无需转动的雷达：相控阵技术如何实现“静默追踪”
01 当今雷达发展的主流相控阵雷达是由大量相同的天线单元组成的雷达面阵，具有波束切换快、抗干扰能力强等特点，可同时跟踪多个目标，具备多功能、强机动性、高可靠性能力，其逐渐取代传统的机械扫描雷达，成为当今雷达发展的主流。 02 基本原理天线单元在发射信号时，每个单元都发射相同频率的电磁波，通过控制每个天线单元的相位和幅度，可以改变整个天线阵列的辐射方向图。具体来说，如果让每个天线单元的信号相位依次延迟一个固定的角度，那么这些信号在空间中会相互干涉，形成一个指向特定方向的主波束。通过改变相位延迟的大小，就可以改变波束的指向，从而实现波束的电子扫描。相位变化速度达到毫秒量级，克服了传统机械扫描雷达那样物理地转动天线时的波束扫描惯性和扫描角转换时间长等缺点。简单介绍下其中涉及的两个基本概念，相位与幅度：相位，它反映了波在时间和空间中的位置信息，通常用角度（以度或弧度表示）来描述。通过使用移相器来调整信号的相位，在发射模式下，它对每个天线单元的信号进行相位调整；在接收模式下，它对从天线单元接收的信号进行相位补偿。移相器的精度直接影响波束的指向精度。幅度，反映了信号的强度或大小。通过使用衰减器来调整信号幅度。 03 分类相控阵雷达可分为：无源相控阵雷达和有源相控阵雷达。
[*]有源相控阵（AESA），每个天线单元都配备一个独立的T/R组件，T/R组件直接与天线单元相连，形成一个独立的发射/接收单元，都能单独发射和接收电磁波，部分T/R组件失去效能不会影响雷达整体工作，具有更高的可靠性。
[*]无源相控阵（PESA），仅有一个中央发射机和一个接收机，发射机产生的高频能量，经功分网络主动分配给天线阵的各个单元，目标反射信号也是经各个天线单元送达接收机统一放大。
04 关键组成部件相控阵雷达的无线收发系统主要分为四个功能模块：数字信号处理模块、数据转换模块、T/R组件和天线。 1）T/R组件①概念有源相控阵T/R组件是连接中频处理单元与天线之间的部分。在雷达或通信系统中用于接收、发射一定频率的电磁波信号，并在工作带宽内进行幅度相位控制的功能模块，是有源相控阵雷达实现波束电控扫描、信号收发放大的核心组件。简单来说，T/R组件的功能主要用于实现发射、接收信号的放大，及信号幅度、相位的控制。②组成根据雷达的不同工作环境和不同的性能要求，有源相控阵T/R组件的构成形式不尽相同，但其基本结构一致，通常由多个功能模块组成：
[*]主要由数控移相器、数控衰减器、功率放大器、低噪声放大器、限幅器、环形器以及相应的控制电路、电源调制电路组成。
随着固态有源集成电路的发展，T/R组件中的关键核心功能全部采用芯片实现。
[*]T/R芯片，指的是内嵌于T/R组件内的核心功能芯片（一个T/R组件通常包含2-8颗相控阵T/R芯片，其成本占比雷达系统近三成），是相控阵雷达最核心的元器件。
T/R芯片被集成在T/R组件中，负责信号的发射和接收，并控制信号的幅度和相位，从而完成雷达的波束赋形和波束扫描，其指标直接影响雷达天线的指标，对雷达整机的性能起到至关重要的作用。包含有放大器类芯片、幅相控制类芯片、无源类芯片等，如下图：③T/R组件工作原理
[*]发射模式：接收低功率射频信号，经过移相器调整相位、衰减器调整幅度、功率放大器放大后，将信号送至天线辐射单元。
[*]接收模式：接收天线辐射单元捕获的微弱信号，经过限幅器保护、低噪声放大器放大后，再进行相位和幅度调整，最后传输到接收机。
此外，还必须设计相应的电源调制、保护和控制电路，以便按照有源相控阵雷达系统的控制要求进行通信和响应。2）天线天线是相控阵雷达系统与外界进行信号交互的关键部件，负责发射和接收电磁信号，将发射信号辐射到空间中，并接收目标反射回来的信号。天线的性能直接影响雷达的探测距离、方向分辨率和波束控制能力。常见的类型有喇叭天线、微带天线、偶极子天线等。一部相控阵雷达少则由数百个，多则由数万个天线单元组成。例如，美国萨德反导系统的AN/TPY-2雷达系统装有3万多个天线单元。这些天线单元按照一定的排列方式排列组成天线阵列，如线阵（一维排列）、面阵（二维排列）等。天线单元的数量和排列方式会影响天线的性能，如增益、波束宽度等。通过控制每个天线单元的相位和幅度，可以实现波束的指向和形状的动态调整。3）数据转换模块主要负责信号的模数转换（ADC）和数模转换（DAC）。它将模拟信号转换为数字信号，以便进行数字信号处理；同时，将数字信号转换为模拟信号，以便通过T/R组件发射。这些芯片需要具备高精度、高采样率和低噪声等特点，以确保信号的质量。4）数字信号处理模块数字信号处理模块是相控阵雷达的“大脑”，负责对信号进行复杂的处理。通过控制馈电网络中的移相器和衰减器，实现波束的动态调整。智能化：数字信号处理模块通常由高性能的DSP、FPGA和相应的存储器组成。DSP和FPGA用于执行复杂的算法，存储器用于存储信号处理所需的参数和中间结果。 05 成本占比相控阵雷达成本的主要部分为相控阵天线（包含有天线阵、馈电网络和波束控制器三大组成部分），一部有源相控阵雷达天线系统成本占雷达总成本的70%-80%，而T/R组件又占据了有源相控阵雷达天线成本的绝大部分，占整个雷达造价的60%（其中，T/R芯片进一步占据整个相控阵雷达的成本约30%）。因此高性能、低成本、小型轻量化和高集成化的T/R组件是发展有源相控阵雷达的关键。参考国博电子T/R组件价格 06 技术优势
