有源相控陣(AESA，亦譯有源電掃描陣列)雷達已成為現(xiàn)代先進戰(zhàn)機的標準配置，不僅會在許多新機型中取代機械掃描陣列(MSA)和無源電掃描陣列(PESA)雷達，還用于現(xiàn)役飛機的批量升級。AESA也已滲入以前由MSA和PESA技術(shù)主導(dǎo)的其他領(lǐng)域，包括機載預(yù)警雷達、面對空導(dǎo)彈火控雷達和立體搜索雷達。這種發(fā)展勢頭還會持續(xù)下去，并將得到進一步的發(fā)展。但是，AESA也不是“萬能藥”，并非適合所有雷達應(yīng)用。因為它會對支撐硬件提出許多獨特的要求，而在傳統(tǒng)雷達技術(shù)中，這樣的硬件很少甚至根本沒有。這些要求增加了系統(tǒng)集成的費用，并且在不同程度上影響到其應(yīng)用。
雷聲公司的 RACR 基于 APG-79 AESA 雷達的經(jīng)驗
毋庸置疑，隨著技術(shù)日趨成熟，制造費用不斷下降，AESA近期有望成為一種主流技術(shù)，用于多種大批量雷達的設(shè)計與開發(fā)。要知道AESA因何能夠獲得如此巨大的成功，首先需要了解電掃描陣列或相控陣的發(fā)展歷程。
ESA雷達技術(shù)的發(fā)展
世界上第一種“現(xiàn)代化”的軍用量產(chǎn)型相控陣雷達是曾在二戰(zhàn)后期部署的德國制造的VHF波段GEMA FuGM41“猛犸象”或“板墻”系列對空/對海監(jiān)視雷達。這種創(chuàng)新性的雷達引入了電子或“靈活”波束控制概念-天線主瓣的方向不再通過天線視軸的物理指向來控制，而是通過改變經(jīng)由天線陣列陣元的信號的相對相位或延時來實現(xiàn)。雖然更早出現(xiàn)的英國“本土鏈”雷達(曾對不列顛之戰(zhàn)發(fā)揮決定性作用)是利用天線陣元對之間的相位關(guān)系來測向，但“猛犸象”雷達才是第一種通過多個獨立的相位或延時控制單元實現(xiàn)收發(fā)的批生產(chǎn)型號。
這種方法帶來的最大好處就是不再需要通過機械的方法控制龐大笨重的天線掃描大范圍空域，而通過電子控制波束指向獲得靈活的波束控制能力。這是ESA相對于MSA的重要優(yōu)勢，因為它能夠靈活控制波束，跟蹤單個目標或群目標，以及提高對大范圍空間的掃描速率。對于設(shè)計和維護人員來說，與MSA相比，采用ESA會帶來復(fù)雜度、體積和重量方面的問題，至今上述因素仍是影響ESA技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙。
20世紀70年代，隨著美國和前蘇聯(lián)開發(fā)了一系列重要的系統(tǒng)，ESA技術(shù)取得了長足進步。但不管怎么發(fā)展，其宗旨都是獲得同時跟蹤大批量高速運動目標的能力，進而支持導(dǎo)彈制導(dǎo)應(yīng)用，以及戰(zhàn)術(shù)/戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈和低/高空巡航導(dǎo)彈防御應(yīng)用。
美國部署了雷聲公司開發(fā)的450兆赫茲FPS-115“鋪路爪”雷達，前蘇聯(lián)開發(fā)部署了150兆赫茲的NIRI 5N15“第聶伯河”/“雞舍”系列PESA雷達，兩者均用于執(zhí)行關(guān)鍵的戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈捕獲和跟蹤任務(wù)。后來的“鋪路爪”型號，平均功率為145.6千瓦，峰值功率為582.4千瓦，采用的陣元數(shù)量至少1792個，每個陣元的輻射功率為325瓦。
美國陸軍裝備的雷聲公司C波段MPQ-53“愛國者”交戰(zhàn)雷達和前蘇聯(lián)的X波段5N63/30N6(用于S-300PT/SA-10)和9S32(用于S-300V/SA-12)交戰(zhàn)雷達也是PESA雷達，都是為摧毀飛機、巡航導(dǎo)彈、遠程導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈而開發(fā)的。上述3種雷達采用了相同的設(shè)計理念-采用無源光學(xué)空間饋電和由移相器組成的透射主天線陣。前蘇聯(lián)雷達采用精心設(shè)計的單脈沖饋源喇叭排列，置于透鏡組件之后。類似的空間饋電設(shè)計也用于前蘇聯(lián)為S-300V/SA-12地空導(dǎo)彈系統(tǒng)開發(fā)的X波段9S19“高屏”反彈道導(dǎo)彈捕獲雷達和為S-300PM/SA-20A地空導(dǎo)彈系統(tǒng)開發(fā)的5N64/64N6“大鳥”S波段雙面陣戰(zhàn)場管理雷達。
