薩德反導(dǎo)系統(tǒng)天線系統(tǒng)原理

薩德反導(dǎo)系統(tǒng)，也叫THAAD，即末端高空防御導(dǎo)彈，是美國陸軍研發(fā)的一款攔截短程和中程彈道導(dǎo)彈的末端防御系統(tǒng)。

1、薩德的組成和工作原理

薩德系統(tǒng)主要由四大部分組成：①雷達(dá)，②火控系統(tǒng)，③發(fā)射車，④攔截器。

工作原理分為四大步驟： 1）雷達(dá)探測到導(dǎo)彈來襲。 2）指揮和火控系統(tǒng)確認(rèn)并鎖定目標(biāo)。 3）發(fā)射車發(fā)射攔截彈。 4）攔截導(dǎo)彈在空中摧毀來襲導(dǎo)彈。

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薩德系統(tǒng)主要有兩套核心組件：攔截彈和雷達(dá)系統(tǒng)。 作為一枚通信汪，我更關(guān)注的是那個用來探測和跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)，就是被稱為薩德系統(tǒng)的眼睛的AN/TPY-2相控陣?yán)走_(dá)。也有人認(rèn)為真正對中國最大的威脅是這個相控陣?yán)走_(dá)。 所謂相控陣?yán)走_(dá)，采用的正是相控陣天線技術(shù)，也是今天4.5G Massive MIMO作為民用之一采用的技術(shù)，同時未來5G相控陣基站將成為主流。

2、AN/TPY-2雷達(dá)系統(tǒng)

AN/TPY-2雷達(dá)系統(tǒng)工作在X波段（9.5GHz），天線陣面積為9.2平方米，安裝有25344個（有人說30464個）天線單元，采用數(shù)字波束形成(DigitalBeamForming，DBF)處理器。方位角機械轉(zhuǎn)動范圍-178°~+178°，俯仰角機械轉(zhuǎn)動范圍0°~90°，但天線的電掃范圍，俯仰角及方位角均為0°~50°。

AN/TPY-2可以實現(xiàn)從探測、搜索、追蹤、目標(biāo)識別等多功能任務(wù)為一體，據(jù)有關(guān)報道稱，其探測的距離最遠(yuǎn)可達(dá)2000公里，基本上大半個中國都在它的覆蓋之下。它使用的窄波束，稱可精確評估目標(biāo)彈頭的預(yù)計位置，并識別假彈頭。 AN/TPY-2雷達(dá)系統(tǒng)的組成主要分為如下圖的5大部分：

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1.?相控陣天線

2.?電子設(shè)備單元（車）

3.?1兆瓦的主電源單元（車）

4.?冷卻設(shè)備單元（車），主要為天線陣列提供冷卻

5.?操作控制車，內(nèi)置可操作、維護和通信監(jiān)控的操作控制臺（使用自有的供電系統(tǒng)）

AN/TPY-2雷達(dá)

相控陣天線設(shè)備

AN/TPY-2雷達(dá)系統(tǒng)組成

電子設(shè)備車是一種模塊化、一體化的拖車，車箱配備核生化防護能力及環(huán)境控制裝置的密閉保護罩。主要設(shè)備有：2臺用于數(shù)據(jù)處理的VAX7000計算機、4臺MP2大規(guī)模并行信號處理機，以及接收機/激勵器、檢測目標(biāo)發(fā)生器和高速記錄儀等。

MP2處理機是大規(guī)模并行處理技術(shù)的首次軍事應(yīng)用，用途是頻譜分析、脈沖壓縮與連續(xù)探測，以及對來自接收機的數(shù)字化雷達(dá)回波抽樣進行初步圖像處理。VAX7000計算機負(fù)責(zé)實際作戰(zhàn)任務(wù)的計算，任務(wù)前與任務(wù)后的數(shù)據(jù)處理等。