[*]快速扫描能力：相控阵天线通过电子方式控制波束方向，扫描速度极快。与传统的机械扫描雷达相比，它可以在瞬间改变波束指向，能够快速搜索和跟踪多个目标。例如，在军事防空雷达中，相控阵雷达可以同时监视多个方向的空中目标，及时发现来袭的导弹或飞机。
[*]高可靠性：由于没有机械转动部件，相控阵天线的可靠性较高。机械扫描雷达的天线在长时间高速旋转过程中，容易出现机械故障，如轴承磨损、天线变形等。而相控阵天线的辐射单元和电子部件相对稳定，使用寿命更长。
[*]抗干扰能力强：相控阵技术可以通过波束的快速变化和灵活的波束形成方式，对抗干扰信号。例如，它可以采用自适应波束形成技术，根据干扰信号的特性，调整波束方向和形状，使主波束避开干扰源，同时增强对目标信号的接收。
[*]多波束能力：相控阵天线可以同时形成多个波束，可以同时执行搜索、跟踪和导弹制导等功能。
主要优缺点： 07 相控阵技术 VS 频控阵技术自2006年美国空军研究实验室和英国伦敦大学首次提出频控阵雷达（FDA）概念后，相关理论研究不断深入。频控阵是一种新型阵列技术，通过在阵元间引入不同的频率偏移来控制波束方向。每个阵元的载频不同，存在一定的频偏，从而实现波束的自动扫描。频控阵技术作为一种新兴技术，已经取得了一定的进展。目前包括我国在内的世界多个国家先后研制出了相关的频控阵雷达原理样机。同时，在实际应用中仍面临一些技术挑战，如波束图变化、有效接收机设计、自适应信号检测与估计等问题。频控阵雷达技术的未来发展趋势之一是与其他技术的融合化发展。例如，频控阵技术与多输入多输出（MIMO）雷达技术的结合（形成FDA-MIMO雷达系统），有望进一步提升雷达系统的性能。 08 市场与应用根据Forecast International分析，2010年-2019年全球有源相控阵雷达生产总数占雷达生产总数的14.16%，总销售额占比25.68%。整体来看，有源相控阵雷达的替代市场空间巨大。应用前景广阔，可军民两用：随着国防装备费用的持续投入，我国军用雷达市场保持快速增长，预计2025年市场达到573亿元，复合增速达到11.5%。1）精确制导精确制导装备是指直接命中概率大于50%的制导装备，是高技术战争的关键性国防装备，在现代战争中得到了越来越广泛的应用。导引头作为精确制导武器的“眼睛”，可有效地把导弹和目标关联起来并输出它们之间的相对运动信息。导引头决定整个精确制导武器更新换代的方向，是价值量占比最高的部分。根据《防空导弹成本与防空导弹武器装备建设》中关于导弹按价值量拆分的描述，导引头和动力装置占据40~60%的成本。按照探测系统的不同，导引头主要可分为光学制导和雷达制导两大类。其中，有源相控阵雷达导引头凭借灵敏度较高、信号处理能力较强、可靠性较高等特点，将逐步替代无源相控阵雷达，成为弹载武器的倍增器。2）探测相控阵雷达广泛运用于机载雷达和舰载雷达，具有扫描时间快、抗干扰能力强、可靠性高等特点。现代军用雷达中最为广泛应用的相控阵雷达已有机载火控雷达（J-10C、J-16、J-20）、预警机雷达（空警-2000、空警-500）、陆基防空雷达等多款类型研制成功，有望在数年内大规模列装。根据《全球军用雷达市场2015-2025》报告，2025年机载雷达、舰载雷达市场将占据全球军用雷达市场的35.6%、17.2%，二者合计占市场的50%以上。3）卫星通信卫星上的相控阵天线可以根据地面站的位置，快速调整波束方向，实现稳定的通信链路。同时，它可以支持多个地面站的通信，提高卫星通信的容量。4）电子战在电子对抗中，相控阵技术可以用于电子侦察和电子干扰。相控阵天线能够快速改变波束方向，搜索敌方的雷达和通信信号。同时，它也可以发射干扰信号，通过波束的快速扫描，对敌方的电子设备进行干扰，使其无法正常工作。除了以上军事领域的应用外，在民用领域也有广泛的应用，包括5G通信、卫星导航、气象监测、空中交通管制、智能驾驶等方面。我国虽在有源相控阵领域起步较晚，但发展势头迅猛。随着5G通信、卫星互联网等新兴领域的发展，有源相控阵雷达的应用场景将进一步拓展，市场空间也将不断扩展。
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