如何在AESA技术的“较量”中胜出?

2019-09-03

有源电子扫描阵列(AESA)由于其卓越的性能、多功能能力以及降低的功耗和雷达散射特征使得空中作战飞机的性能发生了革命性的变化,而且可靠性更高、生命周期内的成本费用更低。随着器件和封装技术的发展,诸如氮化镓(GaN)单片微波集成电路(MMIC)、共形阵列、数字阵列雷达、MIMO体系结构和集成射频系统等领域是未来发展的趋势。

战机火控雷达升级

目前新设计的作战飞机火控雷达采用了AESA多功能系统,典型工作频段为X波段;这些雷达也正在改装到F-15E、F-16和F/A-18等现役战机上,以提升其作战能力。据美国国防科学委员会(DSB)在2001年发布的报告估计,计划装备的F-22(295架)、F/A-18E/F(258架)、F-15C(18架)、F-16Block60(80架)和JSF(约3000架)将需要超过三百万个T/R模块。

1993年,三菱电机公司同意向美国出售为日本F-2战机研制的J/APG-1有源相控阵雷达系统,该雷达技术被应用于美国空军的高级战术战斗机(F-22)计划。根据美国日本防务支援协议,三菱公司向五角大楼提供了5部雷达及其相关技术数据和资料。美国的第一批AESA产品是西屋公司研制的1500单元阵列雷达,也就是现在诺斯罗普·格鲁曼公司为F-22A猛禽战机研制的APG-77雷达前身。

与西屋公司同时开展研发的是由1100个单元构成的雷神APG-79雷达,最初的目的是为了升级替换F/A-18E/F超级大黄蜂装备的APG-73雷达。为APG-79开发的T/R模块技术被用于后来F-15C的APG63(V)3和F-15E的APG-82(V)1雷达升级,此外,该技术也促进了B-2幽灵隐形轰炸机雷达APQ-181的进一步升级,APQ-181使用了一对2000个X波段天线单元。

诺斯罗普·格鲁曼公司开发了1000个阵元的APG-80作为F-16战机的升级产品,后来APG-80演变为可升级的捷变波束雷达(SABR)设计,以SABR为模板,格鲁曼公司研制了装备F-16的APG-83、装备B-1轰炸机的SABR-GS APQ-164 AESA雷达。

如何在AESA技术的“较量”中胜出

AESA雷达单通道T/R模块

 

与PESA采用无源相移器件不同,AESA的T/R模块将多个MMIC组合在一起实现独立通道控制的接收机、发射机和波束控制器。早期的AESA采用四通道设计技术,而目前都是基于单通道T/R模块的设计。与四通道或多通道的设计相比,单通道设计能够显著提高生产效率;AESA天线与数百甚至上千个收发模块集成组装在一起实现电磁波的接收、发射。

标准化T/R模块解决方案的发展受益于低温共烧陶瓷(LTCC)封装技术,在过去几年的发展中,T/R模块在面积、重量和成本上都取得了较大的进步。以折叠板概念为基础的表面贴装技术使得T/R模块实现了安装深度的显著减小。由于AESA雷达使用了数百到数千个独立的T/R模块,因此即使部分T/R模块出现故障也只会稍微降低天线性能。灾难性的AESA故障仅仅在共享子系统(如电源或波束控制器BSC)发生故障时才会出现。

AESA具有比PESA或MSA更大的带宽,有助于低截获概率(LPI)模式,并有效对抗针对频带内信号的电子干扰;这种能力允许使用AESA雷达作为威胁告警子系统的高增益天线,或者具有千兆比特/秒的带宽传输能力,或者具有LPI隐蔽能力的数据链路。AESA接收机通常比PESA/MSA接收机具有6dB或更好的噪声系数,因为网络噪声系数或系统噪声系数主要是由天线辐射单元与第一级接收机之间的损耗决定的。

更高功率孔径的AESA阵列也具有作为定向能武器的巨大潜力,从而在电子目标密集的环境中产生破坏性或电气损伤效应。AESA将成为使用GaN元件的下一代EA-18G咆哮者干扰机设计的核心技术。

如何在AESA技术的“较量”中胜出

虽然战斗机在美国机载X波段AESA雷达上占据主导地位,但AN/ZPY-2多平台雷达技术嵌入计划(MP-RTIP)已经启动,专门用于提供监视成像和地面动目标指示(GMTI)能力,面向的装备平台为E-8“JSTARS”和RQ/MQ-4全球鹰。实现高分辨率的宽幅合成孔径雷达(SAR)图像是一种全新的技术挑战,需要应用新的设计概念和系统架构。

基于多通道的SAR系统允许通过使用数字波束形成(DBF)或MIMO技术来克服分辨率与覆盖范围的矛盾。SAR图像的产生是通过相参方式实现的,从而导致散斑噪声,但也意味着能够提取出更多的附加信息。目前已经有多种技术可用于检测两幅SAR图像之间的精细地表扰动,例如应用于地面车辆轨迹的相干变化检测(CCD)技术。

运动目标检测(MTD)雷达通过使用目标运动引起的多普勒频移,可以消除杂波后检测到期望的目标信号;MTD要求射频元器件具有高线性度和宽动态范围,并实现天线旁瓣电平控制。空时自适应处理(STAP)能够通过空间和多普勒谱特性区分目标和杂波,从而将杂波区检测的虚警率降低一个数量级。

如何在AESA技术的“较量”中胜出

 

作者:MN Wasif (雷达高级分析师)

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