国外相控阵雷达导引头技术发展研究

赵鸿燕

摘 要： 相控阵雷达导引头是当今世界上最前沿、 最复杂的雷达导引头之一。 本文介绍了美国、 俄罗斯、 欧洲、 日本、 印度、 韩国、 以色列等国家的相控阵雷达导引头技术研究应用情况， 通过对国外发展情况的分析和总结， 提出一些有利于雷达导引头研制的启示和建议。

关键词： 导弹； 雷达导引头； 有源相控阵； 氮化镓技术

中图分类号： TJ765 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2018）03-0011-07

目前， 有源相控阵（AESA）已经成为机载雷达应用的尖端技术， 弹载AESA的很多技术也已接近或达到实用标准， 美国、 日本、 俄罗斯和欧洲均已开始具体应用项目的研究。

1 国外研究及应用情况

随着微电子及微机械技术的发展， 美国、 日本、 俄罗斯、 欧洲在导弹相控阵雷达导引头技术方面取得了明显进步。 印度、 韩国、 以色列等国也开始相关领域的研究。

1.1 美国

1.1.1 新一代空空导弹多波段多模雷达导引头

在2014年美国海空技术展上， 洛克希德·马丁公司推出了一款新型空空导弹， 其外形与AIM-120空空导弹相似。 据称， 该导弹采用先进的多波段多模有源相控阵（AESA）雷达导引头， 融合了宽频带被动高精度射频接收器和双波段有源相控阵主动导引头。 这种双波段有源相控阵主动导引头可工作在C波段和Ka波段。 C波段导引头改进了导弹的远距离截获和跟踪能力， 而Ka波段导引头则为导弹飞行末段提供高分辨率图像。 作战时， 导弹能够探测40 km以外的雷达截面积为0.1 m2的目标。 打击地面防空雷达时， 导弹能够在敌方雷达关机状态下对防空雷达进行成像识别末段导引。 目前该导弹已进行了一系列飞行试验， 飞行试验演示了新型导弹的技术成熟稳定性， 洛克希德·马丁公司正在进行风险降低工作， 以确保导弹系统是经济可承受的， 并具有显著的性能优势， 可以满足作战需要[1]。

1.1.2 “战斧”Block Ⅳ巡航导弹被动/主动导引头

自2013年11月起， 雷神公司就开始自主投资研发一款被动/主动导引头， 准备将其集成到“战斧”Block Ⅳ巡航导弹上。 被动导引头安装在头锥的位置， 能對目标进行识别和测向。 主动导引头则被安装在头锥下方， 可提高导弹在GPS信号受到干扰时的目标捕获能力。 雷神公司倾向于采用基于有源相控阵（AESA）技术的主动毫米波导引头[2-3]。 雷神公司计划为“战斧”Block Ⅳ导弹配备的新型多模导引头见图1。

2015年， 雷神公司进行系留飞行试验， 演示了“战斧”Block Ⅳ导弹多模导引头发射主动雷达波以及接收目标反射电磁波的能力。 测试中， 安装了主动和被动雷达天线以及新型模块式多模处理器的“战斧”Block Ⅳ导弹头部被安装到T-39飞机上。 后者以不同的高度模拟导弹的飞行轨迹进行亚音速飞行。 多模导引头和多功能处理器在复杂、 密集电磁环境下操纵主动雷达照射地面以及海上的固定和移动目标。 这是使该导弹具备打击地面和海上移动目标的关键一步[4]。

1.1.3 “以商用进度开发阵列”（ACT）项目

美国国防预先研究计划局（DARPA）正在进行“以商用进度开发阵列”（ACT）项目， 旨在减少开发相控阵的一次性费用（通常达到成本的40%）， 并能快速引入新技术。 雷神公司从DARPA获得了ACT项目第1阶段的2份合同， 为有源相控阵（AESA）的快速升级和广泛部署开发适应性强且可重新配置的通用电子系统。 ACT项目包括两个技术领域。 TA1重点是实现数字接收/激励和数字波束形成， 并开发出通用模块。 TA2重点是研制出可赋予AESA雷达或干扰机“特性”的辐射元， 并使其能够重新配置[5]。 ACT通用模块如图2所示。

