毕业论文（设计）
相控阵雷达的发射和接收机制分析
学生姓名：杨雨杭
指导教师：姜国兴（副教授）
合作指导教师：
专业名称：通信工程
所在学院：信息工程学院
2013年5月
目录
摘要 (4)
Abstract (5)
第一章前言 (6)
1.1 研究目的和意义 (6)
1.2 国内外研究现状 (6)
1.3 研究内容和方法 (6)
第二章雷达原理 (8)
2.1 相控阵雷达的原理 (8)
2.2 相控阵雷达的特点 (9)
2.3 相控阵雷达的分类 (9)
第三章相控阵天线的分析 (11)
3.1 相控阵天线的简介及应用 (11)
3.2 相控阵天线的基本原理 (11)
3.3 相控阵基本特性 (17)
3.4 相控阵天线馈电 (21)
3.5 多波束阵列天线 (21)
第四章雷达发射和接收机制分析 (23)
4.1 雷达发射机制分析 (23)
4.2固态发射机 (25)
4.3 脉冲调制器 (26)
4.4 雷达发射机的主要质量指标 (26)
4.5雷达接收机制分析 (28)
4.6 接收机工作的考虑因素 (30)
4.7 接收机前端 (33)
4.8本振 (33)
4.9增益控制放大器 (37)
4.10 滤波 (38)
4.11 雷达接收机的主要质量指标 (39)
第五章结论 (41)
致谢 (42)
参考文献 (43)
摘要
在当代，雷达的应用越来越广泛，从事雷达研究和开发的人也越来越多。本论文对雷达的工作原理进行了分析，便于帮助大家了解掌握雷达的基本信息。
本论文第一章主要讲述了研究相控阵雷达的意义，目前国内外此领域的发展现状等。第二章介绍了相控阵雷达的原理、分类、和优缺点。第三章着重分析相控阵天线的特点，与其他天线的比较，以及相控阵天线的原理、算法等。第四章具体阐述了雷达的发射机和接收机，分别讨论他们的各个组成部分，技术指标，工作原理等。最后对于全篇进行了总结，对未来的发展进行了展望。
关键字：相控阵雷达，发射机，接收机
Abstract
in modern times, the radar application is more and more widely, is engaged in the radar research and development are also more and more. This paper analyses the working principle of radar, easy to help people grasp the basic information of the radar.
In this paper the first chapter focuses on the research significance of phased array radar, the present situation of this field at home and abroad, etc. In the second chapter introduces the principle of phased array radar, classification, and the advantages and disadvantages. The third chapter focuses on analysis the characteristics of phased array antenna, compared with other antenna, and the principle of phased array antenna, algorithms, etc. The fourth chapter elaborates on the radar transmitter and receiver, respectively discussing their various part of technical indicators, working principle and so on. Finally to summarized as a whole, for the future development was prospected.
Keywords: the phased-array radar, transmitter，receiver
第一章前言
1.1 研究目的和意义
自1922年雷达诞生至今，科学技术的不断发展和需求的不断变化，都在促使着雷达的迅速发展。特别是近些年，雷达在综合化的过程中发生了很大的改变。相控阵雷达在军事和民用上的应用对于国防和发展有着重要的意义，了解掌握相控阵雷达的发射和接收机制，对实现国家的进步和富强有着深远意义。
1.2 国内外研究现状
数字化技术被应用在传统相控阵雷达的T/R组件中，最早有报道的为1995年来自英国ＲＯＫＥＭＡＮＯＲ研究中心的T/R数字组件，并用此数字组件构建了一个有源相控阵天线，实验验证了数字波形的生成以及数字延时的实现。之后，美国海军研究中心（NRL，Naval Research Laboratory），美国海军的水面武器中心（NSWC，Naval Surface Warfare Center）等开始了对数字T/R组件的研究。
2001年在美国海军的支持下，由美国麻省理工学院（MIT）的林肯实验室（Lincoln）牵头，在海军研究中心，和海军水面武器中心的参与下，完成了一个96阵元L波段DAR实验系统。在该实验系统的T/R组件中，用数字方法实现了发射波形的数字产生和数字延时，并在DAR中用数字光纤传输方式实现了阵面与雷达主机间的信号传输。
在此基础上，林肯实验室于2003年完成了一个S波段宽带DAR实验系统，实验系统由一个发射源，16个接收通道构成。采用线性调频（LFM）波形方式，利用该实验系统，除对宽带数字波形产生等基本问题进行研究外，还特别对宽带接收时的拉伸处理（stretch processing）技术、宽带延时补偿、宽带均衡等关键技术进行了深入研究，取得了较好的实验结果。
在中国,电子科技大学从上世纪初的90年代中期,装配、中电集团和其他支持,进行了关键技术研究的一个数量的相控阵雷达。此外,电子科技大学的同时也增加了基金进行科学研究,从2003年初开始,理论研究在宽带数字阵列雷达技术,在方案的系统、单元模块电路,已取得一定进展。华东电子技术研究所研究窄带数字T / R模块和数字延迟窄带数字波形是由数字实现方法,完成了8单元阵列收发机实验,电子科技大学的参与系统。但到目前为止,研究宽带数字阵列雷达系统的在国内是无法完成的。
1.3 研究内容和方法
主要研究相控阵雷达的原理、结构、分类，发射和接收机制的分析等。主要内容有相控阵雷达的原理、分类、优缺点；相控阵天线的基本原理，一维扫描阵、二维扫描阵的原理、算法，主瓣、副瓣宽度，主瓣副瓣电平等。研究内容还有发射机接收机的各组成部分的研究，如本振，固
态发射机等。
第二章 雷达原理
2.1 相控阵雷达的原理
相控阵雷达（Phased Array Radar ）即电子扫描阵列雷达（active electronically scanned array ，AESA )，是指一类通过改变天线表面阵列所发出波束的合成方式，来改变波束扫描方向的雷达。这种设计有别于机械扫描的雷达天线，可以减少或完全避免使用机械马达驱动雷达天线便可达到涵盖较大侦测范围的目的。
图1 雷达工作示意图
我们知道，蜻蜓的每只眼睛由无数个复眼组成，每个小复眼都能完整成像，这就使蜻蜓比人能看到的范围大了许多。类似的，相
控阵雷达的天线阵
面也是由无
数个接
收单元和辐
射单元（也
可称为阵元）组成，雷
达的功
能控
制单元数
目，可以从几百到几万个。这些单元在平面上规则
排列，构成阵列天线。利用电磁波相干原理，通过电脑控制馈往各辐射单元的相位电流，就可以改
变波
束的方
向进行扫
描，我们称之为电扫描。
图2 英国皇家海军45型驱逐舰的桑普森相控阵雷达
图3 美国NMD系统的陆基相控阵雷达
2.2 相控阵雷达的特点
相控阵雷达主要应用在军事上，因为其有以下几大优点：
