● 远距搜索(RS)
  ● 远距提示区搜索(cued search)
  ● 全向中距搜索(速度距离搜索)(velocity range search)
  ● 单目标和多目标跟踪
  ● AMRAAM数传方式(向先进中距空空导弹发送制导修正指令)
  ● 目标识别(ID)
  ● 群目标分离(入侵判断)(RA)
  ● 气象探测
  雷达可能扩展的功能有:
  ● 空/地合成孔径雷达(SAR)地图测绘
  ● 改进的目标识别
  ● 扩大工作区(通过设置旁阵实现)
       (2) F-35机载雷达(AN/APG-81)
        雷达系统采用最先进的AESA天线、高性能的接收机/激励器、商用的处理机(货架产品)。由于采用了最新的技术成果,大量减少了元器件和内部连接器数目,所以JSF雷达的成本和重量都较其前辈(F-22雷达)有大幅度地降低,重量和价格降低了约3/5,制造和维修也比较简单。MIRFS/MFS 计划要求T/R模块能够实现全自动化生产;可靠性比传统的机械扫描雷达提高一个数量级;后勤保障和全寿命费用降低50%。APG-81采用开放式结构,为将来性能增长提供极大空间。JSF的AESA雷达设计的一条重要原则是必须满足JSF对隐身特性的要求。同时强调必须满足军方提出对JSF的"四性"要求,即:经济承受性、致命性、生存性和保障性。
       (3)F/A-18F 雷达AESA改进型(AN/APG-79)
        APG-79 AESA雷达具有下述功能和特点:
  空对空:
  ·攻击远距目标
  ·通过资源管理器减轻飞行员工作负荷
  空对面:
  ·防区外远距高分辨率地图测绘
  ·同时具有多工作方式工作能力
  可靠性和成本:
  ·系统可靠性增加5倍
  ·自检系统可以把故障隔离到外场可更换模块(LRM)
  ·通过T/R模块的特殊设计实现系统"完美"降级
  ·运营成本大幅度降低
       (4) F-16雷达AESA改进型(AN/APG-80):
       APG-80可以连续搜索和跟踪出现在它扫描范围内的多个目标。此外飞行员还可以同时进行空对空的搜索与跟踪、空对地的目标瞄准以及地形匹配飞行。
  新的波束捷变技术带来了雷达能力的巨大增长,扩展了飞行员对态势的感知能力,使雷达对目标探测距离更远,并具有高清晰度合成孔径雷达成像能力。雷达的可靠性也比传统的机械扫描雷达高数倍。
  (5) F-15改进型雷达(AN/APG-63V2)
       该雷达消除了原来F-15雷达笨重的液压天线驱动系统,雷达的快速扫描和多目标跟踪能力都得到了数量级的增长。提高了飞行员对战场环境的认知能力。该型雷达能够同现有的飞机武器系统很好地兼容。由于作用距离的增加,使得增程的AIM-120的性能得到充分的发挥,并能在更大的视场范围内(方位和俯仰)制导多枚空空导弹,同时攻击多个目标,包括雷达截面积很小的隐身目标,如巡航导弹等。

      2、美国公布对台军售F-16A/B升级的清单----http://www.9ifly.cn/forum.php?mo ... 5&fromuid=10639
        (1)176 套主动电子扫瞄阵列雷达(AESA雷达);
       .............

      3、亚洲将有更多F-16战斗机装备AESA雷达---http://www.cnr.cn/junshi/wqzb/fw ... 0818_508384536.html
           中国台湾现正寻求从美国政府获得F-16升级包,其中包括AESA雷达、瞄准吊舱和导弹。
           除台湾外,韩国、新加坡也在考虑为F-16战斗机换装AESA雷达,新加坡计划让其F-16战斗机至少再服役20年。

       可以说要不了几年,整个中国周边地区的三代机改进型将全面装备AESA雷达,时不我待啊!