引头技术发展研究雷神公司正在研发的数字通用模块， 占阵列核心功能的80%～90%， 可实现一系列广泛的应用， 能构成从S波段到X波段的可重构可调谐的射频孔径， 形成多样化的特性[6]。 雷神公司透露， 通用模块旨在以最佳的效费比和最优的适应性进行数字波束生成。 ACT项目的开展， 使AESA阵列在不同部分可同时产生多个不同用途的数字波束。 通用模块打破了系统分类的惯例， 不再将一个阵列仅仅限于雷达或电子战。 随着模拟的相控阵越来越多地转向数字相控阵， 将实现软件定义射频传感器， 从而对每个辐射元进行数字控制。 ACT技术使数字射频阵列可直接进行射频采样， 为系统省掉许多组件， 当前射频采样速度达到60 Gbps， 功耗已大量减少[5-6]。

DARPA准备开发不需要改变设计就可以重新配置从而在不同带宽、 不同波段和不同扫描角度工作的机载辐射组件， 雷神公司目前已经按照系统需求的带宽、 极化方式、 频率， 为天线阵列重新设计了辐射器[6]。

1.1.4 氮化镓（GaN）技术

有源相控阵（AESA）雷达的射频器件会生成大量的热， 从而导致热管理问题。 航空电子设备常规的气冷方式无法解决AESA雷达散热问题， 尤其是当采用砷化镓技术时。 因此液冷成为公认的解决方案， 其可使冷却通道直接位于T/R模块或MMIC之下。 但是， 液冷系统存在造价昂贵、 体积庞大、 可靠性低且难以维护等缺点。 基于氮化镓的T/R模块能工作在比砷化镓更高的温度下， 因此气冷再次成为一种切实可行的解决方案[7]。

雷神公司在2013年3月完成了美国国防部办公室（OSD）为期3年的Title Ⅲ氮化镓项目。 OSD期望通过该项目推动氮化镓技术的发展， 以期提供可工业生产、 高度可靠且经济可承受的热管理解决途径。 在氮化镓的开发过程中， 雷神公司密切关注13个关键性能参数， 它们涵盖从产量、 成本到产品性能的诸多方面。 通过该项目， 雷神公司氮化镓的生产已提高了至少300%， 单片微波集成电路的成本至少改善了75%。 2014年， 雷神公司在美国“爱国者”防空反导雷达系统上成功演示了有源相控阵和氮化镓技术原型。 该技术能在未来实现360°感知覆盖， 还可扩展防御范围， 并减少探测、 识别和消除威胁的时间。 相关工作使得雷神公司成为第一家在氮化镓处理方面达到8级制造成熟度的制造商[8-9]。

氮化镓芯片的输出功率比同样面积的砷化镓高5倍以上， 采用具有較高功率密度的氮化镓器件不仅能降低系统成本， 还能提高部件的可靠性。 雷神公司目前正在开发采用氮化镓器件的有源相控阵雷达系统。 未来其所有新型雷达和电子系统都将使用氮化镓器件[8]。 雷神公司生产的氮化镓晶片如图3所示。

1.1.5 相控阵相关专利

美国雷神公司的专利US7728769B2[10]， Adaptive processing method of clutter rejection in a phased array beam pattern（相控阵波束方向图杂波抑制自适应处理方法）， 介绍了一种相控阵波束天线图杂波抑制的自适应处理方法和系统。 该专利确定了二维相控阵发射元的幅度分布， 合成了期望的低旁瓣线阵方向图， 并将二维相控阵发射元的幅度分布和合成的方向图相比较。 挑选出不能使所确定的二维相控阵发射元的振幅分布与合成的波束方向图达到最佳匹配的二维阵元。 通过相位方向图合成， 产生期望的低旁瓣二维波束方向图， 从而将任何最佳匹配误差减至最小。

