機載雷達天線的工作原理

隨著戰(zhàn)爭的需求變化與科技的進步，空戰(zhàn)的“含金量”也越來越高。戰(zhàn)機機載雷達的發(fā)展就是個典型例子。而從外觀上而言，雷達設(shè)備的“進化”最直觀的部分就是天線的變化。下面簡單講講機載雷達天線的發(fā)展。

機載雷達從早期的簡易對空搜索測距功能演化到現(xiàn)在不僅要兼顧大區(qū)域范圍內(nèi)的搜索、跟蹤以及火控制導(dǎo)甚至還要戰(zhàn)場監(jiān)視，SAR成像等等，實現(xiàn)多功能。一般而言，機載雷達要求天線具有高增益（便于增加探測距離）、窄波束（利于增加測角精度）、低副瓣（抗干擾）等特點。而實現(xiàn)高增益，窄波束。最簡單的就是使用定向天線，比如八木天線和拋物面（單反射面）天線。八木天線尺寸過大而且拋物面天線相比八木天線，更容易實現(xiàn)低副瓣，因此冷戰(zhàn)后早期的機載雷達普遍采用拋物面天線的形式。

拋物面天線（單反射面天線）。這種天線采用一個較大尺寸的拋物面作為主面，主面前方中心位置一個喇叭作為饋源（正饋），（喇叭也可偏離中心位置，稱為偏饋）。其工作原理與光學(xué)里的拋物面鏡頗為類似。工作原理是，當(dāng)天線工作在輻射模式時，由喇叭輻射出去的球面波打在拋物面上，拋物面把喇叭入射的球面波變換為平面波，使之輻射到自由空間中去。當(dāng)工作與接收模式時，主反射面將自由空間中傳來的平面波匯聚稱為球面波，并使之“打回”饋源喇叭處。該形式的天線在x波段及以下加工并不困難，結(jié)構(gòu)簡單，成本也不高。但是缺點也很明顯，由于通常拋物面天線在焦徑比（喇叭到反射面的距離與主反射面尺寸之比）較高時，易實現(xiàn)高性能，因而天線的整體剖面較高，體積較大。特別是當(dāng)天線整體旋轉(zhuǎn)掃描時，會大大占用機頭空間，因此其掃描角度也較為受限。為了解決這些困難，一種名為“卡塞格倫（Cassegrain）”形式的雙反射面，應(yīng)運而生。

拋物面天線基本構(gòu)成

殲5甲全天候型裝備的sl1型雷達（仿制蘇制РП-1/5型）的天線

卡塞格倫天線。是一種在單反射面天線形式上改進而來的天線。相比單反射面天線，增加的副反射面可以初步優(yōu)化喇叭發(fā)射出來的電磁波，并使之呈一個更為理想的分布，反射回主反射面，主反射面再將該整形后的球面波變成平面波，并使之輻射到自由空間中去。這樣的優(yōu)點是能提高天線口徑效率，提高增益，大大降低了焦徑比，降低天線整體的剖面，減小體積。接收機和饋線也變?yōu)橹髅嬷?，更利于系統(tǒng)的走線布置并降低系統(tǒng)噪聲。但副反射面的引入也會帶來對主面遮擋增加的問題，這會反過來降低天線整體的增益和抬高副瓣電平。

為了解決副反射面遮擋的問題，一種叫做倒置卡塞格倫的天線被提出來并廣泛應(yīng)用在機載雷達中。倒置卡塞格倫，也被稱為變形卡塞格倫天線。它在卡塞格倫天線的基礎(chǔ)上，將副反射面位置變?yōu)闃O化柵格拋物面，主面位置變?yōu)闃O化扭轉(zhuǎn)板。（實際上，在倒卡天線中，主、副面位置已經(jīng)與普通卡塞格倫有明顯不同。）工作原理與卡塞格倫天線有較大區(qū)別：位于極化扭轉(zhuǎn)版處的喇叭饋源，發(fā)出的水平線極化電磁波被前方的極化柵格幾乎全反射回來，并將該球面波變?yōu)槠矫娌?，打在后面的極化扭轉(zhuǎn)板上，將水平極化波“扭轉(zhuǎn)”為垂直線極化電磁波，從前方的極化柵格中透射出去，輻射到自由空間中。簡而言之，倒卡饋源發(fā)出的波束雖然也經(jīng)過兩次反射，但是不同于普通卡塞格倫天線，它中間有個極化扭轉(zhuǎn)的過程。位于天線前方的極化柵格只對水平極化電磁波有遮擋，對垂直線極化波幾乎無影響。這里順便提一下，為了對抗地雜波，機載雷達天線多為垂直線極化天線。它通過適當(dāng)旋轉(zhuǎn)極化扭轉(zhuǎn)板來實現(xiàn)波束掃描。因此，倒卡天線解決了副反射面遮擋的問題，而且還能把饋源和極化柵格稍微偏置，進一步降低了整體天線的剖面。因其特有的優(yōu)勢，倒卡天線在二代機中很受歡迎。

倒卡天線工作原理

盡管如此，利用反射面形式來工作的天線，雖然加工上要求并不算高（X波段處還算好，到了更高的頻段則難度陡增），成本也能接受。但隨著機載雷達性能的提升，對天線部分也提出了新的要求，比如更大的掃描角度，更低的副瓣以及實現(xiàn)賦形波束。倒卡天線中存在的固有缺陷包括始終會有能量溢漏（這會造成口徑效率的降低，損失增益），掃描時波束的畸變也較為嚴重（主瓣增益下降，主波束變寬，副瓣抬升），并且始終存在天線重量較大的問題。所以大家都認為要奪取制空權(quán)的三代機：mig29和蘇27早期都使用了倒置卡塞格倫天線，這多少顯得寒磣。