類似的作戰(zhàn)需求也推動美國海軍開發(fā)了SPY-1“宙斯盾”S波段無源相控陣雷達。該雷達每個天線面有4096個陣元，分成140個模塊，每個模塊包含32個陣元，利用復(fù)雜的波導(dǎo)饋源網(wǎng)絡(luò)分發(fā)發(fā)射和接收信號。SPY-1A采用混合陣，每個天線陣面內(nèi)嵌有4352個固態(tài)接收機，采用8部發(fā)射機為每個陣面提供高達132千瓦的總峰值功率。
第一代ESA雷達的共有特征是，采用無源透射鐵氧體移相器和行波管發(fā)射機，從而提高了整個系統(tǒng)的峰值功率。對重量敏感的應(yīng)用，如地面導(dǎo)彈連，則優(yōu)選光學(xué)空間饋電，而“宙斯盾”系統(tǒng)和更低波段的彈道導(dǎo)彈防御雷達則采用饋電網(wǎng)絡(luò)。截至目前，所有上述雷達的型號及派生型仍在服役和生產(chǎn)。
20世紀80年代，第二代ESA雷達面世，主要針對機載應(yīng)用，充分汲取了雷達設(shè)計師在70年代早期獲得的經(jīng)驗。美國西屋公司為B-1B“槍騎兵”轟炸機開發(fā)了X波段APQ-164雷達，是從EAR(電子捷變雷達)演示驗證機發(fā)展而來的PESA型號，具備一定的低截獲概率(LPI)能力。雷達共用1個由1526個陣元組成的獨立孔徑，用于地面測繪、武器瞄準和自動地形跟隨等。利用行波管和接收機鏈路冗余技術(shù)，達成ESA天線的高可靠性要求。
隨后不久，休斯公司就為B-2A“幽靈”隱身轟炸機開發(fā)了Ku波段APQ-181無源相控陣雷達。APQ-181是一種低截獲概率雷達，具備隱蔽攻擊能力。它采用了與APQ-164相同的天線技術(shù)，提供類似的導(dǎo)航、瞄準和自動地形跟隨能力。不僅如此，它還附加了一項比較苛刻的要求，即天線陣面的雷達發(fā)射截面積必須滿足類似“小鳥”的尺寸，這樣才能保證B-2優(yōu)異的隱身性能。APQ-181雷達再一次驗證了ESA相較于MSA的關(guān)鍵優(yōu)勢，且適于隱身探測，這也是長期以來推動AESA，尤其是機載AESA雷達不斷向前發(fā)展的關(guān)鍵因素。
雖然美國早期的機載ESA方案主要針對轟炸機應(yīng)用，但前蘇聯(lián)的首部X波段機載PESA雷達-季霍米洛夫NIIP公司開發(fā)的BRLS-8B“盾牌”(Zaslon，北約稱“閃舞”)脈沖多普勒機載攔截雷達卻是為“米格-31”重型戰(zhàn)斗機開發(fā)的。這是因為該型戰(zhàn)機承擔著攔截美國AGM-86B空射巡航導(dǎo)彈、BGM-109G陸射“戰(zhàn)斧”和RGN-109潛射巡航導(dǎo)彈的艱巨任務(wù)。“盾牌”雷達陣列由1700個陣元組成，能夠同時引導(dǎo)4枚“阿莫斯”遠程空空導(dǎo)彈打擊隱藏在地雜波中的低信號特征目標，是用于裝備前線戰(zhàn)斗機的第一種批生產(chǎn)型ESA雷達。其最顯著的特征是L波段IFF詢問機的PESA陣列被嵌入X波段雷達陣列之中。
與第一代ESA一樣，第二代ESA雷達也采用無源透射鐵氧體技術(shù)移相器和行波器發(fā)射機，唯一不同的是后者采用天線饋電網(wǎng)絡(luò)，這也是堆棧行結(jié)構(gòu)的典型特征。在此類雷達中首次采用的多種理念一直沿用于后續(xù)AESA的研發(fā)與設(shè)計中。
