相控阵雷达研究现状与发展趋势

邵春生

(南京电子技术研究所,　南京 210039)



·总体工程·

相控阵雷达研究现状与发展趋势

邵春生

(南京电子技术研究所,南京 210039)

概述了相控阵雷达从诞生至今的发展变化，总结了国外现役主战装备相控阵雷达和在研新型相控阵雷达体制、性能、架构等特点。以美国第三次抵消战略和相关作战概念为背景，展望了相控阵雷达发展趋势，并介绍了国外相控阵雷达重要预研项目的开展情况和相控阵雷达基础支撑技术取得的进展。

相控阵雷达；新体制；新材料；新工艺

0　引　言

20世纪60年代，由于远程高速洲际弹道导弹探测跟踪的需求，相控阵天线理论与实践的进步，以及数字计算机技术的发展催生了相控阵雷达。从初期的模拟相控阵到如今的数字相控阵，从真空管放大器到固态放大器，从单频段到多频段，从平面阵到共形阵，从地基到海空天基，从单一作战到协同探测，从反导预警到国土防空、舰队防空、机载预警、火控制导、侦查监视、靶场测控、特种体制，从军用到民用，相控阵雷达得到飞速发展[1]。

随着国际军事竞争的加剧，空海一体战、空间攻防、无人作战等新型作战样式层出不穷，特别是美国“第三次抵消战略”对颠覆性技术群和以高超飞行器为代表的新型作战平台加速推进，相控阵雷达将迎来新一轮变革和发展。

1　相控阵雷达研究现状

纵观国外现役主战装备雷达和在研新型雷达，相控阵雷达具有固态有源相控阵、多功能一体、开放式、低成本发展等显著特点。

1.1固态有源相控阵成为主流体制

雷达投入使用以来，先后经历了机械扫描体制、真空管无源相控阵体制、固态有源模拟相控阵体制，目前正处于大量使用单片微波集成电路的固态模拟有源相控阵体制阶段，并逐步向数字阵雷达过渡[2]。典型的固态有源相控阵雷达如地基美国THAAD反导系统AN/TPY-2雷达，美欧联合研制的MEADS防空反导雷达，俄罗斯“天空-M”反导雷达；海基多功能SBX雷达，DDG-1000体搜索雷达(VSR如图1所示)以及SPY-3雷达，英国MESAR雷达和SAMPON雷达以及荷兰舰载APAR雷达；美国四代机F-22 APG-77、F-35 APG-81机载多功能火控雷达，三代机F-15、F-16 换代的SABR、RACR，瑞典鹰狮战斗机雷达，美国全球鹰MP-RTIP雷达等；星载Radarsat 2，Globalstar等合成孔径雷达。正在研制的防空反导雷达(AMDR)和远程反导识别雷达(LRDR)将采用固态数字有源相控阵体制。

图1　DDG-1000采用双波段有源相控阵雷达

1.2综合射频相控阵投入实用，实现多功能一体化

综合射频使用几个分布式宽带多功能孔径取代目前平台上为数众多的天线孔径，同时实现雷达、电子战与通信、导航、识别等多种射频功能，使电子系统的成本、重量、功耗、失效率显著下降，解决了舰载、机载平台上天线林立、遮挡、电磁干扰、雷达散射截面过大、维修困难、成本过高等问题。美海军从1985年开始进行综合射频技术的研究，先后开展了先进综合孔径(ASAP)、先进多功能射频系统/概念(MARFS/AMRFC)、综合上层建筑(InTop)等项目，并进行了平台测试，这些成果在DDG-1000驱逐舰双波段雷达(DBR)中得以应用，DBR可代替原来舰上5～10部雷达的功能，使军舰上天线数量减少，提高了DDG-1000的隐身能力。美空军开展了“宝石柱”“宝石台”、多功能综合射频系统(MIRFS)等研究计划，并将技术应用于四代机F-22和F-35中。APG-81雷达可同时应对多种类型的先进干扰机，APG-77雷达通信发送速率达548 MB/s，接收速率达1 GB/s。DARPA在1999年启动可重构孔径(RECAP)项目，确保宽角扫描时的超宽带性能。乔治亚技术研究所(GTRI)于2006年推出33∶1倍频程的天线，该天线倍频程具有扩充到100∶1的潜力，如图2所示。Raytheon公司双极化开口阵元阵列可工作于10个倍频程(18 GHz～118 GHz)，单元间隔为最低波长的一半，波束扫描为真时延，阵列在整个频带内均能实现60°宽角扫描。