（1）能对付多目标。电子扫描的灵活性、速度和时间分割原则或使用多波束相控阵雷达,可以实现跟踪而扫描模式,结合电子计算机,也可以搜索、检测和跟踪不同方向、不同高度的多个目标,也可以引导导弹攻击多个目标。因此,适合多目标、多层次、全方位空战环境。
（2）功能多，机动性强。相控阵雷达也可以形成一个多元化的独立控制的梁,是用来执行搜索、探测、识别、跟踪、目标跟踪、辐照和制导导弹和其他功能,相控阵雷达可以发挥特殊的作用,但也更雷达比他们还可以处理目标。因此,可以大大减少设备的武器系统,以提高移动系统。
（3）反应时间短、数据率高。相控阵雷达可以不需要天线驱动系统、光束指向灵活,能实现无惯性的扫描,从而缩短目标信号检测,入学,如信息的传播需要时间,高数据率。在相控阵天线通常是采用数字模式下,雷达和数字计算机在一起,可以大大提高了自动化程度,简化了操作,缩短了雷达目标搜索、跟踪和控制准备时间,方便、快速、准确的实现程序和数据处理的雷达。所以它可以提高跟踪机动目标的能力高的空气。
（4）抗干扰能力强。多数辐射元素可用于相控阵雷达天线孔径分布的集成到功率非常高,并能合理的能源管理和控制主瓣增益,可以需要根据不同的方向分布的不同的发射能量,容易实现自适应旁瓣抑制和自适应抗干扰,有利于找出远离目标和小型雷达反射器的目标(如隐形飞机),也可以提高抗辐射导弹的能力。
（5）可靠性高。数组是相控阵雷达,用于并行,甚至一个小数量的组件失败,仍然可以正常工作,所有的突然失败的可能性最小。此外,发展固态设备,越来越多的固态相控阵雷达,甚至产生了所有固态相控阵雷达,如美利坚合众国。“爱国者”雷达、平均故障间隔时间的天线长达150000小时,即使有10%的单位损坏不会影响正常运行的雷达。 [1]
2.3 相控阵雷达的分类
相控阵雷达又分为有源（主动）和无源（被动）两类。事实上,主动和被动相控阵雷达天线阵列是相同的,两者的区别主要是大量的传输/接收元素。无源相控阵雷达只有一个中央发射机和接收机、发射机的高频率能量生成的计算机自动分配到每个散热器天线阵列,目标反射信号接收
机统一放大(这种区别与普通雷达小)。每个散热器有源相控阵雷达装备有一个发送/接收模块,每个模块可以产生自己的、接收电磁波,因此在频宽、信号处理和冗余设计比无源相控阵雷达有更多的优点。正因为如此,也使得有源相控阵雷达是昂贵的,工程难度。但有源相控阵雷达在功能上有独特的优势,多取代的无源相控阵雷达的趋势。
第三章 相控阵天线的分析
3.1 相控阵天线的简介及应用
相控阵天线是依靠控制阵元的馈电相位来实现波束扫描的阵列天线。在科技不断完善、不断进步的今天，数字相移器性能不断改进，相控阵天线以其扫描快速、波束控制灵活等优点在雷达天线中得到广泛使用。在许多场合需要使用方向图较尖锐和增益较高的天线，比如说点对点通信、雷达，解决的方法是使用某些方向图较尖锐的天线例如抛物线天线，还有用某种弱方向性的天线按一定的方式排列起来组成天线阵，相控阵雷达使用的就是这种天线。
在相控阵天线是由阵列天线。阵列天线通常是由一个多数的偶极天线元素。这个偶极天线是天线是很常见的,它几乎是没有定向天线模式,所以天线增益不高,在自由的空间增益约为6 db 。为了使天线增益高,所以规则的多个偶极天线元素安排在一起,聚集成一个巨大的天线阵列。一开始,交流和一些其他科学领域,为了点改变波束天线阵列、信号改变每一天线路单元的阵列相位关系,相控阵天线最初。这一原则已广泛应用于雷达、直到今天形成的蓬勃发展相控阵雷达。相控阵天线有多种形式,一个线阵、平面阵、圆阵、圆柱形、球形阵列和阵列共形阵列。
3.2 相控阵天线的基本原理
3.2.1 一维扫描阵
一个由无方向性阵元组成的间距为d 的N 元直线阵，激励各阵元的电流振幅相同，但相位沿阵方向按等差级数递变，各天线元之间的相位差为d α?=，阵方向函数为：
θ
αθsin 100)(jknd d jn N n e
I F +-=∑=
若
s d k d θα?sin 0-==
上式改变为
)
sin (sin 1
000)(s d jnk N n e
I F θθθ--=∑=
图4 一维相控阵
当s θθ=时，激励电流引入的相位差与波程引起的相位差相互抵消，各阵元的辐射场同相叠加，使该方向成为最大辐射方向。只要在各阵元上加一相移量分别为s d nk n θ?sin 0-=的相移器，主瓣方向将随阵元间相位差?的改变而改变，实现了空间的扫描。阵方向函数是：
[][])
sin (sin sin )sin (sin sin )(021021s s d k d Nk F θθθθθ--=
这个公式除了在s θθ=处有最大值外，在),2,1
()sin (sin 021 ±±==-m m d k s πθθ即d
m s 0sin sin λθθ±
=时也会出现最大值，这些最大值即栅瓣。为了让可见区22π
θπ<<-范围
内不出现栅瓣，应使πθθπ<-<
-)sin (sin 210s d k ，即s
d θλs i n 11
0+<将s θθsin sin -在s θ附近用泰勒级数展开得s s s s s θθθθθθθθcos )sin(cos )(sin sin -≈-≈-，从而阵方向函数可变为：
[][][][])sin(cos sin )sin(cos sin )(cos sin )(cos sin )(0
102101021s s s s s s s s d k d Nk d k d Nk F s θθθθθθθθθθθθθθθ--??→?--=→
在s θ附近上式可以看成阵长为s Nd θcos ，法线方向为s θ方向的边射阵的阵因子。我们从中看出扫描的影响等效于使阵投影到与扫描角s θ垂直的平面上，从而阵的有效长度减小，主瓣宽度
变宽，主瓣宽度展宽因子是s θcos 1。 3.2.2 二维扫描阵
二维扫描阵的各单元通常配置在一个平面上，等间距平面阵可以说是最简单的二维相控阵。如图为一平面阵，该阵由沿x 方向的M 个无方向性阵元和沿y 方向的N 个无方向性阵元组成，共有M*N 个阵元。x 方向阵元间距为x d ，y 方向阵元间距为y d 。
图5 等距平面阵
激励各阵元的电流振幅相同，但相位沿y 方向和x 方向按等差级数递变。设空间任意方向与x 、y 轴的夹角分别为α和β。阵元激励电流沿x 、y 轴之间的相移分别为s x x d k αψcos 0=和
s y y d k βψcos 0=，即阵的主瓣方向在s α、s β上，阵方向函数为：
∑∑==-+-=M
m N
n d jnk d jmk s y s x e
F 00
)
cos (cos )cos (cos 00),(ββααβα
[][][
]
[]
y
y y y x x x
x d k d Nk d k d Mk F ττττβα021
021021021sin sin sin sin ),(?=
式中s x αατcos cos -=，s y ββτcos cos -=。
方向图的最大辐射方向),(s s βα决定于相邻单元间的相位差x ψ和y ψ，即：
x
x
s d k 0cos ψα=
，y
y
s d k 0cos ψβ=
为了研究波束的扫描特性，定义复数βαcos cos j T +=，则最大值为其复平面T 上的一点
s s s j T βαcos cos +=，此时阵因子为：
∑∑==-+-=M m N
n T T d jnk T T d jmk s y s x e
F 00
)
Im()Re(00),(βα
图中坐标),(βα与极轴)0(=θ指向阵列法线方向的球坐标系),(?θ中有下列关系：
?θαcos sin cos = （1） ?θβsin sin cos = （2） βαθ222cos cos sin += （3） α
β
?cos cos tan = （4）
当波束在空间扫描时，s T 改变，画在T 平面上的方向图将在T 平面上移动，形状是不发生变化的。T 平面上的店恰好就是球坐标系),(?θ中单位球面上的店在T 平面上的投影。我们作如下代入，将（1）与（2）代入βαcos cos j T +=，得到T 与球坐标系),(?θ的关系是：
?θj e T sin =
