當美國X波段機載AESA雷達占據主導地位之時,專門針對ISR應用的X波段AN/ZPY-2多平臺雷達技術插入計劃(MP-RTIP)才開始啟動。MP-RTIP雷達專門用于提供監視成像和地面動目標指示能力,主要針對E-8、E-10和RQ/MQ-4“全球鷹”平臺。AESA技術也是設計新一代干擾機EA-18G“咆哮者”干擾支持吊艙的關鍵,計劃采用氮化鎵(GaN)器件。
雖然歐洲制造商落后于美國,但目前也能提供幾種X波段AESA產品,包括泰利斯公司為達索公司“陣風”戰斗機開發的RBE2型雷達,歐洲雷達聯盟為“臺風”戰斗機開發的ECR-90雷達和塞萊克斯公司更小型的Vixen500E和1000E型AESA雷達(對新一代“鷹獅”戰斗機)。所有設計都充分汲取了機載多功能固態有源陣雷達(AMSAR)開發項目的經驗與教訓。
法扎特倫公司是俄羅斯第一家提交X波段AESA雷達的生產商,早在2007年便交付了供“米格-35”戰斗機使用的Zhuk-AE有源陣雷達。之后不久該公司便與季霍米洛夫NIIP公司展開了為“蘇-27/30”和T-50 PAK-FA新一代隱身戰斗機提供大型AESA雷達的競標。季霍米洛夫NIIP公司同期開發的L波段AESA項目備受關注,該雷達旨在嵌入戰斗機機翼前緣和外側,提供敵我識別和反隱身探測。
雖然X波段AESA雷達在先進戰斗機應用中占據主導,但諾·格公司的AN/ASQ-236雷達吊艙卻獨辟蹊徑,專為精確地面測繪而設計開發了Ku波段AESA雷達。
20世紀90年代,X波段AESA雷達逐漸滲入機載預警雷達市場。以色列IAI/Elta公司基于波音707-320平臺開發了L波段EL/M-2075“費爾康”雷達,后驗證機被銷往智利,而相關技術卻演變成G550平臺攜載的EL/W-2085雷達,現裝備以色列和新加坡。1998年,因為“楔尾”的原因,采用相同的技術研發的EL/W-2090型L波段三面陣AESA雷達未能成功銷往澳大利亞,也未能如愿銷售給中國,最終印度購得此套系統。瑞典S波段“愛立眼”機載雷達出口取得了巨大成功,用戶有瑞典、巴西、希臘、墨西哥、巴基斯坦、泰國和阿聯酋,平臺可選用商用噴氣式或渦輪螺旋槳飛機。美國唯一的機載預警與指揮控制AESA雷達是諾·格公司開發的L波段多功能電掃描陣列(MESA),雷達以波音737-600為平臺,系統現已銷往澳大利亞、土耳其和韓國。
雖然機載應用是AESA研發的主要目標,但新出現的地面應用也逐漸得到推廣。其中之一是導彈防御用的目標捕獲與火控雷達。以色列埃爾塔公司率先推出了EL/M-2080“綠松”L波段雷達,用于支持“箭”式反彈道導彈。之后不久,美國雷聲公司推出了25344個陣元的AN/TPY-2型THAAD地基雷達/前沿部署的X波段機動式寬帶AESA雷達,用作THAAD系統的捕獲與交戰雷達。該領域內體積最龐大,功率最強勁的雷達當屬包含45056個陣元的海基X波段雷達,是專為地基攔截器三級外太空反彈道導彈開發的,其AESA天線陣面直徑達22米。
AESA技術占主導的另一個領域是X波段捕獲和火控雷達,可用來為作戰艦只提供保護,使其免受掠海巡航導彈的攻擊。典范之作包括雷聲公司為“朱姆沃爾特”級驅逐艦和“福特”級航母開發的AN/SPY-3多功能雷達,泰利斯公司為荷蘭“澤文·普羅文森”號護衛艦和德國“薩克森”號護衛艦開發的APAR四面陣相控陣雷達(3000個陣元)和澳大利亞CEA技術公司為“安扎克”級護衛艦開發的CEA-FAR/CEAMOUNT(含1024個陣元),上述雷達均旨在引導RIM-160改進型“海麻雀”導彈。
AESA技術也逐漸推廣應用到搜索捕獲雷達之中。且不說“朱姆沃爾特”級驅逐艦雙波段雷達系統的S波段雷達,單是泰利斯/雷聲公司的地面防空雷達系列中S波段GM200和GM400也堪稱典范之作。俄羅斯金剛石-安泰聯合企業/NNIIRT開發的IL119“天空”SVU和VHF波段55Zh6ME RLM-M“天空”M型3坐標反隱身搜索和捕獲雷達同樣引人關注。前者采用84個陣元,每個陣元的額定功率為1.4~1.7千瓦;后者采用168個陣元,額定功率也許更大。
AESA雷達的優勢與局限
為什么AESA最終會取代PESA和MSA設計,而后者僅局限于某些特定的應用呢?
