有源相控陣(AESA，亦譯有源電掃描陣列)雷達(dá)已成為現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，不僅會(huì)在許多新機(jī)型中取代機(jī)械掃描陣列(MSA)和無源電掃描陣列(PESA)雷達(dá)，還用于現(xiàn)役飛機(jī)的批量升級(jí)。AESA也已滲入以前由MSA和PESA技術(shù)主導(dǎo)的其他領(lǐng)域，包括機(jī)載預(yù)警雷達(dá)、面對(duì)空導(dǎo)彈火控雷達(dá)和立體搜索雷達(dá)。這種發(fā)展勢頭還會(huì)持續(xù)下去，并將得到進(jìn)一步的發(fā)展。但是，AESA也不是“萬能藥”，并非適合所有雷達(dá)應(yīng)用。因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)支撐硬件提出許多獨(dú)特的要求，而在傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)中，這樣的硬件很少甚至根本沒有。這些要求增加了系統(tǒng)集成的費(fèi)用，并且在不同程度上影響到其應(yīng)用。

雷聲公司的 RACR 基于 APG-79 AESA 雷達(dá)的經(jīng)驗(yàn)

毋庸置疑，隨著技術(shù)日趨成熟，制造費(fèi)用不斷下降，AESA近期有望成為一種主流技術(shù)，用于多種大批量雷達(dá)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。要知道AESA因何能夠獲得如此巨大的成功，首先需要了解電掃描陣列或相控陣的發(fā)展歷程。

ESA雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

世界上第一種“現(xiàn)代化”的軍用量產(chǎn)型相控陣?yán)走_(dá)是曾在二戰(zhàn)后期部署的德國制造的VHF波段GEMA FuGM41“猛犸象”或“板墻”系列對(duì)空/對(duì)海監(jiān)視雷達(dá)。這種創(chuàng)新性的雷達(dá)引入了電子或“靈活”波束控制概念-天線主瓣的方向不再通過天線視軸的物理指向來控制，而是通過改變經(jīng)由天線陣列陣元的信號(hào)的相對(duì)相位或延時(shí)來實(shí)現(xiàn)。雖然更早出現(xiàn)的英國“本土鏈”雷達(dá)(曾對(duì)不列顛之戰(zhàn)發(fā)揮決定性作用)是利用天線陣元對(duì)之間的相位關(guān)系來測向，但“猛犸象”雷達(dá)才是第一種通過多個(gè)獨(dú)立的相位或延時(shí)控制單元實(shí)現(xiàn)收發(fā)的批生產(chǎn)型號(hào)。

這種方法帶來的最大好處就是不再需要通過機(jī)械的方法控制龐大笨重的天線掃描大范圍空域，而通過電子控制波束指向獲得靈活的波束控制能力。這是ESA相對(duì)于MSA的重要優(yōu)勢，因?yàn)樗軌蜢`活控制波束，跟蹤單個(gè)目標(biāo)或群目標(biāo)，以及提高對(duì)大范圍空間的掃描速率。對(duì)于設(shè)計(jì)和維護(hù)人員來說，與MSA相比，采用ESA會(huì)帶來復(fù)雜度、體積和重量方面的問題，至今上述因素仍是影響ESA技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙。

20世紀(jì)70年代，隨著美國和前蘇聯(lián)開發(fā)了一系列重要的系統(tǒng)，ESA技術(shù)取得了長足進(jìn)步。但不管怎么發(fā)展，其宗旨都是獲得同時(shí)跟蹤大批量高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力，進(jìn)而支持導(dǎo)彈制導(dǎo)應(yīng)用，以及戰(zhàn)術(shù)/戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈和低/高空巡航導(dǎo)彈防御應(yīng)用。