美国雷神公司的专利US2015/0130658A1[11]， Methods and apparatus for signal sideband receiver/transceiver for phased array radar antenna（用于相控阵雷达天线的信号边带接收/收发装置及其实现方法）， 涉及到一种具有单边带混频器的接收机装置， 其具有全通网络， 可取消不需要的边带信号下变频。 典型的雷达收发机有三个开关滤波器组， 分别用于前端干扰防护、 接收机镜像抑制、 发射镜像抑制， 而该专利提供了一种使用单边带混频器进行信号上下变频的雷达接收机或收发机模块， 其只需一个开关滤波器组， 就可实现前端干扰防护、 接收镜像抑制和发射镜像抑制。 该专利中的接收机/收发机模块置于单片集成电路或芯片上， 工作频率范围约6～18 GHz。 芯片上的全通网络在宽带宽、 多倍频程提供90°相移。 由此产生的尺寸较小的单片接收机或收发机可用于相控阵雷达天线。 因为不需要庞大的片外开关滤波器组， 所以可增加相控阵天线收发机芯片的数量， 从而增强相控阵天线接收后同时跟踪多个目标或发射后立刻将多个波束指向多个目标的能力。

1.2 日本

1.2.1 AAM-4B导弹有源相控阵雷达导引头

2001年， 日本启动了AAM-4空空导弹改进型 AAM-4B的研制工作， 2009年完成研制并定型， 2012年开始装备日本航空自卫队。 AAM-4B空空导弹如图4所示， 该导弹采用Ka波段有源相控阵雷达导引头， 可提高导引头发射功率， 进而提高自主制导距离， 并增大射程， 提高抗干扰能力以及对横向穿越目标、 空地导弹和巡航导弹的攻击能力[12]。

日本防卫省技术研究和开发本部（TRDI）正在研制一种可提高对隐身目标探测能力的新型导弹制导系统。 其采用的不是目前基于目标视线角速率的制导算法， 而是基于目标位置预测的制导算法。 该制导系统通过计算机动目标即将到达的位置， 可在较远的距离发现具有低雷达反射截面的飞机， 并可优化导弹的飞行路线[13]。

该制导系统通过减小导引头扫描范围来提高成功发现目标的概率。 当传感器被激活进行末制导之后， 如果通过精确预计敌机所处的位置来将扫描范围集中于较小的区域， 将增加发现转瞬即逝的目标的可能性。 导弹只需扫描较小的空域， 就可增大对于隐身目标的截获距离[13]。

研发计划的另一个目的是缩短导弹的飞行轨迹， 也就是让导弹飞行得更快。 TRDI称其所开发的制导系统能通过进一步预测而转向目标将处在的位置， 如果目标在载机的正前方迎头飞行， 且二者的飞行高度都是12 000 m， 运用目标运动预测技术能将拦截导弹的飞行时间减少12%， 也就是从15 s减少为13.2 s。 图5所示为运动预测与比例导

航的对比。 运动预测使导弹的拦截弹道曲率更小， 拦截时间更短， 可减小目标的反应时间[13]。

AAM-4B将会受益于上述这些研发工作。 其导引头采用有源相控阵（AESA）， 能够在天线尺寸相同的情况下进行更高功率的发射， 从而提高了对隐身目标的作战性能。 另外， 日本正在开发采用氮化镓晶体管的雷达， 有望进一步增加发射功率。 AESA雷达能够实时调整波束和扫描范围来进行目标位置预测， 因此具有灵活转向最新预测目标位置的优点， 其也应该能根据目标位置预测即时减小和增大扫描范围[13-14]。