我們知道，為了滿足機載雷達高增益窄波束低副瓣的要求，拋物面天線因其結(jié)構(gòu)簡單而被較早使用。還有一種形式上稍微復(fù)雜，但性能優(yōu)秀的天線，那就是平面陣列天線。平面陣列天線是一種典型的陣列天線。由數(shù)十到數(shù)百，甚至成千上萬個小單元天線按照一定規(guī)則，間距等，均勻布置在陣列面上。單個單元天線也許波束很寬，增益很低，但是依靠天線陣面上眾多的單元天線，協(xié)同工作，就能實現(xiàn)一個很高的增益，窄波束，甚至取得超低副瓣（后期甚至可以升級成為平面相控陣）。因此，平面陣列天線因其優(yōu)異的性能很快取代了反射面天線，成為了各種三代、三代改、四代機機載雷達系統(tǒng)中的主流。現(xiàn)在的先進機載雷達——相控陣雷達，幾乎都是使用的平面陣列天線形式。

常見的平面陣列天線包括波導(dǎo)（平板）縫隙陣，開口波導(dǎo)陣，偶極子陣，Vivaldi天線陣，微帶貼片天線陣等等。

波導(dǎo)縫隙陣，就是在常見的微波傳輸結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)表面開縫（槽），讓小縫隙成為一個天線，將電磁波輻射出去。具有利于和饋電結(jié)構(gòu)匹配的優(yōu)點，且功率容量較大。機載波導(dǎo)縫隙看起來就像開在平板上的一樣，所以有時也稱為平板縫隙陣。

與此類似的還有開口波導(dǎo)陣列天線。開口波導(dǎo)也是利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，不過不是開槽開縫，而是直接利用波導(dǎo)口面輻射電磁波。因為這種開口波導(dǎo)形式剖面稍大，且重量過重，因此機載雷達較少采用這種形式。

上面利用波導(dǎo)進行饋電和輻射的結(jié)構(gòu)，利于做天線匹配，功率容量大是其顯著優(yōu)點。但是天線帶寬往往會受到限制，而且重量難以控制。后續(xù)不少新穎的設(shè)計逐漸被用在了機載雷達系統(tǒng)中。

實際上到了冷戰(zhàn)后期，為了讓機載雷達獲得更快的掃描速度和更強大的性能（比如同時實現(xiàn)搜索跟蹤火控制導(dǎo)對地探測等），工程師為機載雷達使用了相控陣天線，且至今仍被視為先進技術(shù)。相控陣天線在外觀上和常見的平面陣列天線并沒有太大區(qū)別，甚至可以簡單理解為在普通機掃平面陣列天線的基礎(chǔ)上修改饋電結(jié)構(gòu)而得到（后端發(fā)射/接收機和信號處理算法當(dāng)然會有很大變化）。天線單元后端加入移相器可以得到無源相控陣天線（PESA），不喜歡移相器加入TR組件，即可得到有源相控陣天線（AESA）。對于天線工程師而言，同一個天線陣面，即可以做AESA，也可以做PESA。因此，對于平面陣列天線而言，具有很大升級成為相控陣天線的潛力。

對于升級成為了AESA天線的雷達而言，具有更大的發(fā)射功率，更遠的探測距離，更為靈敏的波束掃描和更強大的波束付形功能。獲得個-50、-60dB的平均副瓣也更為容易。

以F22為例，這類新一代隱身戰(zhàn)斗機的AESA雷達，喜歡采用偶極子陣列（圖為F22的apg77雷達所用的傘狀偶極子陣）。單元采用偶極子天線，具有寬帶特性，單元方向圖較寬，也容易實現(xiàn)大角度掃描。

最前方凸出的很容易被誤認為是TR組件，嚴格來說那個其實是天線表面，TR組件是接在天線后方的（雖然現(xiàn)在很多TR組件和天線加工成一體，但這里仍然區(qū)分開來談）

陣風(fēng)新款中使用的RBE2 AESA雷達（如下圖所示），則采用了Vivaldi天線陣。這種天線單元的特點是帶寬特別寬，因此整個天線陣列的帶寬可以得到拓展。

當(dāng)然也有些比較特殊的。比如下面這個采用八木天線為單元的E2D預(yù)警機使用的APY9雷達。因為相對于其使用的uhf波段電磁波波長長，其天線尺寸非常有限，為了獲得更加理想的窄波束和高增益，它的天線單元波束就得窄下來，因此八木天線成為了一個較理想的選擇。高增益的八木天線作為單元，能夠使陣列的增益有明顯提升。但是事物總是相對的，八木天線較窄的單元波束，大大限制了陣列的寬角掃描能力。當(dāng)天線掃描角偏離法線較大時，增益的下降和波形的畸變將非常明顯。因此APY9使用了機電掃結(jié)合的方式，來彌補不足。

E2D APY9雷達使用的2*9單元八木天線線陣

E2D APY9雷達使用的2*9單元八木天線線陣

正是相控陣技術(shù)的發(fā)展，使得機載天線進入了一個全新的階段。

天線的發(fā)展，是雷達整體技術(shù)發(fā)展的一個縮影。雖然我們并不能根據(jù)天線外觀來下定論，衡量雷達的總體性能，但是工程上往往注重系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和平衡性。如果一個雷達系統(tǒng)整體性能先進，天線自然不能差了。工程師未來還會繼續(xù)攻克諸如相控陣天線大角度掃描、超寬帶、共口徑、共形等等難題，促進機載雷達系統(tǒng)的進一步發(fā)展。

編輯：黃飛

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