图2　GRTI推出的33∶1倍频程度宽带天线

1.3多平台信息融合共享，协同作战形成能力

美海军在1994年引入“协同作战能力”(CEC)系统，通过编队内各舰船、预警机平台的传感器协同探测和复合跟踪，形成单一、实时、火控级的合成航迹，生成统一、精确的威胁态势图，并通过数据链在编队内所有平台共享，从而消除地球曲率对雷达探测距离的限制，扩展防空导弹的杀伤区远界。2015年3月，美国海军“综合防空火控系统”(NIFC-CA)正式部署“罗斯福”号航母打击群，实现初始作战能力，如图3、图4所示。NIFC-CA系统是CEC系统的进一步延伸与扩展，旨在基于CEC、TTNT等数据链技术，完成航母驱护编队、预警机、战斗机、电子战飞机等作战平台的传感器系统、电子战系统、武器系统的网络化协同，构建编队内分布式探测-跟踪-火控-打击的防空拦截链，扩展单舰防御范围，实现编队的协同作战和超视距防空作战能力。今后，该系统还将集成舰载无人侦查打击系统(UCLASS)和X-47B舰载无人战斗机[3]。

图3　NIFC-CA系统扩展了低空探测范围

1.4GaN取代GaAs MMIC，提高雷达探测距离

在同样的体积下，GaN集成电路的峰值功率相当于GaAs的5～10倍，平均故障间隔时间达亿小时量级，成本降低34%以上，效率高。能够产生更强的辐射功率，提高探测距离，减小体积重量，增强机动性和战场生存能力，缩短维修间隔时间，提高雷达的可用性。目前，GaN已在AMDR和爱国者(Patriot)雷达升级中应用，使AMDR雷达总功率达到10 MW，作用距离是现役SPY-1D的两倍。

1.5开放式、模块化设计，实现雷达规模自由裁剪

开放式、模块化能够降低安装时间，方便维护和升级，可以根据性能指标和平台空间要求进行缩放，具有较大的灵活性。目前，美国地基三坐标远征远程雷达(3DELRR)、舰载AMDR、机载APG-81雷达都采用了这种可扩充的开放式、模块化结构，能够根据标准化的接口进行构造，如图5所示。

图5　AMDR可制造成不同尺寸以满足不同舰艇需求

AMDR-S雷达软硬件均为模块化组件，雷达系统前后端均可根据不同舰艇平台的大小和功能进行调整，便于快速升级，AMDR-S目前的设计方案是SPY+15 dB，即比SPY-1雷达增益高15 dB，可轻易扩展至SPY+25 dB或缩减至SPY+0 dB，提高对更大或更小舰艇平台的适装性。

1.6采用商用货架产品(COTS)，降低成本

利用规模化生产商用器件可显著降低产品开发周期，满足技术更新和成本要求。林肯实验室2010年公布了一种S波段低成本阵列，如图6所示。该阵列在5层印制电路板上集成了5个T/R组件，双极化设计，峰值功率8 W，能够同时产生24个波束，每平方米面积上集成400个单元，每平方米价格5万美元。柯林斯公司2015年公布的X波段机载阵列包含512个单元，每单元功率2 W，能够将成本降低至原来的1/50[4]。