1.2.2 相控阵导引头相关专利

日本东芝公司的专利JP05674694B2[15]， Phased array seeker and method for transmitting/receiving high frequency signal of phased array seeker（相控阵导引头及其高频信号发射/接收方法）， 涉及到相控阵导引头的反射式集成天线， 该天线包括采用PIN二极管的移相器。 PIN二极管正极接到微带线上， 负极接地。 串联连接的微带线由高温超导材料制成的导体构成。 移相器被冷却装置制冷至超导跃迁温度以下， 制冷剂为液氮。 除了接触反射式集成天线外， 冷却装置与周围是隔离的。 该设计使移相器插损降低、 发射功率提高， 使接收时的噪声因子减小， 实现移相器制冷。

日本东芝公司的专利JP05722258B2[16]， Phased array seeker（相控阵导引头）， 介绍了一种可减小集成天线中移相器插损的相控阵导引头设计。 该相控阵导引头包括： 若干微带线（导体由超导材料构成， 串联连接）， 移相微带线（一端连到微带线上， 导体由超导材料构成）， 以及PIN二极管（正极连到移相微带线的另一端， 负极接地）。 相控阵导引头也包括： 发射/接收信号的移相器（可控制所发射的高频信号的相位）和冷却设备（将发射信号的微带线、 移相和发射信号的微带线、 接收信号的微带线、 移相和接收信号的微带线制冷到超导跃迁温度或更低温度）。 该相控阵导引头通过支撑移相器的导电隔热材料将集成天线固定在壳体中。 每个天线都由液氮（其除了接触移相器外， 与壳体中其他部分都是隔离的）制冷。 液氮把移相微带线冷却至超导跃迁温度以下。

1.3 俄罗斯

俄罗斯玛瑙设计局正在研究用于導弹导引头的主动式和被动式的有源相控阵天线。 俄罗斯披露了其为新型K-77M空空导弹研发的64单元有源相控阵（AESA）雷达， 如图6所示。 文献[17-19]显示， 该AESA雷达预计在2015年2月开始量产， 目前已进入批量生产。

俄罗斯公开展示的K-77M空空导弹的相控阵雷达导引头， 是在机扫天线驱动平台上， 用64单元AESA天线替代平板缝隙天线， 采用主/被动复合方式， 既可固态电扫又可机械扫描。 这种做法不需要对导引头和天线罩进行大的改动就能对现有的R-77进行AESA天线改造。 主要针对全电扫AESA雷达大角度范围搜索距离下降的性能局限， 俄罗斯的弹载相控阵天线采用这种电扫与机扫结合的方式， 小偏角利用天线电扫描的方式， 大角度则依靠机扫提供天线的侧向倾斜角[18]。

俄罗斯弹载相控阵天线的缺点是重量和占用空间大， 天线罩的外形仍然受到天线旋转空间限制， 优点则是AESA天线设计和工艺简单， 用机扫使天线在整个前半球都能获得均衡的搜索距离。 俄罗斯为K-77M选择机-电混扫AESA雷达， 主要是因为其电子移相器的技术水平不高， 传统移相器的体积和重量太大， 难以综合到R-77弹体中。 K-77M的AESA导引头设计性能不错， 但因为天线尺寸小， 阵面采用了交错条形构成的矩形， 雷达天线的总面积要小于普通的盘形天线， 这也在部分程度上削弱了AESA的性能优势[18]。

1.4 欧洲

与砷化镓器件相比， 氮化镓器件能在更高的电压下工作而不会过热， 所以氮化镓器件比目前有源相控阵雷达上使用的砷化镓器件的功效更高。 目前MBDA公司正在和英国、 法国一起探索半导体氮化镓在导弹射频导引头和传感器上的潜在用途[20]。

法国联合单片半导体公司与波尔多大学合作进行了氮化镓的热动力极限试验。 试验中把氮化镓的工作电压从30 V增加到50 V， 以激发出更多的射频能量。 增加电压后氮化镓的发射功率可从为3～4 W/mm提高到6.5 W/mm[20]。