電源設(shè)備車由1臺內(nèi)燃機、1臺交流發(fā)電機、1個控制盤、1個轉(zhuǎn)換開關(guān)組成，能提供1.1兆瓦的電力。 冷卻設(shè)備車是1個長12米、重16.3噸的封閉式拖車，車內(nèi)裝有供天線冷卻用的液體冷卻設(shè)備和為天線及電子設(shè)備提供電力分配的裝置。

冷卻設(shè)備單元

AN/TPY-2雷達(dá)和冷卻設(shè)備單元

操作控制車是一個單獨的系統(tǒng)，可保證操作人員監(jiān)視雷達(dá)跟蹤效果以及與外部的通信，有獨立的電力系統(tǒng)。部署時其功能可以并入雷達(dá)系統(tǒng)。 系統(tǒng)之間的通信連接采用光纖數(shù)據(jù)鏈路。整套系統(tǒng)和組件共需2.1兆瓦的功率來工作。

操作控制車

內(nèi)部操作控制臺

操作控制車內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3、攔截彈

薩德系統(tǒng)的攔截彈長6.17米，最大彈徑0.37米，起飛重量900公斤，最大速度可達(dá)2500米/秒，主要由助推器（booster）、從殺傷攔截彈頭（Kill Vehicle）及整流罩組成。

薩德攔截彈的組成

薩德攔截彈

薩德增程型攔截彈（THAAD ER）

增程型“薩德”攔截彈（THAAD ER）是的對原型“薩德”系統(tǒng)的改進，助推器改進為兩級，這樣在將導(dǎo)彈助推到較大速度后可以甩掉多余質(zhì)量，以使殺傷器獲得較大初速和機動性。

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由于THAAD ER攔截彈的直徑增大了，重量也增加了，所以，要重新設(shè)計發(fā)射裝置，以前一輛發(fā)射車可攜帶8枚攔截彈，現(xiàn)在減少為6枚，但可以通過增加發(fā)射架數(shù)量來彌補。

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薩德發(fā)射車

所以，整個薩德系統(tǒng)的組成如下圖所示：

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4、相控陣天線

作為通信人，自然最感興趣的就是薩德的AN/TPY-2相控陣天線系統(tǒng)。 剛才講了，未來5G將大量采用相控陣天線技術(shù)。其實相控陣天線系統(tǒng)已經(jīng)廣泛民用，包括大家熟知的MIMO天線，用于預(yù)測天氣和保證航空安全的雷達(dá)系統(tǒng)。 相控陣技術(shù)最先應(yīng)用于軍事，20世紀(jì)60年代，最典型的就是美國的AN/FPS-85和前蘇聯(lián)的“狗窩”，用于檢測、跟蹤、目標(biāo)識別快速移動的空中目標(biāo)，對導(dǎo)彈作預(yù)警、測軌和對衛(wèi)星進行編目等多種功能。

AN/FPS-85

后來，隨著民航班次增多，為了更好的進行航空管制和整合一些老舊的雷達(dá)基礎(chǔ)設(shè)施，人們開始研發(fā)多功能相控陣?yán)走_(dá)（MPAR）系統(tǒng)，并很快實現(xiàn)原型。這大概就是相控陣雷達(dá)技術(shù)廣泛應(yīng)用于民用的原因之一。

MPAR概念

相控陣天線技術(shù)是5G無線的關(guān)鍵技術(shù)之一，比如Massive MIMO技術(shù)，通過高性能DSP控制幾十~數(shù)百個天線陣列每一個天線單元的發(fā)射（或接收）信號的相位和信號幅度，產(chǎn)生數(shù)十個具有高度指向性的空間波束。

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相控陣天線的工作原理是怎樣的呢？

或者，相控陣天線如何產(chǎn)生一束能量集中的波束，并將這一波束精確的指向目標(biāo)物（終端）？ 相控陣天線陣面由許多個輻射單元和接收單元（稱為陣元）組成，單元數(shù)目從幾百個到幾萬個。這些單元有規(guī)則地排列在平面上，構(gòu)成陣列天線。