图6　林肯实验室S波段低成本阵列

1.7关键电路高度集成，信息处理能力不断增强

当前，关键集成电路可在几平方毫米的面积上集成数亿个晶体管，完成高复杂度分析和控制功能，具有微型化、系统化、集成化的特点。比较典型的关键集成电路器件包括中央处理器(CPU)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)和数据转换器等(ADC)。2011年INTEL公司实现了基于3D晶体管的CPU量产，使得在硅片上制造小于28 nm晶体管成为可能，并于2013年6月发布了概念型60核芯片，其协处理器3100家族将提供超过1 000 Gb/s的双精度浮点运算能力。当前最先进的FPGA使用3D堆叠硅片互联(SSI)技术，容量高达200万个逻辑单元，用户可以用单个器件代替2～4个FPGA，而总功耗降低50%～80%。目前使用先进BiCMOS工艺制造的ADC已经实现了100 GHz采样率、6位精度。

2　相控阵雷达发展趋势

相控阵雷达正向新型作战平台、新型探测体制扩展，向新工作频段延伸，并借助新型材料和先进加工工艺提高性能。

2.1向新型作战平台扩展

随着美国军事再平衡、空海一体战、第三次抵消战略的不断提出，下一代预警机、下一代轰炸机、下一代隐身战斗机、精确制导导弹、传感器飞机、自主无人机、高超声速飞行器等新型作战平台不断出现。随着相控阵宽带、共形、轻薄化、低功耗技术的发展，作为为武器系统提供态势感知和打击瞄准等情报保障的重要手段，相控阵雷达将会越来越普遍地得到应用。

2015年1月，美国空军在小企业创新研究(SBIR)计划中发布了“高超声速飞行器载创新型SAR/GMTI载荷”研究指南，希望研发用于30 km巡航高度、具有5 Mach～7 Mach(Mach=340.3 m/s)速度的飞行平台载SAR/GMTI雷达，并开发通用的SAR/GMTI载荷性能评估仿真工具。5月，美国空军研究实验室发布“高超打击武器”技术成熟项目招标公告，首次将研究重点从推进、气动、材料领域扩展到制导导航与控制、引战、系统集成领域，如图7所示。7月，空军阿德诺工程发展中心公布了高超声速武器作战全过程33个关键试验与鉴定需求，美国开始从技术和研发两个方面，瞄准实用化的目标全面加速高超声速武器技术。

图7　吸气式与助推-滑翔式高超声速打击武器

高超声速飞行器在巡航、滑翔、末段俯冲等阶段面临极端高热和振动等环境条件，飞行参数变化大，因此，高超声速平台SAR/GMTI相控阵载荷设计面临多项挑战。如平台高速运动导致的杂波多普勒频谱扩展；高入射角形成的严重地面杂波；高速低空飞行使雷达视野受限；细长的机身对天线孔径尺寸和形状的限制；孔径、大气、分辨率等要求条件下信号频率和波形选择；机体温度升高导致信噪比降低；SAR和GMTI要求的最佳脉冲重复频率的冲突等，需要进行详细的模拟仿真和试验验证。

2.2衍生新型探测体制

为了提高雷达探测距离、探测精度和分辨率，增强对抗复杂电子环境和杂波的能力，各国不断对雷达探测新概念、新理论进行研究，提出了量子雷达、认知雷达新一代成像雷达等新型雷达体制架构。

为解决常规成像雷达依赖目标运动或平台运动进行扫描，且成像技术复杂度高，成本昂贵的问题，DARPA提出先进扫描技术成像雷达(ASTIR)下一代成像雷达计划[5]，如图8所示。

图8　ASTIR雷达架构

2015年，DARPA向诺·格公司、HRL实验室等机构授出1 130万美元合同，用以开发一种采用电子扫描副反射器、视频级三维成像帧速(10 Hz～100 Hz)、且不依赖平台运动或目标运动便可实现目标成像的全新雷达成像架构技术。该雷达结构紧凑，重量轻，功耗低，可在雾、烟、雨等恶劣天气条件下提供高分辨率的目标三维图像，为武器系统提供精确目标信息。