研究人员通过提高射频功率可实现导引头的小型化， 从而使导弹中有更多的空间装下更大的战斗部或更多的燃料。 当然， 射频导引头也可以安装在更小的导弹上， 从而实现导弹的小型化[20]。

1.5 韩国

韩国三星泰勒斯公司的专利KR1052042B1[21]， Beam steering controller for controlling phase shifter with MEMS switch in a phase array antenna（通过MEMS开关控制移相器的相控阵天线波束控制装置）， 介绍了一种重量轻、 结构简单、 波束扫描速度快、 制造经济合算的相控阵天线波束控制装置， 其包括相控阵天线驱动器和波束控制器， 如图7所示。 相控阵天线驱动器包括采用MEMS开关的移相器和“低压串联高压并联”变换器。 波束控制器可根据从相控阵天线控制装置接收到的波束指令信号， 计算出分别与移相器相应的相位数据， 并将该相位数据传送到相控阵天线驱动器， 相控阵天线驱动器通过像HV574那样的“低压串联高压并联”变换器以最小驱动电流来控制与相位数据对应的移相器的MEMS开关的开或关， 进行波束控制， 从而用最低成本实现了轻小型化。

1.6 印度

印度国防研究和发展组织的专利IN201303018I1[22]， System and method for injecting a target in active phased array radars（有源相控阵雷达目标输入系统和方法）， 提供了一种雷达目标模拟（包括对环境干扰（杂波）和人为电子干扰效果的模拟）的装置和方法。 信号的输入使雷达处于与战场中遇到的环境相似的电子环境中。 以高度的可重复性和灵活性， 沿信号路径在各点输入信号， 从而确定雷达各部分的特性或者将问题区域分离出来。 从射频（RF）前端到数字信号处理和雷达数据处理器， 利用真实的雷达信号对雷达性能进行评估和确定。 这在验证和加强信号处理和跟踪回路算法时特别有用。 而且， 该专利涉及到的一种改进的校准相控阵雷达系统， 可在从激励器到每个天线元的有源相控阵雷达发射通道中获得精确的相位响应。

机载和弹载相控阵接收想要的信号， 同时压制所有其他不想要的敌方输入信号。 这也使其不被敌方基地或敌机的雷达探测到。 文献[23]讨论了相控阵天线、 机械扫描平面阵、 无源电子扫描阵列、 有源电子扫描阵列、 宽角度扫描相控阵、 相控阵和MEMS电控天线的互耦效应等几个方面。 主要对适用于宽角度扫描阵列天线（在空基雷达上很有用）的天线元进行分析， 对与宽角度扫描相控阵设计和分析相关的问题进行思考。 该天线孔径包括许多辐射元， 可用于波束形成， 然后通过调整阵元相位来高效地控制波束。 此外， 该天线能抑制接收信号中所有不想要的部分， 同时在期望的方向保持充足的方向图增益。 这些特性可用于隐身[23]。

1.7 以色列

以色列航空工业有限公司的专利WO2015166490A1[24]， cover（头罩）， 介绍了一种包括内部头罩和外部天线罩的导弹导引头头罩组件。 内部头罩可完全透过第一个波段和第二个波段的电磁（EM）辐射。 第一个波段包括可见光、 红外光、 紫外光。 外部天线罩可透过第二个波段的电磁辐射。 第二个波段包括射频（RF）波段。 外部天线罩最初装在内部头罩外面， 飞行时可抛掉， 露出内部头罩。