点评

我的意思是PESA现在已没有必要搞,世界主要军事大国已没有在研究装备PESA的了,既然承认AESA是大方向,那么还是把资金、精力放在AESA上吧!  发表于 2012-1-20 20:39
三代或者三代改,主要还是机械扫描 PD 雷达,AESA 还是少数。大方向肯定是 AESA,PESA 作为一种过渡手段也无可厚非。  发表于 2012-1-20 11:45
JSTCVW09CD 发表于 2012-1-20 10:12 | 显示全部楼层
看到了LS的天线信号发射体制差异决胜论了。 系统局部的技术实现方式被作为了整体作战性能高低的假设。


混合式PESA和AESA最大区别是什么?
yy1129 发表于 2012-1-20 18:08 | 显示全部楼层
       近日,一组中国出口巴基斯坦的预警机照片现身网络,《兵器知识》杂志社为此特别采访了该预警机常务副总设计师、中国电子科技集团公司的曹晨研究员,就该预警机以及相关知识请其做一解答。

    访谈内容节选:

    记:雷达是预警机的主要传感器。世界上机载雷达的发展趋势是什么?我国的机载雷达技术在世界上属于什么水平?

    曹:目前世界上机载雷达普遍往有源相控阵方向发展无论是预警机上的机载预警雷达还是战斗机上的机载火控雷达,都是这样,这两个领域是机载雷达最主要的领域。我国以机载预警雷达为突破口,实现了机载雷达装备从机械扫描到有源相控阵的跨越,没有搞无源相控阵,在世界上首次装备二维有源相控阵预警雷达,也就是说雷达波束在水平方向上和高度方向上都能电子扫描,由此也带动了战斗机火控雷达装备采用有源相控阵。从时间上来看,以色列和瑞典是较早将有源相控阵预警雷达形成装备的国家,就是大家熟悉的“费尔康”和“平衡木”,美国则是最早装备有源相控阵机载火控雷达的国家,装备在F-22上。欧洲在完成机载预警雷达的有源相控阵应用外,正在装备有源相控阵机载火控雷达,如英国的“狂风”。
       除了有源相控阵之外,机载雷达一个重要的发展方向是数字化。现在的有源相控阵,其收发组件中发射频率的产生器件以及对波束的接收处理都是模拟的,这样收发组件的重量和体积还是过大,在飞机平台上的适装性不好。数字化的收发组件,发射频率从低频到高频的合成是数字的,在接收处理时,在发射频率上直接进行模拟到数字的转换,不仅大幅度降低了重量和体积,而且波束处理非常灵活,可以在干扰方向上自动地形成最弱的接收,这样大大提高了雷达的抗干扰能力和反杂波能力。我国机载预警雷达的数字化水平已经居于国际领先地位
.................

点评

但曹晨说了“我国以机载预警雷达为突破口,.......由此也带动了战斗机火控雷达装备采用有源相控阵”,也说了“目前世界上机载雷达普遍往有源相控阵方向发展”  发表于 2012-1-20 20:32
他说的是电子科技集团没搞无源相控阵  发表于 2012-1-20 19:22
景云都尉 发表于 2012-1-21 00:14 | 显示全部楼层
港湾这几天蛮冷清,CD那边楼主的此帖成了个别几个ID的口水池。。。郁闷。。。
huyue0013 发表于 2012-1-21 01:04 | 显示全部楼层
顶飞猪!!
yy1129 发表于 2012-1-21 08:16 | 显示全部楼层
本帖最后由 yy1129 于 2012-1-21 16:08 编辑