ASTIR雷达将包含由一部主反射器与一部电子副反射器组成的复合天线，以及单个发射/接收链路，从而降低系统复杂度。为实现基于副反射器的目标成像与波束控制，DARPA提出三种途径，分别为将当前成像雷达中常用的机电扫描式透镜替换为一部平板电扫阵列，进行波束控制；通过副反射器上的移相器，控制波束在整个主反射器上进行逐点序贯扫描，每个点上采样的射频信号进行SAR处理，实现完全聚焦的三维目标成像；采用正交相位编码对副反射器上的各个单元进行数字调制，信号接收后，进行数字码分处理，形成数字通道，然后利用SAR技术形成完全聚焦的三维目标成像。

2.3向更高频段延伸

高频段具有波束成像分辨率高、反隐身、抗干扰和穿透能力强等特点，促使相控阵雷达不断向太赫兹和激光频段拓展。

2015年，DARPA完成了ViSAR系统原型机集成，如图9所示。该系统工作于231.5 GHz～235.0 GHz，采用单部发射天线、4部接收天线，安装于飞机万向节，可取代原有的MTB-S机载红外跟踪系统。在此项目下，DARPA研发了各类太赫兹器件，如工作频率为233 GHz的接收机、激励器及一部固态1 W功率放大器，且所有器件的噪声系数、带宽、功率等指标均符合在231.5 GHz～235.0 GHz频带范围内的要求。此外，DARPA还研发了一部233 GHz真空管放大器。2016年将安装至C-130运输机上演示穿透云层的对地静止目标和运动目标的实时成像能力。

图9　DARPA ViSAP系统原型机

另外，DARPA于2009年投资1 860万美元，启动了“短距宽视场超灵敏电控光子发射器”(SWEEPER)项目，研制0.8 μm～2 μm工作频段的芯片级光学相控阵天线。2013年，经麻省理工学院、加州大学芭芭拉分校、加州大学伯克利分校、美国休斯研究实验室共同研发，推出了收个包含4 096(64 nm×64 nm)个纳米天线单元，尺寸为576 μm×576 μm的二维光学相控阵天线。2015年5月，DARPA成功验证“宽视场激光相控阵”技术，首次将相控阵天线与激光组件集成在一个微型芯片上，可在51°视场内进行精确激光扫描，扫描速度达到10万帧/s。

2.4采用新型高性能材料提高性能

新型材料能够提高雷达功率效率和冷却能力，对雷达探测距离、可靠性、可用性和保障性具有重要意义。

石墨烯是已知最薄、导电导热性最好、强度最大、透光率最高的非金属材料，室温下电子迁移率是硅的100倍，比表面积可达到2 630 m2/g；热导率可以达到5 000 W(m·k)；抗拉轻度达125 GPa，是钢的100倍以上；单层可见光透光率达97.7%； 2015年7月，英国牛津大学开发出用化学气相沉积法制造大尺寸、高质量石墨烯晶体的技术，能在制造2 mm～3 mm的较大石墨烯晶体的时间从19 h缩短到15 min。麻省理工学院使用双同心环装置改进化学气相沉淀工艺，在1 000 ℃、内环抽出速度25 mm/min条件下，制造出质地均匀的高质量单层石墨烯晶体。