我们知道θsin =T ，那么T 平面也称θsin 平面。在T 平面单位圆以内的区域满足
1cos cos ,1sin 22≤+≤=βαθT ，即20πθ≤≤，波束位于可见区内，称为实空间。单位圆
以外的区域为不可见区，称为虚空间。
图6 单位球在T 平面上的投影示意图
利用T 平面可以轻松的研究波束扫描时方向图的变化。我们再通过T 平面来求证一下波束扫描时是否出现栅瓣。
已知在空间某方向上出现波瓣最大值的条件是：
x
s x d m
cos cos λαατ±=-=， ,2,1,0=m （5）
y
s y d n
cos cos λββτ±=-=， 2,1,0=n （6）
式中m=0，n=0对应主瓣，m>0，n>0对应栅瓣。
在T 平面上我们容易根据间距x d ，y d 得到主瓣和栅瓣在空间的位置及波束扫描的变化。 我们通过一个具体例子来解释：
设阵中各单元之间的间距为0λ==y x d d ，波束最大值（主瓣和栅瓣）在T 平面上αcos 和
βcos 方向的间距为1==y x ττ。当把方向图的主瓣指向阵列平面的法线方向时，
0cos cos ==s s βα，T 平面原点有主瓣的最大值，在单位圆可见区内一共有5个最大值，见下
图的左图中的实心点所示。这5个最大值中1个是位于单位圆中心的主瓣T ，其余4个是位于单
位圆边缘的栅瓣。当波束扫描时，若πψπψ-==y x ,，又5.0cos ,5.0cos -==s s βα，则此时主瓣最大值s T 从原点移向（0.5，-0.5），其他几个最大值都要作相应的平移，平移的方向和s T 相同。
图7 波束扫描时方向图主瓣和栅瓣在T 平面上的位置
我们可以从下图观察到，此时单位圆即可见区内只有3个栅瓣。若y x d d =略小于0λ，波束最大值在T 平面上αcos 与βcos 方向的间距略大于1，原来单位圆边缘上的栅瓣移出单位圆，因此扫描前可见区内没有栅瓣，但扫描后可见区内出现栅瓣。若间距变为320λ==y x d d 时，波束最大值在T 平面上αcos 和βcos 方向的间距为5.1==y x ττ，主瓣及栅瓣在T 平面上的分布如图，此时扫描前后可见区内都只有一个主瓣没有栅瓣，利用T 平面可以轻易发现扫描期间不出现栅瓣的条件。
3.2.3 阵元间的互耦
口径匹配
当两个辐
射单元相
距较远时，它们之间的互
耦是比较小的，互
耦对单元阻
抗和方向
图的影
响可以忽
略不
计。但当两个辐
射单元靠得很近时，它们之间的互
耦就不能忽
略了。相控阵中阵元之间的间距一般都小于一个波长，所以我们一定要考虑互耦的影响。单元之间的间距，单元的方向图、单元的排列方式及单元在阵中的位置等都影响单元间互耦的大小。
举例如下：偶极子的方向函数为θcos ，则此两偶极子共线排列时耦合较松，平行排列时耦合较紧。在大型天线阵中处于中心位置的单元与处于边缘位置的单元受互耦的影响也不一样。由于阵元间互耦的影响，阵元的方向图与输入阻抗变得与孤立单元的方向图不一样。单元的输入阻抗还将随扫描角方向变化而变化。已知的实验已发现互耦的影响可能导致方向图出现盲点，即在该扫描角方向能量几乎全部被反射回馈源。因此消灭盲点成为了相控阵天线正常工作必须解决的关键技术。
为了解决这个问题，出现了广角匹配技术。当面积为A 的均匀平面阵的法向增益为：
204λπA G =
扫描角为s θ时：
s s A
G θλ
πθcos 4)(2
=
若N 元阵中的每个单元的增益均相等，则单个阵元的增益为：
s s N A
g θλπθcos 4)(20
=
若单元失配，其反射系数)(s θΓ将是扫描角的函数，因此单元的增益为：
))(1(cos 4)(22
s s s N A g θθλπθΓ-=
式中的反射系数)(s θΓ反映了阵元互耦的影响。理想情况下，0)(=Γs θ，此时单元增益为：
s s s a
N A g θλπθλπθcos 4cos 4)(2
20max ==
式中a 为阵元面积。上式说明，如果单元的反射系数为零，则单元的方向函数应该为θcos 。
可以证明，如果单元的方向函数为θcos 形式时，其反射系数在扫描过程中恒定不变。如此，在某个扫描角实现了匹配也就实现了整个扫描过程的匹配。
如果阵元不具备θcos 型的方向性，则需要采用其他的方法来实现扫描时的宽角匹配。其中一种方法利用薄介质板进行补偿，介质板尺寸和阵面一样大，平行的放在面阵的前面。板的存在相当于在等效的空间传输线上并联一容性电抗。
若介质板的厚度为t ，介电常数为ε，θ为入射角，则垂直极化时介质板的电纳为：
θ
ελπθcos 1
)
1(2)(00-=t G B 平行极化时介质板的电纳为：
???
?
??--=θεθθελπθcos sin cos )1(2)(200t G B 由以上两个公式可观察到，若把介质板置于平面阵前面，阵扫描时介质板的电纳随θ的变化
正好与阵因子随θ的变化相反，从而实现了互相补偿。应用这种方法可将介质板兼做天线罩，需要注意的是，介质板上可能产生慢表面波，使得单元波瓣产生盲点。
3.3 相控阵基本特性
线阵的幅度方向图可表示为：
)sin (sin sin )sin (sin sin
sin sin )(12B B N d d N X
X F θθλ
π
θθλπ
θ--==
当N 较大时，因X 较小，因此近似可得到：
)sin (sin )sin (sin sin 22sin
)(B B d N d N N
X N X
N
N
F θθλ
πθθλπθ--==
上式表
明线
阵的方向
图函
数为辛
格函
数，根据上式可
得出线
性相
控
阵天
线的基本特性。
3.3.1 波束指向
当
02
=X N
时，辛格函数为1，可得线阵方向图的最大值。这说明0sin sin =-B θθ，即B θθ=时，可求得天线方向图的最大值。
由式???
????=?=?B B d d θλπφθλπφsin 2sin 2可得：
B B d φπλθ?=
2sin 或??
?
???=B B d φπλθ2arcsin
3.3.2 波瓣宽度
对于辛格函数，当
39.12
=X N
时，有707.02
2sin
=X N X N 波瓣半功率点宽度2
1θ?，因为
39.1sin 221=??
?
????-B d N φθπλ 且B B d θλ
π
φsin 2=
?，
所以d
N B λ
πθθ?=-39.1sin sin 设2
121
θθθ?+
=B 已知B B B θθθθθθcos 21
sin )21sin(sin 2
121?+≈?+
= 代入可得)(88.0cos 139.12cos 12
1rad Nd
d N B B λθλπθθ?=???≈
?
或)(51cos 12
1??≈
?Nd
B λθθ
可见波束宽度与天线口径长度（Nd ）成反比。另外我们通过观察，波束宽度与天线扫描角B θ有关。当波束指向偏离阵列法线方向越大，即B θ越大时，则波束半功率点宽度增加也越大。
3.3.3 天线增益
对于等幅口径分布，天线增益的理论值为A G 2
04λ
π
=
，A 为天线口径面积，对于N 单元线阵，
2
λ
=
d 时，2
2
4
λN Nd A =
=，所以πN G =0。 天线波束由法线方向扫描至B θ后，天线在B θ方向的有效口径减小至B A θcos ，因此天线增益降为B B A G θλ
π
cos 42
0=
。
当2
λ
=d 时，B B N G θπcos 0=。
3.3.4 天线波束的零点和副瓣电平
天线波束的零点位置取决于
πφθλπP d N B =??
?
????-sin 221，其中P 取 2,1±±，P 表示零点位置的序号。第P 个零点的位置0p θ
推倒出公式为：
??
?
????+=
B p N P d
φππλ
θ22sin 0
????
?????????+=B p N
P d φππλθ22arcsin 0
3.3.5 天线波束的副瓣位置
天线波束的副瓣位置决定于下式：
2,1,21
2sin 221±±=+=??
?????-l l d N B πφθλπ 所以第l 个副瓣位置l θ为：
??
?
????++=
B l N l d φπλθ122sin ????