美國部署了雷聲公司開發(fā)的450兆赫茲FPS-115“鋪路爪”雷達(dá)，前蘇聯(lián)開發(fā)部署了150兆赫茲的NIRI 5N15“第聶伯河”/“雞舍”系列PESA雷達(dá)，兩者均用于執(zhí)行關(guān)鍵的戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈捕獲和跟蹤任務(wù)。后來的“鋪路爪”型號(hào)，平均功率為145.6千瓦，峰值功率為582.4千瓦，采用的陣元數(shù)量至少1792個(gè)，每個(gè)陣元的輻射功率為325瓦。

美國陸軍裝備的雷聲公司C波段MPQ-53“愛國者”交戰(zhàn)雷達(dá)和前蘇聯(lián)的X波段5N63/30N6(用于S-300PT/SA-10)和9S32(用于S-300V/SA-12)交戰(zhàn)雷達(dá)也是PESA雷達(dá)，都是為摧毀飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈而開發(fā)的。上述3種雷達(dá)采用了相同的設(shè)計(jì)理念-采用無源光學(xué)空間饋電和由移相器組成的透射主天線陣。前蘇聯(lián)雷達(dá)采用精心設(shè)計(jì)的單脈沖饋源喇叭排列，置于透鏡組件之后。類似的空間饋電設(shè)計(jì)也用于前蘇聯(lián)為S-300V/SA-12地空導(dǎo)彈系統(tǒng)開發(fā)的X波段9S19“高屏”反彈道導(dǎo)彈捕獲雷達(dá)和為S-300PM/SA-20A地空導(dǎo)彈系統(tǒng)開發(fā)的5N64/64N6“大鳥”S波段雙面陣戰(zhàn)場管理雷達(dá)。

類似的作戰(zhàn)需求也推動(dòng)美國海軍開發(fā)了SPY-1“宙斯盾”S波段無源相控陣?yán)走_(dá)。該雷達(dá)每個(gè)天線面有4096個(gè)陣元，分成140個(gè)模塊，每個(gè)模塊包含32個(gè)陣元，利用復(fù)雜的波導(dǎo)饋源網(wǎng)絡(luò)分發(fā)發(fā)射和接收信號(hào)。SPY-1A采用混合陣，每個(gè)天線陣面內(nèi)嵌有4352個(gè)固態(tài)接收機(jī)，采用8部發(fā)射機(jī)為每個(gè)陣面提供高達(dá)132千瓦的總峰值功率。

第一代ESA雷達(dá)的共有特征是，采用無源透射鐵氧體移相器和行波管發(fā)射機(jī)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的峰值功率。對(duì)重量敏感的應(yīng)用，如地面導(dǎo)彈連，則優(yōu)選光學(xué)空間饋電，而“宙斯盾”系統(tǒng)和更低波段的彈道導(dǎo)彈防御雷達(dá)則采用饋電網(wǎng)絡(luò)。截至目前，所有上述雷達(dá)的型號(hào)及派生型仍在服役和生產(chǎn)。

20世紀(jì)80年代，第二代ESA雷達(dá)面世，主要針對(duì)機(jī)載應(yīng)用，充分汲取了雷達(dá)設(shè)計(jì)師在70年代早期獲得的經(jīng)驗(yàn)。美國西屋公司為B-1B“槍騎兵”轟炸機(jī)開發(fā)了X波段APQ-164雷達(dá)，是從EAR(電子捷變雷達(dá))演示驗(yàn)證機(jī)發(fā)展而來的PESA型號(hào)，具備一定的低截獲概率(LPI)能力。雷達(dá)共用1個(gè)由1526個(gè)陣元組成的獨(dú)立孔徑，用于地面測繪、武器瞄準(zhǔn)和自動(dòng)地形跟隨等。利用行波管和接收機(jī)鏈路冗余技術(shù)，達(dá)成ESA天線的高可靠性要求。