内部头罩呈圆形， 可使第一个波段和第二个波段的电磁辐射透过时不会变形。 外部天线罩呈尖拱形或圆锥形， 其由两片组成， 每片之间通过爆炸螺栓连起来， 被激活后各片分离。 或者每片纵向边缘处是活性材料（如： 爆炸物质）， 一旦活性材料激活， 天线罩各片之间的机械连接就被破坏， 从而彼此分离。 头罩组件与导引头有共同的孔径。 导引头包括光电单元（发射/接收透过内部头罩的第一个波段电磁辐射）和射频单元（发射/接收透过外部天线罩的第二个波段电磁辐射）。 光电单元可以是红外成像导引头。 射频单元可以是相控阵导引头。 在导弹飞行初始阶段， 外部天线罩保护着内部头罩， 此时射频单元工作， 而光电单元不工作。 导弹可通过控制装置（如： 弹载计算机）使外部天线罩脱离。 外部天线罩脱离后， 内部头罩露出， 光电单元这时启动。 控制装置控制射频单元和光电单元之间的工作转换。 图8所示为外部天线罩被打开时和外部天线罩完全脱离后的头罩组件视图。

2 启示和建议

通过对上述国外相控阵雷达导引头技术的发展情况进行分析和研究， 可以总结出以下几点：

（1） 随着微电子及微机械技术的发展， 世界军事强国都加快了导弹有源相控阵雷达制导方面的研究， 但是有源相控阵雷达迟迟不能使用， 关键就在于导弹弹体空间太小， 限制了雷达导引头天线的大小， 为了保证较大的增益， 保证探测距离， 只能采用毫米波那样较高的频率（如美国洛克希德·马丁公司新一代空空导弹、 日本AAM-4B空空导弹的Ka波段有源相控阵导引头）， 那么对器件的要求就会较高， 所以具有较高功率密度的GaN器件就成为美国、 日本、 欧洲各国的首选。 另外， 在较小的空间内集中较多T/R模块， 产生的散热问题也难以解决。 日本专利中的相控阵导引头天线移相器由液氮制冷， 除了接触反射式集成天线外， 冷却装置与周围是隔离的， 其设计可降低移相器插损和提高发射功率。 在数据/信号处理方面， 印度专利中涉及到一种相控阵雷达目标模拟装置， 可利用真實的雷达信号对有源相控阵雷达系统进行所有作战模式下的性能评估， 确保性能指标满足要求， 这在验证和加强信号处理和跟踪回路算法时非常有用， 值得借鉴。

（2） 微波单片集成电路（MMIC）技术和微波多芯片组件（MMCM）技术目前已成为有源相控阵雷达导引头T/R组件的关键技术。 美国雷神公司研发的用于相控阵雷达天线的小尺寸单片接收机或收发机， 通过增加相控阵天线收发机芯片数量， 可增强相控阵天线接收后同时跟踪多个目标或发射后立刻将多个波束指向多个目标的能力。 随着以GaN为代表的第三代半导体器件和MMIC的应用、 MEMS低损耗移相器的实现以及新的MMCM技术的应用， 各国已具有了研制出小型化、 低功耗有源相控阵雷达导引头的条件。

（3） 美国在相控阵雷达导引头方面的研究不仅涉及到先进空空导弹， 还计划用于远程反舰导弹。 目前美国正在研制可重新配置的通用数字模块， 目的是减少开发相控阵的一次性费用， 并实现有源相控阵的快速升级。 日本和俄罗斯虽然也已将相控阵雷达导引头用在导弹型号上， 但是将平板缝隙阵面更新为T/R组件阵面， 并不能充分发挥有源相控阵雷达系统的技术优势。

（4） 对美国、 日本、 俄罗斯、 欧洲、 印度、 韩国、 以色列等国家进行的弹载相控阵雷达技术的相关研究可以有所借鉴。 从目前各国的发展情况来看， 只有突破效费比瓶颈后， 弹载相控阵雷达才能取代常规雷达。

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Abstract： Phased array radar seeker is one of the most advanced and complicated radar seekers. In this paper， the research and application states of phased array radar seeker technology in US， Russia， Europe， Japan， India， South Korea， Israel are introduced. After the overseas development state is analyzed and summarized， some suggestions are provided.

Key words： missile； radar seeker； active phased array； gallium nitride technology