?????????++=B l N
l d φπλθ122arcsin 另外第l 个副瓣电平为：
πθ)12(222
1sin 2sin
)(+=
≈=l NX X N X
N
F l 因此，1=l 时，第一副瓣电子为-13.4dB ，2=l 时，第二副瓣电平为-17.9dB 。
3.3.6天线波束扫描导致的栅瓣位置
空间、阵内相位差之间的单元平衡时，波瓣图出现最大值，由以下公式决定：
m d B m πφθλ
π
20sin 2±=?- （7）
式中m θ为可能出现的波瓣最大值， ,2,1,0±±=m 。 m=0时，因为m B d θλ
π
φsin 2=
?，所以（7）决定了波瓣的最大值；
m ≠0时，除了
B m d φθλ
π
?=s i n 2决定θ方向上有波瓣最大值外，在
m d B m πφθλ
π
2s i n 2=?-决定θ方向上也会有波瓣最大值，即栅瓣。
论雷达技术的发展与应用及 未来展望 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
论雷达技术的发展与应用及未来展望 摘要:雷达是用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置的装置。雷达的发展与使用过程，正是电子技术在军事中应用的缩影，而雷达的未来，更与电子技术息息相关。本文介绍了雷达的发展与应用的历史，重点介绍了相控阵雷达与激光孔径雷达两类雷达的原理与特点，并指出雷达的弱点及未来发展方向关键词：雷达；发展；实战应用；种类；弱点；未来
雷达主要用于对远距离物体的方位、距离、高度做精确检测，可以说是现代军事电子技术的代表。随着不断的发展，雷达在战区的警戒、各种新式武器威力的发挥、协同作战的指挥中的地位愈发重要。 1雷达的发展与应用 雷达的基本工作原理是靠发射探测脉冲和接受被照射目标的回波发现目标。百年的时间里，随着新技术的发展和应用，雷达也在不断发展。 1.1雷达的发展史 下面是雷达出现前夜相关理论的一系列突破： 1842年多普勒（Christian Andreas Doppler）率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。 1864年马克斯威尔（James Clerk Maxwell）推导出可计算电磁波特性的公式。 1886年赫兹（Heinerich Hertz）展开研究无线电波的一系列实验。 1888年赫兹成功利用仪器产生无线电波。 1897年汤普森（JJ Thompson）展开对真空管内阴极射线的研究。 这些与电磁波相关的科技是雷达的最基本理论。1904年克里斯蒂安?豪斯梅耶（Christian Hulsmeyer）宣称他的“电动镜”可以传输音频，并能够接受到运动物体的回应。可以说，就是这位德国人奠定了这项技术。然而，在一战期间，德国军官们所注意的是无线电通讯。 接下来雷达的出现就显得顺理成章了。1933年，鲁道夫?昆德（Rudolf Kunhold）提出毫米波长可能可以探测出水面船只及飞船的位置。两年后，威廉?龙格（Wilhelm Runge）已经能够根据飞机自身所发出的信号计算出50公里以外的飞机位置所在，即使是在夜晚或者有雾的时候。 第二次世界大战中的不列颠战役成为雷达正式登场的舞台。法国的迅速陷落，使希特勒有理由相信只需通过空袭便能征服英国。在这一大规模的空战中，纳粹德国空军拥有的飞机数量远远超过了英国皇家空军——2670架对1475架。而英国在雷达方面有优势。1936年1月英国W.瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。1938年，为保卫英格兰，用七部雷达组成"Chain Home"雷达网，雷达频率30兆赫。雷达网使德国轰炸机还没到达英吉利海峡即被发现，英国也因此取得了英伦空战的胜利。这场胜利也是第二次世界大战中较大的转折点之一。 之后四十年人们更加意识到雷达的重要作用，雷达也因此得到了不断发展，也分出了不同种类。本节余下部分将有选择地概括各个年代的重大进展。 1.1.1四十年代 四十年代初期(在二次大战期间)，由于英国发明了谐振腔式磁控管，从而在先驱的VHF雷达发展的同时，产生了微波雷达发展的可能性。它开拓了发展L波段(23q厘米波长)和S波段(10厘米波长)大型地面对空搜索雷达和X波段(3厘米波长)小型机载雷达的美好前景。1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。两年后美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，预警雷达。时至今日，雷达已成为各式飞机不可缺少的组成部分，是实施精确打击和自身防护的必要手段。 1.1.2五十年代
有源相控阵雷达的发展 机载有源相控阵雷达的发展水平以美国最为先进。在20世纪60年代末即研制出有604个单元的X波段有源阵列天线。在1988年到1991年完成了配装F22战斗机的AN/APG-77雷达的飞行试验，该雷达有2000个T/R组件，对雷达反射面积为1平方米的目标，探测距离设计要求为120—220KM。综合了探测、敌我识别、电子侦察和电子干扰等多种功能于一体，具有低截获概率（也就是说不易被对方雷达告警器发现）。可以说美国在机载有源相控阵火控雷达技术上已经比较成熟。除了APG-77雷达以外，美国还在原有的PD雷达上进行改进，换装相控阵天线，例如计划给F18E战斗机换装APG79雷达和给F15换装的APG63（V）3雷达等除此之外，英、法、德三国联合研制机载固态多功能有源相控阵雷达，2001年已经完成具有1200个T/R组件的全尺寸样机的试验工作，但是离实用化还有一定的距离。 前苏联在八十年代初即研制出无源相控阵雷达，装备于米格31战斗机上，搜索距离200千米，对战斗机的跟踪距离达到90千米以上，可以同时跟踪10个目标并攻击其中的4个，这在当时已经是比较先进的了。目前俄罗斯正在努力发展有源相控阵雷达，但离实用化也有很大的距离。 目前世界上另一种装机实用化的有源相控阵雷达为日本F-2战斗机所采用的火控雷达，这反映了日本在电子工业上的技术实力。该雷达包含800个T/R 组件，公开的探测距离为80KM（中等战斗机目标）。如果这个数据属实的话，则说明日本虽然在半导体生产技术上比较先进，但是在雷达系统设计上的能力仍嫌不足。 我国从六十年代开始即开展相控阵技术的研究，并于七十年代研制成功7010大型远程相控阵雷达，曾出色的完成了观测美国天空试验室和苏联核动力卫星殒落任务，引起世界重视(相关资料可查阅中国科学技术协会网站文章)。在九十年代又研制出YLC-2全固态相控阵远程警戒雷达(第二届中国国际国防电子展览会上展出)。这些成果都反映了我国在相控阵雷达研制上的进步。不过，相对于一些陆基和舰载的大型雷达来说，机载相控阵雷达的技术难度要大得多，主要难度又集中在小体积T/R组件的研制上。据介绍，607所和电子部14所在机载相控阵雷达的研制上处于国内领先地位，目前，相控阵雷达的数据处理部分已经比较成熟，但是在T/R组件的生产，尤其是成本控制上仍然有相当大的差距。据顾诵芬院士在前不久的介绍，国内目前单个T/R组件的生产成本要达到数万人民币，这样，光雷达天线的造价就已经是天价了，而美国目前已经将T/R组件的生产成本控制在四五百美元以下，因此我们的差距还是相当大的。对比美国的发展历程，我们要研制出AN/APG-77级别的雷达，可能要到2010年以后。相对来说，无源相控阵雷达的技术难度要小得多，因此在研制出实用的有源相控阵雷达之前，完全有可能采用无源相控阵雷达作为过渡产品。而且，即使有源相控阵雷达研制成功以后，无源相控阵雷达作为一种低端产品，仍然具有很大的使用价值。 我国在航空电子产品上起步晚，发展慢，一度和西方先进国家的差距拉得