隨后不久，休斯公司就為B-2A“幽靈”隱身轟炸機(jī)開發(fā)了Ku波段APQ-181無源相控陣?yán)走_(dá)。APQ-181是一種低截獲概率雷達(dá)，具備隱蔽攻擊能力。它采用了與APQ-164相同的天線技術(shù)，提供類似的導(dǎo)航、瞄準(zhǔn)和自動(dòng)地形跟隨能力。不僅如此，它還附加了一項(xiàng)比較苛刻的要求，即天線陣面的雷達(dá)發(fā)射截面積必須滿足類似“小鳥”的尺寸，這樣才能保證B-2優(yōu)異的隱身性能。APQ-181雷達(dá)再一次驗(yàn)證了ESA相較于MSA的關(guān)鍵優(yōu)勢，且適于隱身探測，這也是長期以來推動(dòng)AESA，尤其是機(jī)載AESA雷達(dá)不斷向前發(fā)展的關(guān)鍵因素。

雖然美國早期的機(jī)載ESA方案主要針對(duì)轟炸機(jī)應(yīng)用，但前蘇聯(lián)的首部X波段機(jī)載PESA雷達(dá)-季霍米洛夫NIIP公司開發(fā)的BRLS-8B“盾牌”(Zaslon，北約稱“閃舞”)脈沖多普勒機(jī)載攔截雷達(dá)卻是為“米格-31”重型戰(zhàn)斗機(jī)開發(fā)的。這是因?yàn)樵撔蛻?zhàn)機(jī)承擔(dān)著攔截美國AGM-86B空射巡航導(dǎo)彈、BGM-109G陸射“戰(zhàn)斧”和RGN-109潛射巡航導(dǎo)彈的艱巨任務(wù)。“盾牌”雷達(dá)陣列由1700個(gè)陣元組成，能夠同時(shí)引導(dǎo)4枚“阿莫斯”遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈打擊隱藏在地雜波中的低信號(hào)特征目標(biāo)，是用于裝備前線戰(zhàn)斗機(jī)的第一種批生產(chǎn)型ESA雷達(dá)。其最顯著的特征是L波段IFF詢問機(jī)的PESA陣列被嵌入X波段雷達(dá)陣列之中。

與第一代ESA一樣，第二代ESA雷達(dá)也采用無源透射鐵氧體技術(shù)移相器和行波器發(fā)射機(jī)，唯一不同的是后者采用天線饋電網(wǎng)絡(luò)，這也是堆棧行結(jié)構(gòu)的典型特征。在此類雷達(dá)中首次采用的多種理念一直沿用于后續(xù)AESA的研發(fā)與設(shè)計(jì)中。

俄羅斯繼續(xù)采用PESA技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列新式雷達(dá)，如季霍米洛夫NIIP公司為“蘇-30MKI/MKM”戰(zhàn)機(jī)開發(fā)的N011M混合型ESA雷達(dá)以及為“蘇-35S”戰(zhàn)機(jī)開發(fā)的N035“雪豹-E”派生型雷達(dá)，法扎特倫公司為“蘇-33”艦載機(jī)開發(fā)的Zhuk-MFS/MFSE雷達(dá)，列寧人公司仿造APQ-164為“蘇-34”轟炸機(jī)開發(fā)的B004多功能火控雷達(dá)，NIIP梁贊GRPZ公司用于N001VE機(jī)掃雷達(dá)升級(jí)改造的Pero無源相控陣?yán)走_(dá)。Pero采用獨(dú)特的反射式空饋設(shè)計(jì)，其X波段喇叭置于陣列前面的尾桁之上。該技術(shù)也用于專為9K317“山毛櫸”M2/SA-17新型戰(zhàn)場防空導(dǎo)彈系統(tǒng)開發(fā)的X波段9S36交戰(zhàn)雷達(dá)。