俄羅斯繼續(xù)采用PESA技術(shù)設(shè)計開發(fā)了一系列新式雷達，如季霍米洛夫NIIP公司為“蘇-30MKI/MKM”戰(zhàn)機開發(fā)的N011M混合型ESA雷達以及為“蘇-35S”戰(zhàn)機開發(fā)的N035“雪豹-E”派生型雷達，法扎特倫公司為“蘇-33”艦載機開發(fā)的Zhuk-MFS/MFSE雷達，列寧人公司仿造APQ-164為“蘇-34”轟炸機開發(fā)的B004多功能火控雷達，NIIP梁贊GRPZ公司用于N001VE機掃雷達升級改造的Pero無源相控陣雷達。Pero采用獨特的反射式空饋設(shè)計，其X波段喇叭置于陣列前面的尾桁之上。該技術(shù)也用于專為9K317“山毛櫸”M2/SA-17新型戰(zhàn)場防空導(dǎo)彈系統(tǒng)開發(fā)的X波段9S36交戰(zhàn)雷達。
20世紀90年代，美國和歐洲的AESA雷達技術(shù)取得了長足進步，俄羅斯緊跟其后。雖然新研的AESA雷達采用了許多以前為PESA雷達開發(fā)的技術(shù)，但也引入了完全有別于PESA的發(fā)射機技術(shù)。砷化鎵平面單片集成電路工藝的成熟是AESA得以實現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一，因為大功率晶體管和單片移相器的制造均有賴于這種工藝的成熟。雖然早在25年前就已經(jīng)普及小功率接收機用的低噪聲系數(shù)砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效晶體管(MESFET)器件，但直到微波單片集成電路(MMIC)技術(shù)成熟到能在關(guān)鍵應(yīng)用中將必需的電路封裝在有限空間的T/R模塊內(nèi)時，研制AESA才具備了現(xiàn)實的可能。L波段和S波段MMIC技術(shù)早在15年前就已經(jīng)成熟，更具挑戰(zhàn)性的X波段MMIC技術(shù)在10年前獲得應(yīng)用。PESA采用無源移相器件，而AESA的T/R模塊則集成了多個MMIC，形成獨立控制的接收機、發(fā)射機和波束控制器。在T/R模塊設(shè)計方面，俄羅斯稍遜于美國，但有望很快縮短差距。
滲透軍用雷達主流應(yīng)用領(lǐng)域
目前，AESA技術(shù)已滲透到許多關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，包括X波段機載火控雷達、VHF至S波段預(yù)警搜索雷達和特定的S/X波段彈道導(dǎo)彈防御雷達。在不斷插入現(xiàn)役雷達的升級改造以及作為一種全新設(shè)計取代傳統(tǒng)雷達的發(fā)展中，AESA技術(shù)不斷取得進步。
戰(zhàn)斗機和轟炸機機載雷達多為X波段。首部AESA批生產(chǎn)雷達是原西屋公司，現(xiàn)諾斯羅普·格魯曼公司為F-22A“猛禽”戰(zhàn)斗機開發(fā)的由1500個陣元組成的APG-77雷達。該雷達已成為AESA技術(shù)發(fā)展風向標，現(xiàn)已發(fā)展到第二種配置APG-77(V)1，其中采用的模塊與為F-35戰(zhàn)斗機開發(fā)的只有1200個陣元的APG-81雷達通用。
同期并行開發(fā)的是雷聲公司1100個陣元的APG-79雷達。該雷達最初為批量升級改造F/A-18E/F“超級大黃蜂”戰(zhàn)機開發(fā)，最后卻發(fā)展成一種獨特的設(shè)計。為APG-79開發(fā)的T/R模塊技術(shù)用于對F-15C戰(zhàn)斗機APG-63(V)3和F-15E戰(zhàn)斗機APG-82(V)1的AESA升級。早期的F-15雷達采用由行波管驅(qū)動的機械掃描陣列技術(shù)，后來一部分F-15C戰(zhàn)機換裝了早期采用“條”式T/R模塊技術(shù)的APG-63(V)2雷達，近期的升級改造涉及APG-63(V)3/APG-82配置，其中采用了基于APG-79設(shè)計的獨立T/R模塊。這種先進的T/R模塊技術(shù)也移植到APQ-181雷達的深度改進之中，在其AESA型號中采用了一對2000個陣元的X波段陣列。同期，諾·格公司還開發(fā)了1000個陣元的APG-80雷達，用于老式F-16戰(zhàn)機的批量現(xiàn)代化改造，作為一種全新設(shè)計，APG-80現(xiàn)已發(fā)展成尺寸可變的靈活波束雷達(SABR)。
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