首先,最重要的原因是波束形成和波束捷變能力。在現代AESA的設計中,波束參數可以高達數千赫茲的速率改變,這是早期推行ESA應用的驅動力,這樣天線可以很高的刷新率跟蹤多個目標,這對于攔截超聲速飛行的巡航導彈、飛機或再入戰斗部等快速目標至關重要。
波束捷變能力還可以驅動天線執行不同任務,獲得時間共享、多路復用或交叉使用的能力。在火控應用中,這允許雷達同時跟蹤多個分散的目標,或同時執行搜索、導彈中段或末段制導任務。在搜索應用中,允許雷達在跟蹤同時執行立體搜索任務。在監視應用中,它允許交替執行對地測繪和動目標檢測任務。在戰斗機應用中,可提供測繪、地形跟隨或回避、空面目標搜索和數據傳輸等功能交替執行的能力。因此,1部獨立的AESA多功能雷達可以取代2部以上功能單一的常規雷達。
第二個重要原因是,AESA雷達的可靠性大大優于常規雷達,這主要得益于其采用了成百上千個T/R模塊。即使多個T/R模塊故障,也只會降低天線性能,而不會導致其失效。只有當共享子系統,如電源或波束控制器故障時,AESA雷達才會出現致命故障。而MSA容易發生機械故障,且行波管、波導、饋源和高壓電源等電子器件均易發生單點故障。
相較于PESA,AESA最重要的優勢是其具有獨立控制每個陣元的增益和相位的能力,這會對以下幾個領域產生重要影響:
首先是波束形成更精確,不同的波束還可以采用不同的口面錐削分布,這在副瓣抑制時經常使用。副瓣抑制是隱身技術關注的重要問題,因為極低旁瓣可降低被敵方截獲的概率。
其次,AESA能提供比PESA或MSA寬得多的帶寬,這有利于低截獲概率模式和針對帶內輻射源的電子攻擊。在某些設計中,這種能力允許將雷達AESA用作威脅告警系統的附加高增益天線,或作為帶寬能力高達數千兆比特每秒的數據鏈,或兩者兼而有之。AESA接收機的噪聲指數一般比PESA/MSA接收機低6分貝以上,大功率孔徑AESA還能用作重要的定向能武器,可對電子密集目標系統或電子設備造成毀滅性影響。就雷達結構截面積而言,固定的AESA本身就優于萬向支架式的MSA,更容易與其他隱身平臺融合。
但是,獲得這些優勢并非不需要付出代價。與MSA相比,AESA雷達更復雜,研發費用更高,重量和體積也比MSA大得多。功耗和冷卻也是開發AESA面臨的兩大難題,這已成為其與小型平臺整合難以逾越的鴻溝。許多設計中,半導體器件的功率密度限制和T/R模塊級冷卻架構直接影響著AESA性能增長。隨著實時處理要求的提高,AESA對軟件依賴性更強,會帶來許多不屬于射頻領域的獨特的工程問題。
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