计算机与现代化 2014年第2期 JISUANJI YU XIANDAIHUA 总第222期 文章编号：1006- 2475（2014）02-0209-04收稿日期：2013-09-29作者简介：王桃桃（1989-），女，江苏沭阳人， 南京航空航天大学自动化学院硕士研究生，研究方向：雷达系统仿真；万晓冬（1960-），女，江苏南京人， 副研究员，硕士生导师，研究方向：分布式仿真技术，实时分布式数据库技术，嵌入式软件测试技术；何杰（1988- ），男，安徽铜陵人，硕士研究生，研究方向：机载红外弱小目标检测，三维视景仿真。相控阵雷达系统的仿真 王桃桃，万晓冬，何 杰 (南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016) 摘要：雷达的数字仿真及雷达仿真库的建立已经成为近年来雷达领域研究的热点。本文主要进行相控阵雷达系统的仿真研究。首先根据相控阵雷达的组成和原理，建立相控阵雷达的仿真模型与数学模型。然后选择Simulink 作为仿真平台，对相控阵雷达系统进行仿真与研究。仿真的模块主要有天线模块、信号环境模块、信号处理模块以及GUI 人机交互界面模块。最终在Simulink 库中生成自己的雷达子库，形成相控阵雷达系统，为后续相控阵雷达的研究奠定基础。关键词：雷达;相控阵;信号处理中图分类号：TP391．9 文献标识码：A doi :10．3969/j．issn．1006-2475．2014．02．047 Simulation of Phased Array Ｒadar Systems WANG Tao-tao ，WAN Xiao-dong ，HE Jie （College of Automation Engineering ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China ）Abstract ：The digital simulation of radar and the establishment of radar simulation libraries has become research hot spot in radar field in recent years．This paper mainly focuses on phased array radar system simulation．According to the composition and prin-ciple of phased array radar ，it establishes the simulation model and mathematical model of phased array radar．Then ，the paper does simulation and research on phased array radar system by choosing Simulink as the simulation platform．The simulation mod-ule mainly includes the antenna module ，the signal environment module ，the signal processing module and GUI man-machine in-terface module．Eventually it generates radar sub-libraries and forms phased array radar system ，which lay the foundation for fol-low-up phased array radar study． Key words ：radar ；phased array ；signal processing 0引言 计算机仿真技术应用于雷达源于20世纪70年代，国内雷达仿真起步较晚，仿真主要是基于SPW 、Matlab 、Simulink 、ADS 、HLA 等平台，其中Simulink 是一种在国内外得到广泛应用的计算机仿真工具，它支持线性系统和非线性系统，连续和离散事件系统，或者是两者的混合系统以及多采样率系统。ADS （Ad-vanced Design System ）软件可以实现高频与低频、时域与频域、噪声、射频电路、数字信号处理电路的仿真等。SPW （Signal Processing Workspace ）是用于信号处理系统设计的强有力的软件包，在雷达领域有着广泛的应用。HLA （High Level Architecture ）提供了基于分布交互环境下仿真系统创建的通用技术支撑框架， 可用来快速地建造一个分布仿真系统。比较4种仿 真平台，SPW 比较昂贵，只能在Unix 操作系统下使用，HLA 通信协议复杂，不同版本的ＲTI 可能有无法通信的问题。Simulink 应用于雷达仿真比ADS 广泛并易于推广，所以本文采用Simulink 作为仿真平台。 为了进行后期雷达与红外的数据融合，首先需要建立雷达模块以产生雷达数据源，本文根据相控阵雷达的工作原理，采用数字仿真的方法，仿真雷达模块。首先提出相控阵雷达的仿真结构图以及给出各个模块的数学模型，然后根据数学模型，利用Simulink 仿真平台，仿真实现雷达的各组成模块，从而构建一个完整的雷达系统。同时，也可以通过使用S 函数将各个模块封装，然后建成自己的雷达仿真库，从而可以形成不同类型的雷达系统，便于更好地进行雷达系统
1、雷达的任务：测量目标的距离、方位、仰角、速度、形状、表面粗糙度、介电特性。 雷达是利用目标对电磁波的反射现象来发现目标并测定其位置。 当目标尺寸小于雷达分辨单元时，则可将其视为“点”目标，可对目标的距离和空间位置角度定位。目标不是一个点，可视为由多个散射点组成的，从而获得目标的尺寸和形状。采用不同的极化可以测定目标的对称性。 任一目标P所在的位置在球坐标系中可用三个目标确定：目标斜距R，方位角，仰角 在圆柱坐标系中表示为：水平距离D，方位角，高度H 目标斜距的测量：测距的精度和分辨力力与发射信号的带宽有关，脉冲越窄，性能越好。目标角位置的测量：天线尺寸增加，波束变窄，测角精度和角分辨力会提高。 相对速度的测量:观测时间越长，速度测量精度越高。 目标尺寸和形状：比较目标对不同极化波的散射场，就可以提供目标形状不对称性的量度。 2、雷达的基本组成：发射机、天线、接收机、信号处理机、终端设备 3、雷达的工作频率：220MHZ-35GHZ。L波段代表以22cm为中心，1-2GHZ;S波段代表10cm，2-4GHZ；C波段代表5cm，4-8GHZ；X波段代表3cm，8-12GHZ；Ku代表，12-18GHZ；Ka代表8mm，18-27GHZ。 第二章雷达发射机 1、雷达发射机的认为是为雷达系统提供一种满足特定要求的大功率发射信号，经过馈线和收发开关并由天线辐射到空间。 雷达发射机可分为脉冲调制发射机：单级振荡发射机、主振放大式发射机；连续波发射机。 2、单级振荡式发射机组成：大功率射频振荡器、脉冲调制器、电源 触发脉冲 脉冲调制器大功率射频振荡器收发开关 电源高压电源接收机 主要优点：结构简单，比较轻便，效率较高，成本低；缺点：频率稳定性差，难以产生复杂的波形，脉冲信号之间的相位不相等 3、主振放大式发射机：射频放大链、脉冲调制器、固态频率源、高压电源。射频放大链是发射机的核心，主要有前级放大器、中间射频功率放大器、输出射频功率放大器 射频输入前级放大器中间射频放大器输出射级放大器射频输出固态频率源脉冲调制器脉冲调制器 高压电源高压电源电源 脉冲调制器：软性开关调制器、刚性开关调制器、浮动板调制器 4、现代雷达对发射机的主要要求：发射全相参信号；具有很高的频域稳定度；能够产生复杂信号波形；适用于宽带的频率捷变雷达；全固态有源相控阵发射机 5、发射机的主要性能指标： 工作频率和瞬时带宽：雷达发射机的频率是按照雷达的用途确定的。瞬时带宽是指输出功率变化小于1bB的工作频带宽度。 输出功率：雷达发射机的输出功率直接影响雷达的威力范围以及抗干扰的能力。雷达发
相控阵雷达之弊端 舰载多功能相控阵雷达是舰载雷达的一个主要发展方向，具有探测目标精度高、抗干扰能力强、可靠性高、隐身性能好等诸多优点。相控阵雷达采用电子稳定平台，通过自适应调度雷达时间和能量资源，改变天线表面阵列所发出波束的合成方式来改变波束扫描方向，可同时完成搜索警戒、精确跟踪、目标敌我识别、导弹制导、目标引导等多种功能。相控阵雷达使用电子扫描方式，通过改变频率或者是改变相位的方式，将合成的波束发射的方向加以变化。电子扫描扫描速率高、改变波束方向的速率快、对于目标测量精确度高于机械扫描雷达。目前，中、美、日、俄、法、意、德、英等国家都装备或正在研制相控阵雷达，其中较为著名的有中国装备于052C导弹驱逐舰和“辽宁”号航空母舰上的346相控阵雷达和装备于052D型导弹驱逐舰上的346A型相控阵雷达；美国装备于阿利?伯克级驱逐舰上的SPY-1系列相控阵雷达；日本海军装备在“日向”级“护卫舰”上的FCS-3型相控阵雷达等。多功能相控阵雷达虽然有着诸多的优点，但其与任何武器装备一样，有其利也有其弊。从造价上来说，相控阵雷达的造价普遍偏高，往往是普通雷达的数十倍乃至数百倍，这使得多功能相控阵雷达一般只能装备在一些高端主战舰艇上；从适装舰艇方面来说，由于多功能相控