2.5使用微系统集成加工工艺提高集成度

如图10所示，微系统技术对相控阵天线小型化、智能化、轻量化具有颠覆性影响，当前，微系统技术正从平面集成到三维集成、从微机电/微光电到异质混合集成、从结构/电气一体化到多功能一体化集成等方向发展，微系统相关产品也正从芯片级、组部件级向复杂程度更高的系统级(微型飞行器、片上实验室)方向发展。在微系统集成方面，DARPA开展了一系列项目，如“硅上复合半导体材料”(COSMOS)[6]、“光电异构集成”(E-PHI)[7]、“多源可用异构集成”(DAHI)等。在DAHI项目下，诺·格公司演示了0.75 GHz～1.25 GHz频率范围内，每秒采集1.33×109个样本的13位数模转换器(DAC)的SFDR平均值达到74.5 dBc。今后，DAHI计划将实现500 MHz信号带宽、16有效位数的ADC的异构集成。在该项目支持下，美国空军研究实验室设计了一个W波段四级低噪放(LNA)，在75 GHz～100 GHz频段内的噪声系数低于7.2 dB，增益大于20 dB，且功耗仅19.2 mW。

图10　掺锗硅工艺7 nm芯片晶片

如图11所示，2015年6月IBM宣布通过选择性外延的方式，将化合物半导体嫁接到硅基片上，实现纳米级异质集成，利用该技术，可以根据需要将砷化镓、

氮化镓、碳化硅、磷化铟、铟镓砷等第二代、第三代化合物半导体材料高精度低嫁接到硅片的不同位置，充分利用各种材料的优势，形成在微波、电力、高速运算等领域中具有极强性能的单片系统。结合系统封装(SiP)技术等高级封装工艺，可进一步实现功能更加强大的“单芯片系统”，促使雷达体积、重量和成本大幅减小、性能大幅提升。

3　结束语

军事需求的牵引和基础技术的进步不断推动相控阵雷达功能、性能、形态向更高层次演化。精确动态态势感知使相控阵雷达日益集多功能于一体；日益复杂多变的电磁环境迫使相控阵雷达雷达自我感知、自我学习、自我适应；隐身目标、弹道导弹、高超目标使相控阵雷达从集中式走向分布式组网；生存性要求使相控阵雷达从有源走向无源。未来，随着材料和加工工艺的进步以及放大器功率的不断提高，相控阵雷达还将向高功率微波武器发展，实现探测感知和打击摧毁的一体化。

[1]张光义, 赵玉洁. 相控阵雷达技术[M]. 北京：电子工业出版社, 2004.ZHANG Guangyi, ZHAO Yujie. Phased-array radar technology[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2004.

[2]CHAPPELL W, FULTON C. Digital array radar panel development[C]// 2010 IEEE International Sysmposium on Phased Array Systems and Technology.[S.l.]: IEEE Press, 2010: 50-60.

[3]McCONNELL J H, JORDAN L L. Naval integrated fire control-counter air capability based system of system engineering[R]. [S.l.]: NIFC-CA, 2010.

[4]BROOKNER E. Radar and phased array breakthroughs-an update[C]// 2008 Radar Conference. Rome: IEEE Press, 2008.

[5]DARPA. Advanced scanning technology for imaging radars (ASTIR)[R]. DARPA-BAA-14-53.[S.l.]: DARPA, 2014.

[6]ROSKER M J. The DARPA compound semiconductors on silicon (COSMOS) program[C]//2008 CS Mantech Conference. Chicago: IEEE Press, 2008: 1-4.

[7]DARPA. Electronic-photonic heterogeneous integration (E-PHI)[R]. DARPA-BAA-11-45.[S.l.]: DARPA, 2011.

邵春生男，1974年生，高级工程师。研究方向为雷达系统技术、雷达市场需求分析等。

Study Status and Development Trend of Phased Array Radar

SHAO Chunsheng

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Development and change of phased array radar is outlined. Regime, performance, architecture of phased array radars onboard foreign mainstream weapons in service and that of currently being researched and manufactured is summarized. Together with US 3rd Tradeoff Strategy and novel operation concepts, development trend of phased array radar is envisioned, and progress of significant advanced research projects and basic supporting technologies is also depicted.

phased array radar；radar regime; novel material; novel technology

邵春生Email：scsnj@sohu.com

2016-01-19

2016-03-22

TN959

A

1004-7859(2016)06-0001-04

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.06.001