20世紀(jì)90年代，美國和歐洲的AESA雷達(dá)技術(shù)取得了長足進(jìn)步，俄羅斯緊跟其后。雖然新研的AESA雷達(dá)采用了許多以前為PESA雷達(dá)開發(fā)的技術(shù)，但也引入了完全有別于PESA的發(fā)射機(jī)技術(shù)。砷化鎵平面單片集成電路工藝的成熟是AESA得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一，因?yàn)榇蠊β示w管和單片移相器的制造均有賴于這種工藝的成熟。雖然早在25年前就已經(jīng)普及小功率接收機(jī)用的低噪聲系數(shù)砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效晶體管(MESFET)器件，但直到微波單片集成電路(MMIC)技術(shù)成熟到能在關(guān)鍵應(yīng)用中將必需的電路封裝在有限空間的T/R模塊內(nèi)時(shí)，研制AESA才具備了現(xiàn)實(shí)的可能。L波段和S波段MMIC技術(shù)早在15年前就已經(jīng)成熟，更具挑戰(zhàn)性的X波段MMIC技術(shù)在10年前獲得應(yīng)用。PESA采用無源移相器件，而AESA的T/R模塊則集成了多個(gè)MMIC，形成獨(dú)立控制的接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和波束控制器。在T/R模塊設(shè)計(jì)方面，俄羅斯稍遜于美國，但有望很快縮短差距。

滲透軍用雷達(dá)主流應(yīng)用領(lǐng)域

目前，AESA技術(shù)已滲透到許多關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，包括X波段機(jī)載火控雷達(dá)、VHF至S波段預(yù)警搜索雷達(dá)和特定的S/X波段彈道導(dǎo)彈防御雷達(dá)。在不斷插入現(xiàn)役雷達(dá)的升級(jí)改造以及作為一種全新設(shè)計(jì)取代傳統(tǒng)雷達(dá)的發(fā)展中，AESA技術(shù)不斷取得進(jìn)步。

戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)機(jī)載雷達(dá)多為X波段。首部AESA批生產(chǎn)雷達(dá)是原西屋公司，現(xiàn)諾斯羅普·格魯曼公司為F-22A“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)開發(fā)的由1500個(gè)陣元組成的APG-77雷達(dá)。該雷達(dá)已成為AESA技術(shù)發(fā)展風(fēng)向標(biāo)，現(xiàn)已發(fā)展到第二種配置APG-77(V)1，其中采用的模塊與為F-35戰(zhàn)斗機(jī)開發(fā)的只有1200個(gè)陣元的APG-81雷達(dá)通用。

同期并行開發(fā)的是雷聲公司1100個(gè)陣元的APG-79雷達(dá)。該雷達(dá)最初為批量升級(jí)改造F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”戰(zhàn)機(jī)開發(fā)，最后卻發(fā)展成一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)。為APG-79開發(fā)的T/R模塊技術(shù)用于對(duì)F-15C戰(zhàn)斗機(jī)APG-63(V)3和F-15E戰(zhàn)斗機(jī)APG-82(V)1的AESA升級(jí)。早期的F-15雷達(dá)采用由行波管驅(qū)動(dòng)的機(jī)械掃描陣列技術(shù)，后來一部分F-15C戰(zhàn)機(jī)換裝了早期采用“條”式T/R模塊技術(shù)的APG-63(V)2雷達(dá)，近期的升級(jí)改造涉及APG-63(V)3/APG-82配置，其中采用了基于APG-79設(shè)計(jì)的獨(dú)立T/R模塊。這種先進(jìn)的T/R模塊技術(shù)也移植到APQ-181雷達(dá)的深度改進(jìn)之中，在其AESA型號(hào)中采用了一對(duì)2000個(gè)陣元的X波段陣列。同期，諾·格公司還開發(fā)了1000個(gè)陣元的APG-80雷達(dá)，用于老式F-16戰(zhàn)機(jī)的批量現(xiàn)代化改造，作為一種全新設(shè)計(jì)，APG-80現(xiàn)已發(fā)展成尺寸可變的靈活波束雷達(dá)(SABR)。

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