阵雷达的重量一般较重而体积较大，故此，只能装备于大型舰艇上。从能耗上来说，多功能相控阵雷达的功率较大，长时间开机对舰艇上宝贵的能源资源耗费厉害。在性能上，多功能相控阵雷达也有一些不足之处，如对杂波特别是海杂波抑制能力不足、探测隐身目标能力不足、在对抗自卫式噪声干扰能力不足、探测低空及掠海目标能力不足、在强杂波背景时性能下降等。舰载多功能相控阵雷达既有预警雷达的远程警戒能力，又具有火控雷达的高精度。其警戒预警距离超过300千米，全空域搜索数据率在10至20秒。为满足舰载武器系统制导及火控的精度要求，雷达跟踪测量精度不能超过10分，而一般舰载警戒雷达的跟踪测量精度往往在几度以内。综合多方面性能上的考虑及目前的科技水平和经济性，舰载相控阵雷达雷达一般都以S频段作为工作频段。S频段与C频段和X频段相比较而言，波束宽，可用带宽窄，对海杂波的抑制能力不强。为了进行三坐标测量，该类型雷达都采用针状波束，为了提高可靠性，一般都采用工作在饱和放大模式的固态发射机。由于发射机输出功率不可调，故不能象普通对海雷达那样对发射波束进行赋形，导致在低空或掠海工作模式时海杂波更加强烈。在近岸工作时，如果蒸发波导等异常传播效应明显，会有大量远距陆地、岛屿等杂波出现，距离上的多重折叠会进一步增加杂波抑制的难度。而为了保证多任务和多目标能力，此时一般不采用MTD或
相控阵雷达又被称为相位控制阵列，是通过改变雷达波相位来改变雷达波束方向，也被称为电扫雷达。相控阵雷达目前分为整体馈源的无源相控阵，和子阵带独立馈源的有源相控阵。有源相控阵被通称为AESA ，也是电扫相控阵雷达技术的高端产品。相控阵的优点是可以取消机械方向指向机构，波束依靠电控偏转的指向灵活，无惯性，数据更新速率快，适合与数字式信号处理系统综合，还具有功能转换速度快，可靠性高和抗干扰能力强的优点，但也存在工艺技术难度比较大，阵面成本较高的弱点。AESA 现在已经成为机载雷达应用的尖端技术，弹载AESA 的很多技术也已经接近或达到实用标准，美国、日本、俄罗斯和西欧国家均已开始具体应用项 目的研究。中国作为军用航空电子技术的后起之秀，也逐步具备了第二梯队的技术实力。 主动雷达导引头的技术特征 主动雷达是第四代雷达制导空空导 弹的代表特征，是现代战术导弹雷达导引头的主流，也是实现复合制导和全向搜索功能的技术基础。现有采用主动雷达导引头的战术导弹，导引头大都是由天线、机械位标器和发射机组成，雷达天线依靠机械位标器运动实现扇面扫描。 常规机扫雷达的技术成熟，重量轻，成本较低，机械扫描的工作角度范围大， 弹体轴线大偏角扫描的距离衰减率也较低。机械扫描的优点不少，但机扫天线 需要结构复杂的方向和滚转稳定装置，天线运动时还要克服惯性的影响。同时，雷达罩内必须留出够天线自由转动的半球形空间，致使雷达罩的尺寸和外形都受到限制，无法根据气动要求进行最优化处理。雷达天线机械扫描的覆盖范围大，天线阵面不透波的技术特点，也限制了不同导引方式的集成。现有采用复合制导技术的雷达制导战术导弹，大都将雷达作为主要导引措施，红外制导则大都安装在弹体侧面以避开雷达天线 （如“标准”Ⅱ和“雄风”Ⅱ），或采用缩小 天线/光学窗口尺寸的方式，将两种导引头集中安装在弹头的不同位置，结果就是要么限制辅助导引系统的工作视场，要么影响导引系统的可用窗口面积，最终都要限制复合制导技术的综合效果。 相控阵天线的技术特点 AESA 天线的优点是采用集中式收/ 发机模块，天线阵面可以集成大量功能单元体，功率密度比平板缝隙天线要高得多，并可依据电扫描方式实现较大的天线尺寸。如果用通俗的对比描述雷达的原理，可以用电筒作为例子。 常规的平板缝隙雷达类似于用灯泡的普通电筒，灯泡就等同于雷达的馈源。灯泡发出的光通过反射镜头（波导 管）反射，由点形成面后产生等镜头的光束前向照射，照射的光（雷达波）是集中的光/波束。普通的平板缝隙雷达天线是这样，无源相控阵则是采用背光板的方式，把集中的能源分配给排列成阵的无源反射体。有源相控阵雷达则类似平板背板上密集安装着LED 灯的电筒，每个灯都有独立的光源和反射体，密集排列的点光源共同组成等镜头的照射波束。通过类比描述的过程，现有的雷达系统，无论是平板缝隙还是相控阵，形成的雷达波束都是集中的，相控阵虽可利用不同的单元形成多个照射波束，但波束分解后单独波束的功率是降低的，探测距离显然无法和集中波束相比。相控阵天线阵组件的数量取决于波长和天线面积，单独T/R 模块的功率则由材料决定。现有相控阵天线T/R 组件大都采用传统的GaAs （砷化镓），该材料技术和生产工艺相对比较成熟，应用广泛，综合性能还有提高的潜力，近年来已找到更适合的新材料。弹载雷达的T/R 组件如果采用GaN （氮化镓）和SiC （碳化硅）替代目前的GaAs ，T/R 组件可输出的功率理论上能提高近10倍（甚至超过10倍），雷达的探测和稳定跟踪距离都将有很大的提高。 材料的改进可以获取很大的性能收益，但对空间和能源供应条件不好的弹载雷达，高性能材料往往还要受其它因素限制。同时，雷达性能的改善程度往 弹载有源相控阵雷达的应用 文/中秋 ◎日本AAM-4B 空空导弹，由于采用的主动相控阵雷达比较耗电，导弹需要增加燃料而导致体积重量加大 Ordnance Knowledge 54 往无法与材料单纯的性能平衡。按照正常的技术原理计算的结果，AESA 的功率与探测距离的变化并不等同。用现有AESA 天线技术作为依据，雷达天线辐射的总功率增加10倍后，集中波束的探测距离只能增加0.87倍。正是考虑到地球曲面和远距离角测量精度的影响，机载雷达的功率与搜索距离之间必须找到最佳平衡点。增大搜索距离对作战平台有价值，但付出的电源和冷却代价，却限制了相控阵雷达增加功率的实用条件，工作环境更恶劣的弹载雷达面对的困难显然要比机载雷达更大。相控阵主动雷达导引头的发展常规雷达需要进行方向和俯仰扫描，这就要给雷达天线提供机械扫描的驱动装置，盘形天线的两轴运动会形成一个半球形空间。如果将雷达用于高速运动的飞行器，就需要为天线提供一个低阻力的空腔透波结构。飞机的雷达天线罩和导弹的导引头舱，都采用了低阻力的尖顶或卵形回转体外形。雷达罩的截面积要明显大于包容的天线面积，前向收缩的曲面也要受天线旋转的球面限制。如果用飞机作为例子去对比，追求雷达全向扫描的战术飞机大都采用轴对称外形的雷达，专用的对地攻击飞机（如图-22M 和F-111）不需要雷达有大的上视扫描范围，雷达罩上方可采用接近平面的非对称外形。现有战术导弹雷达导引头大都采用单脉冲体制，现役先进空空导弹的雷达导引头基本都采用了平板缝隙天线，下一代或现役改进型则会选择AESA 天线。相控阵雷达用固定阵面就能实现高于±45度的扫描范围，这就有条件通过对固态天线阵面的设计，省下机械扫描装置和天线活动的空间，更好的利用导弹全弹径的截面积，使雷达天线形状尽可能与气动外形相适应。现有导弹雷达制导天线大都是轴对称的正圆形，这是为了适应弹体的结构和简化气动控制，也是为满足导弹大过载俯仰和滚转时雷达天线的稳定要求。如果实现固定阵面的全电扫，雷达天线将成为弹体结构的一部分，这就能依据导弹的特点和控制要求，采用扁圆甚至碟形截面的升力弹体，实现中、远距导弹小/无翼的高升力气动布局，为导弹选择低阻力和低信号特征的异形天线罩，最◎主动相控阵雷达T/R 组件数量，“阵风”的RBE-2雷达（左）约840个，“台风”的Captor-E 雷达（右）接近1500个，但雷达性能并非简单由此决定 ◎F-111（左）和图-22M （右）不需要雷达有大的上视扫描范围，雷达罩上方可采用接近平面的非对称外形 兵器知识2016年2期 55
第一章绪论 1、雷达的任务：测量目标的距离、方位、仰角、速度、形状、表面粗糙度、介电特性。 雷达是利用目标对电磁波的反射现象来发现目标并测定其位置。 当目标尺寸小于雷达分辨单元时，则可将其视为“点”目标，可对目标的距离和空间位置角度定位。目标不是一个点，可视为由多个散射点组成的，从而获得目标的尺寸和形状。采用不同的极化可以测定目标的对称性。 β任一目标P所在的位置在球坐标系中可用三个目标确定：目标斜距R，方位角α，仰角 在圆柱坐标系中表示为：水平距离D，方位角α，高度H 目标斜距的测量：测距的精度和分辨力力与发射信号的带宽有关，脉冲越窄，性能越好。目标角位置的测量：天线尺寸增加，波束变窄，测角精度和角分辨力会提高。 相对速度的测量:观测时间越长，速度测量精度越高。 目标尺寸和形状：比较目标对不同极化波的散射场，就可以提供目标形状不对称性的量度。 2、雷达的基本组成：发射机、天线、接收机、信号处理机、终端设备 3、雷达的工作频率：220MHZ-35GHZ。L波段代表以22cm为中心，1-2GHZ;S波段代表10cm，2-4GHZ；C波段代表5cm，4-8GHZ；X波段代表3cm，8-12GHZ；Ku代表2.2cm，12-18GHZ；Ka代表8mm，18-27GHZ。 第二章雷达发射机 1、雷达发射机的认为是为雷达系统提供一种满足特定要求的大功率发射信号，经过馈线和收发开关并由天线辐射到空间。 雷达发射机可分为脉冲调制发射机：单级振荡发射机、主振放大式发射机；连续波发射机。 2、单级振荡式发射机组成：大功率射频振荡器、脉冲调制器、电源 触发脉冲 脉冲调制器大功率射频振荡器收发开关 电源高压电源接收机 主要优点：结构简单，比较轻便，效率较高，成本低；缺点：频率稳定性差，难以产生复杂的波形，脉冲信号之间的相位不相等 3、主振放大式发射机：射频放大链、脉冲调制器、固态频率源、高压电源。射频放大链是发射机的核心，主要有前级放大器、中间射频功率放大器、输出射频功率放大器 射频输入前级放大器中间射频放大器输出射级放大器射频输出固态频率源脉冲调制器脉冲调制器 高压电源高压电源电源 脉冲调制器：软性开关调制器、刚性开关调制器、浮动板调制器 4、现代雷达对发射机的主要要求：发射全相参信号；具有很高的频域稳定度；能够产生复杂信号波形；适用于宽带的频率捷变雷达；全固态有源相控阵发射机 5、发射机的主要性能指标：