关于AESA和PESA之争,本人不再发表意见,最后转发一下liuchaojiann 网友的观点:
“电扫的真正好处是多目标跟踪和制导,采用PESA是牺牲探测性能,尤其是下视性能为代价的,以换取多目标攻击能力,机扫虽然也能多目标攻击,但前提是目标集中在一个很狭小的空间内,才能满足数据更新率,如果不要求太高的多目标攻击能力,机扫才是合理的选择,PESA已是很落后的技术,现在已无发展的必要,如果你们有兴趣,可以翻一下期刊现代雷达,你就明白,雷达学界现在研究的是MIMO雷达,至于T/R模块生产技术和工艺的成熟,价格自然会下降,MD最初生产价格也很高,电子产品就是这样,批量上去了,价格就降下来了,国内在S波段以下的T/R模块生产技术和工艺已很成熟了.”
------http://www.9ifly.cn/forum.php?mo ... 31653&fromuid=10639
dift58 发表于 2012-1-21 10:45 | 显示全部楼层
本帖最后由 dift58 于 2012-1-21 10:53 编辑

看来很多人不能接受中国AESA还未研制成功,PESA也只是在样品试验阶段,指标还不如俄罗斯十年前的PESA这个事实目前能证实,有图有实物的就是无源相控阵雷达,其它,就是YY

                               
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点评

有这样刷白的战忽局好同志,也不错。  发表于 2012-1-21 11:22
看来有些人还是不能接受中国AESA已经研制成功的现实。  发表于 2012-1-21 11:12
 楼主| 小飞猪 发表于 2012-1-21 14:28 | 显示全部楼层
军用电子元器件手册P132已经说明了国产机载AESA火控雷达及其T/R模块的技术水平。
在这种情况下,还说俺国莫有AESA,就有点搞笑了

点评

在周边国家和地区三代机改型都已或即将装备AESA雷达的情况下去谈中国发展PESA雷达的重要性就更加搞笑了!  发表于 2012-1-21 16:14
turboram 发表于 2012-1-21 16:31 | 显示全部楼层
dift58 发表于 2012-1-21 10:45
看来很多人不能接受中国AESA还未研制成功,PESA也只是在样品试验阶段,指标还不如俄罗斯十年前的PESA这个事 ...

你还是去种花网合适。
冲压 发表于 2012-1-21 17:24 | 显示全部楼层
土鳖别的不说,电子设备我比较乐观,相信我们已经有AESA了
JSTCVW09CD 发表于 2012-1-21 18:37 | 显示全部楼层
景云都尉 发表于 2012-1-21 00:14
港湾这几天蛮冷清,CD那边楼主的此帖成了个别几个ID的口水池。。。郁闷。。。

所以,有些ID就是有倾向把在其他论坛的某些习惯带到航天港来。

觉得航天港是以对称公开资料为基础进行探讨并进行延伸讨论的地方。

不是臆想和个人意念相争的场所。
星下雪 发表于 2012-1-23 10:34 | 显示全部楼层
其实就是10B的那个寄生IFF天线的争论。小飞猪同志已经解释得非常清楚了。
liuchaojiann 发表于 2012-1-23 20:23 | 显示全部楼层
无源相控阵雷达的旁瓣较高,而脉冲多谱勒要求超低副瓣,所以第三代战机的脉冲多谱勒雷达的主流天线是平板缝隙天线,如果我们要在第三代战机装备无源相控阵雷达早就装备了,不会等到现在,单脉冲体制的无源相控阵雷达使用于对地,海探测,可以用于轰炸机,运输机等,美帝的B2,我们的水轰5就装备过,无源相控阵雷达与平板缝隙天线相比,除了多目标跟踪能力强外,其他性能均不如,尤其是下视性能.
liuchaojiann 发表于 2012-1-23 20:28 | 显示全部楼层
楼主的照片一看就知道,实验的雷达是用于低速飞机的,雷达罩是钝头的
图兰朵 发表于 2012-1-27 16:33 | 显示全部楼层
机载无源阵还有搞的意义吗
望天观海 发表于 2015-2-22 17:24 | 显示全部楼层
对中国的器件水平,无源相控阵的难度并不低,性能差得远;
想省钱,传统缝隙天线继续完善还可以用;
再搞这个简直莫名其妙。
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