相控陣天線的可視化模擬圖

利用電磁波相干原理，通過計算機控制饋往各輻射單元電流的相位，就可以改變波束的方向進行掃描，故稱為電掃描。輻射單元把接收到的回波信號送入主機，完成雷達(dá)對目標(biāo)的搜索、跟蹤和測量。

?相控陣天線的可視化演示圖，左邊為陣列，右邊為波束

每個天線單元除了有天線振子之外，還有移相器等必須的器件。不同的振子通過移相器可以被饋入不同的相位的電流，從而在空間輻射出不同方向性的波束。天線的單元數(shù)目越多，則波束在空間可能的方位就越多。這一工作原理是相位可控的陣列天線，“相控陣”由此得名。 如下圖所示，上下兩個輻射單元以相同的相位饋電，信號通過主方向的相長干涉（constructive interference）放大，而通過相消干涉（destructive interference）來改善波束的大小。

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下面，我們將上面一個輻射單元相對下面那個輻射單元相移22度，可以看到發(fā)射信號的主方向略為向上移動（如下圖）。

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（注意：上面兩張圖并沒有考慮反射器，所以所示天線圖的后瓣與主瓣一樣大）

波束偏轉(zhuǎn)動畫

相控陣天線的優(yōu)點： （1）在計算機控制下波束指向靈活，能實現(xiàn)無慣性快速掃描，數(shù)據(jù)率高； （2）一個雷達(dá)可同時形成多個獨立波束，分別實現(xiàn)搜索、識別、跟蹤、制導(dǎo)、無源探測等多種功能； （3）目標(biāo)容量大，可在空域內(nèi)同時監(jiān)視、跟蹤數(shù)百個目標(biāo)； （4）對復(fù)雜目標(biāo)環(huán)境的適應(yīng)能力強； （5）抗干擾性能好。全固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)的可靠性高，即使少量組件失效仍能正常工作。 缺點： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜（處理器和移相器），成本高，且波束掃描范圍有限，最大掃描角為90°～120°。當(dāng)需要進行全方位監(jiān)視時，需配置3～4個天線陣面。

相控陣?yán)走_(dá)（英文：Phased Array Radar，PAR）即相位控制電子掃描陣列雷達(dá)，利用大量個別控制的小型天線單元排列成天線陣面，每個天線單元都由獨立的移相開關(guān)控制，通過控制各天線單元發(fā)射的相位，就能合成不同相位波束。相控陣各天線單元發(fā)射的電磁波以干涉原理合成一個接近筆直的雷達(dá)主瓣，而旁瓣則是各天線單元的不均勻性而造成。 相控陣分為“被動無源式”（PESA）與“主動有源式”（AESA），其中技術(shù)性能較低的“被動無源式”在上世紀(jì)80年代已有成熟的系統(tǒng)部署于艦艇及中/小型飛機上，而性能更優(yōu)異、發(fā)展前景更好但技術(shù)性能較高的“主動有源式”則到了90年代末期才開始有實用的戰(zhàn)機用與艦載系統(tǒng)開始服役。 相控陣?yán)走_(dá)從根本上解決了傳統(tǒng)機械掃描雷達(dá)的種種先天問題，在相同的孔徑與操作波長下，相控陣的反應(yīng)速度、目標(biāo)更新速率、多目標(biāo)追蹤能力、分辨率、多功能性、電子對抗能力等都遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)雷達(dá) ，相對而言則付出了更加昂貴、技術(shù)要求更高、功率消耗與冷卻需求更大等代價。 相控陣?yán)走_(dá)由美國1937年開始研制，1955年研制出兩套系統(tǒng)。有源相控陣?yán)走_(dá)典型代表有美國伯克級驅(qū)逐艦的AN/SPY-1、遠(yuǎn)程預(yù)警AN/FPS-115“鋪路爪”、F-22戰(zhàn)斗機的AN/APG-77有源相控陣?yán)走_(dá)等。英國的AR-3D、法國的AN/TPN-25、日本的NPM-510和J/NPQ-P7、意大利的RAT-31S、德國的KR-75。