雷达发展史 雷达的基本概念形成于20世纪初。但是直到第二次世界大战前后，雷达才得到迅速发展。早在20世纪初，欧洲和美国的一些科学家已知道电磁波被物体反射的现象。 1922年，意大利G.马可尼发表了无线电波可能检测物体的论文。美国海军实验室发现用双基地连续波雷达能发觉在其间通过的船只。1925年，美国开始研制能测距的脉冲调制雷达，并首先用它来测量电离层的高度。30年代初，欧美一些国家开始研制探测飞机的脉冲调制雷达。1936年，美国研制出作用距离达40公里、分辨力为457米的探测飞机的脉冲雷达。1938年,英国已在邻近法国的本土海岸线上布设了一条观测敌方飞机的早期报警雷达链。 第二次世界大战期间，由于作战需要，雷达技术发展极为迅速。就使用的频段而言，战前的器件和技术只能达到几十兆赫。大战初期，德国首先研制成大功率三、四极电子管,把频率提高到500兆赫以上。这不仅提高了雷达搜索和引导飞机的精度，而且也提高了高射炮控制雷达的性能，使高炮有更高的命中率。1939年，英国发明工作在3000兆赫的功率，地面和飞机上装备了采用这种磁控管的微波雷达,使盟军在空中作战和空-海作战方面获得 优势。大战后期，美国进一步把磁控管的频率提高到10吉赫，实现了机载雷达小型化并提高了测量精度。在高炮火控方面，美国研制的精密自动跟踪雷达SCR-584,使高炮命中率从战争初期的数千发炮弹击落一架飞机，提高到数十发击中一架飞机。 40年代后期出现了动目标显示技术，这有利于在地杂波和云雨等杂波背景中发现目标。高性能的动目标显示雷达必须发射相干信号，于是研制了功率、、前向波管等器件。50年代出现了高速喷气式飞机，60年代又出现了低空突防飞机和中、远程导弹以及军用卫星，促进了雷达性能的迅速提高。60～70年代，电子计算机、、和大规模数字集成电路等应用到雷达上，使雷达性能大大提高，同时减小了体积和重量，提高了可靠性。 在雷达新体制、新技术方面，50年代已较广泛地采用了动目标显示、单脉冲测角和跟踪以及脉冲压缩技术等；60年代出现了；70年代固态相控阵雷达和脉冲多普勒雷达问世。 在中国，雷达技术从50年代初才开始发展起来。中国研制的雷达已装备军队。中国已经研制成防空用的二坐标和三坐标警戒引导雷达、地－空导弹制导雷达、远程导弹初始段靶场测量雷达和再入段靶场测量与回收雷达。中国研制的大型雷达还用于观测中国和其他国家发射的人造卫星。 在民用方面，远洋轮船的导航和防撞雷达、飞机场的航行管制雷达以及气象雷达等均已生产和应用。中国研制成的机载合成孔径雷达已能获得大面积清晰的测绘地图。中国研制的新一代雷达均已采用计算机或微处理器，并应用了中、大规模集成电路的数字式信息处理技术，频率已扩展至毫米波段。① 尽管雷达在二战时发展迅速，但追根溯源，此前的科学家运用他们的智慧为此创造了必要的条件。让我们来看下面的简史： 1842年多普勒（Christian Andreas Doppler）率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。 1864年马克斯威尔（James Clerk Maxwell）推导出可计算电磁波特性的公式。 1886年赫兹（Heinerich Hertz）展开研究无线电波的一系列实验。1888年赫兹成功利用仪器产生无线电波。
中图分类号:TN958.92 文献标志码:A 文章编号:1674-2230(2010)04-0010-02 收稿日期:2010-02-24;修回日期:2010-04-02 作者简介:张成伟(1971 ),男,高级工程师;李登(1978 ),男,工程师;孙时珍(1965 ),高级工程师。 机载有源相控阵雷达特征分析 张成伟1,李 登1,孙时珍2 (1.电子信息控制重点实验室,成都610036;2.海装航技部,北京100071) 摘要:以美军F/A-22飞机的AN/APG-77机载有源相控阵雷达为代表,对机载有源相控阵雷达的典型特征等进行了简要介绍,阐述了有源相控阵雷达信号特征带来的挑战和影响。关键词:机载有源相控阵雷达;波形特征;发射功率;灵敏度;侦收;干扰 The Challenge from Airborne AESA Z HANG Cheng -wei 1,LI Deng 1,S UN Sh-i zhen 2 (1.Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,Chen gdu 610036,China; 2.Aviation Technology Guaran tee Department of Navy Equipmen t,Beijing 100071,China) Abstract:Taking AN/APG-77airborne phase -array radar on F/A-22aircraft as typical example, a brief introduction on typical characteristics of airborne active phase -array radar is introduced,both challenges and influence brought by the signal characteristics of active phase -array radar on detection and jamming are elaborated. Key words:airborne active phase array radar;waveform characteristics;transmitting power;sensitiv -ity;detection;jammin g 1 引言 美国空军2005年12月15日宣布F/A -22 猛禽 战斗机正式服役,标志着世界上最先进的第四代空中优势战斗机进入美国空军战斗序列[1,2] 。继F/A-22以后,F-35 闪电 II 战斗机是美国联合英国、意大利、澳大利亚、土耳其、挪威、荷兰、丹麦和加拿大等八个国家正在研制的一种低成本多功能第四代战斗机,预计2012年和2013年形成初始作战能力,将成为未来数十年中装备国家和装备数量最大、使用最广泛的第四代战斗机。以F/A-22、F-35为代表的第四代战斗机具有低可探测性、高度综合化的航电系统、高杀伤性、高生存力等特征,可在恶劣环境条件下昼、夜执行精确对地攻击、制空和防空作战任务,这种以信息技术为特征的第四代战斗机将逐渐成为空中力量的主宰。 实现第四代战斗机强大功能的是以机载有源相控阵雷达(AESA)为核心的综合航空电子系统,其中,F/A-22战斗机的AN/APG-77和F-35战斗机的AN/APG-81多功能雷达不但具有强大的雷达功能,还具有电子战和通信功能,是第四代机战斗机优异性能的集中体现。机载有源相控阵雷达已经成为下一代机载火控雷达发展的必然趋势,是第四代战斗机的主要标志。 近年来,经过航电系统升级的第三代主力战斗机F/A-18E/F 装备了AN/APG-79有源相控阵雷达,F-15C 装备了AN/APG-63(V)2有源相控阵雷达,法国的 阵风 战斗机也装备了RB E2有源相控阵雷达,欧洲 台风 战斗机、瑞典JAS-39 鹰狮 战斗机等欧洲三代半战斗机以及俄罗斯的苏-35战斗机也将装备有源相控阵雷达。进入21世纪,F/A-22、F-35以及经过航电升级的 10 张成伟,李 登,孙时珍机载有源相控阵雷达特征分析 电子信息对抗技术 第25卷 2010年7月第4期
第一章 相控阵雷达系发射信号的设计与分析 1.1 雷达工作原理 雷达是Radar （RAdio Detection And Ranging ）的音译词，意为“无线电检测和测距”，即利用无线电波来检测目标并测定目标的位置，这也是雷达设备在最初阶段的功能。典型的雷达系统如图1.1，它主要由发射机，天线，接收机，数据处理，定时控制，显示等设备组成。利用雷达可以获知目标的有无，目标斜距，目标角位置，目标相对速度等。现代高分辨雷达扩展了原始雷达概念，使它具有对运动目标(飞机，导弹等)和区域目标(地面等)成像和识别的能力。雷达的应用越来越广泛。 图1.1：简单脉冲雷达系统框图 雷达发射机的任务是产生符合要求的雷达波形（Radar Waveform ），然后经馈线和收发开关由发射天线辐射出去，遇到目标后，电磁波一部分反射，经接收天线和收发开关由接收机接收，对雷达回波信号做适当的处理就可以获知目标的相关信息。 假设理想点目标与雷达的相对距离为R ，为了探测这个目标，雷达发射信号 ()s t ,电磁波以光速C 向四周传播，经过时间R C 后电磁波到达目标，照射到目标上的电磁波可写成：()R s t C - 。电磁波与目标相互作用，一部分电磁波被目标散射，被反射的电磁波为()R s t C σ?-，其中σ为目标的雷达散射截面（Radar Cross Section ,简称RCS ），反映目标对电磁波的散射能力。再经过时间R 后，被雷 达接收天线接收的信号为(2)R s t C σ?-。 如果将雷达天线和目标看作一个系统，便得到如图1.2的等效，而且这是一
个LTI （线性时不变）系统。 图1.2：雷达等效于LTI 系统 等效LTI 系统的冲击响应可写成: 1 ()()M i i i h t t σδτ==-∑ (1.1) M 表示目标的个数，i σ是目标散射特性，i τ是光速在雷达与目标之间往返一次的时间， 2i i R c τ= (1.2) 式中，i R 为第i 个目标与雷达的相对距离。 雷达发射信号()s t 经过该LTI 系统，得输出信号(即雷达的回波信号)()r s t ： 1 1 ()()*()()*()()M M r i i i i i i s t s t h t s t t s t σδτστ====-=-∑∑ (1.3) 那么，怎样从雷达回波信号()r s t 提取出表征目标特性的i τ(表征相对距离)和 i σ(表征目标反射特性)呢？常用的方法是让()r s t 通过雷达发射信号()s t 的匹配 滤波器，如图1.3。 图1.3：雷达回波信号处理 ()s t 的匹配滤波器()r h t 为： *()()r h t s t =- (1.4) 于是， *()()*()()*()*()o r r s t s t h t s t s t h t ==- （1.5） 对上式进行傅立叶变换：
雷达的基本概念形成于20世纪初。但是直到第二次世界大战前后，雷达才得到迅速发展。早在20世纪初，欧洲和美国的一些科学家已知道电磁波被物体反射的现象。 1922年，意大利G.马可尼发表了无线电波可能检测物体的论文。美国海军实验室发现用双基地连续波雷达能发觉在其间通过的船只。1925年，美国开始研制能测距的脉冲调制雷达，并首先用它来测量电离层的高度。30年代初，欧美一些国家开始研制探测飞机的脉冲调制雷达。1936年，美国研制出作用距离达40公里、分辨力为457米的探测飞机的脉冲雷达。1938年,英国已在邻近法国的本土海岸线上布设了一条观测敌方飞机的早期报警雷达链。 第二次世界大战期间，由于作战需要，雷达技术发展极为迅速。就使用的频段而言，战前的器件和技术只能达到几十兆赫。大战初期，德国首先研制成大功率三、四极电子管,把频率提高到500兆赫以上。这不仅提高了雷达搜索和引导飞机的精度，而且也提高了高射炮控制雷达的性能，使高炮有更高的命中率。1939年，英国发明工作在3000兆赫的功率，地面和飞机上装备了采用这种磁控管的微波雷达,使盟军在空中作战和空-海作战方面获得优势。大战后期，美国进一步把磁控管的频率提高到10吉赫，实现了机载雷达小型化并提高了测量精度。在高炮火控方面，美国研制的精密自动跟踪雷达SCR-584,使高炮命中率从战争初期的数千发炮弹击落一架飞机，提高到数十发击中一架飞机。 40年代后期出现了动目标显示技术，这有利于在地杂波和云雨等杂波背景中发现目标。高性能的动目标显示雷达必须发射相干信号，于是研制了功率、、前向波管等器件。50年代出现了高速喷气式飞机，60年代又出现了低空突防飞机和中、远程导弹以及军用卫星，促进了雷达性能的迅速提高。60～70年代，电子计算机、、和大规模数字集成电路等应用到雷达上，使雷达性能大大提高，同时减小了体积和重量，提高了可靠性。 在雷达新体制、新技术方面，50年代已较广泛地采用了动目标显示、单脉冲测角和跟踪以及脉冲压缩技术等；60年代出现了；70年代固态相控阵雷达和脉冲多普勒雷达问世。 在中国，雷达技术从50年代初才开始发展起来。中国研制的雷达已装备军队。中国已经研制成防空用的二坐标和三坐标警戒引导雷达、地－空导弹制导雷达、远程导弹初始段靶场测量雷达和再入段靶场测量与回收雷达。中国研制的大型雷达还用于观测中国和其他国家发射的人造卫星。 在民用方面，远洋轮船的导航和防撞雷达、飞机场的航行管制雷达以及气象雷达等均已生产和应用。中国研制成的机载合成孔径雷达已能获得大面积清晰的测绘地图。中国研制的新一代雷达均已采用计算机或微处理器，并应用了中、大规模集成电路的数字式信息处理技术，频率已扩展至毫米波段。① 尽管雷达在二战时发展迅速，但追根溯源，此前的科学家运用他们的智慧为此创造了必要的条件。让我们来看下面的简史： 1842年多普勒（Christian Andreas Doppler）率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。 1864年马克斯威尔（James Clerk Maxwell）推导出可计算电磁波特性的公式。 1886年赫兹（Heinerich Hertz）展开研究无线电波的一系列实验。1888年赫兹成功利用仪器产生无线电波。 图1赫兹图 2 无线电的产生1897年汤普森（JJ Thompson）展开对真空管内阴极射线的研究。 1904年侯斯美尔（Christian Hülsmeyer）发明电动镜（telemobiloscope），是利用无线电波回声探测的装置，可防止海上船舶相撞。 1906年德弗瑞斯特（De Forest Lee）发明真空三极管，是世界上第一种可放大信号的主动
问：有源相阵控雷达和无源相阵控雷达的区别是什么？ h t p:/b s.t i e x u e.n e t/] [ 转自铁 血社区 答：区别就是无源是只有单个或者几个发射机子阵原只能接收，而有源是每个阵原都有完整的发射和接收单元！ 机载雷达经历了从机械扫描形式到相控阵电子扫描，再到最新的保形"智能蒙皮"天线的发展过程，电子扫描雷达在作战使用中的优势在哪里？未来的综合式射频（RF）传感器系统的总体特点和关键技术是哪些？您将从本文中得到启发 近50多年来，机载雷达不断采用新的技术成果，性能不断提高，其中重要的有全向多脉冲射频（MPRF）模式和高分辨率多普勒波束锐化（DBS）技术在雷达中的实际应用。目前，由于在信号处理和砷化镓微波集成电路领域技术的进步，雷达作为战术飞机主传感器的地位仍然会继续保持下去。 电子扫描技术的发展 雷达波束天线电子扫描应用的第一步是无源电子扫描阵列（ESA），其主要优点是实现了波束的无惯性扫描，在作战中有助于对辐射能量的控制。现役的此种类型的雷达有美国空军的B1-B和俄罗斯的米格-31装备的雷达，在研的有法国装备其"阵风"战斗机的RBE-2雷达。 有源ESA的出现是技术上的又一进步。它的每一个阵元中都有一个RF发射机和灵敏的RF接收机，在各个发射/接收（T/R）模块内都有一个功率放大器、一个低噪声放大器和用砷化镓技术制造的相位振幅控制装置。有源ESA雷达技术放弃了传统的中心式高功率发射机，除了具有无源相控阵雷达的优点外，还提高了能量的使用效率并具有自适应波束控制、强抗干扰能力和高可靠性等优点。 h t p:/b s.t i e x u e.n e t/] 血社区 [ 转自铁 西方国家第一代有源相控阵雷达系统接近定型的有美国装备F-22和日本装备 FS-X的雷达。英、法和德国共同研制的AMSAR项目也确定使用先进的有源相控阵雷达技术，为其后续的欧洲战斗机雷达的升级改装做准备。从今天的角度来看，雷达技术未来的下一个发展方向是保形"智能蒙皮"阵列，它把有源ESA技术和多功能共用RF孔径结合了起来，在天线阵元的安排上，与飞机机身的结构巧妙地配合，实现宽波段和多功能。保形天线阵列有高性能的处理器并使用空-时自适应处理技术有效地抑制了外部的噪声、干扰和杂波并能以最优化的方式来探测所感兴趣的目标。虽然有许多相关的技术问题需要解决，但保形"智能蒙皮"技术并非是个不切实际的解决方案，预计在20～25年的时间内就可以达到实用阶段。 在10～15年内，对战术飞机射频传感器（包括雷达）未来所执行的任务来说，最迫切的需要是增加功能、提高性能，并且还要注重经济性和可维护性。美国的"宝石路"计划已经证明，航空电子系统通过采用通用模块、资源共享和传感器的空间重构（重构的设备包括雷达、电子战及通信-导航-识别等射频传感器）可以做到系统的造价和重量减小一半，而可靠性提高三倍。它所确立的综合模块化航空电子的设计原则已用于JSF战斗机的综合传感器系统（ISS）和多重综合式射频传感器工程的设计中，欧洲类似的用于未来战术飞机的综