详述电子扫描阵列的优势和局限 留言

提到：被动式和主动式电子扫描阵列有三个主要的优势：1. 降低飞机的雷达散射截面积；2. 波束控制更加灵活；3. 可靠性更高。

今天就给大家详细介绍一下这三个优势以及电子扫描阵列所带来的局限与应对方法。

在所有的低散射截面积飞机上，雷达天线的安装方式是关键。即使是一个相对小的平面阵列，如果从天线的正面照射，也可能有相当于几千平方米的RCS。机械扫描阵列在搜索的时候要不断地转动，因此天线法向的反射对飞机在预计的威胁来袭方向的RCS贡献度没那么容易降低。

当雷达处于单目标跟踪模式的时候，它的天线阵面持续指向一个目标，这时机械扫描阵列的散射截面积问题会非常严重。而电子扫描阵列相对于飞机是固定安装的，天线对飞机RCS的贡献度可以降低，其原理详见《天线的雷达散射截面积(RCS)缩减技术》。

由于电子扫描阵列的波束控制不存在惯性问题，它的波束控制比机械式要灵活的多。可以考虑一些典型值来向大家展示这种不同。

机械扫描阵列的最大波束扫描速率，即它的波束灵活度，受限于转动时驱动电机的功率，这通常在100~150 deg/s之间。另外，改变波束的移动方向大概要1/10s。

然而，电子扫描阵列可以在几微秒的时间内在±60°的范围内任意改变波束指向。这种极其灵活的波束控制有许多优势。这种能力可以：

• 目标探测到时就可以建立跟踪；

• 对多目标具有与单目标一样的跟踪精度；

• 雷达控制导弹攻击目标时，即使目标在导弹的搜索范围之外，也能被雷达探测或跟踪；

• 波束的驻留时间和波形可以单独优化以满足探测和跟踪的需要；

• 采用时序探测技术显著提高了探测范围；

• 地形跟踪能力大大增强；

• 电子欺骗技术可以在天线探测区的任何地方使用；

• 这些能力已经产生了一种全新的、高度通用的、高效的方法来分配他的雷达前端和计算资源，并控制和交织执行雷达的各种操作模式。

电子扫描阵列完全摒除了转动系统、驱动电机和旋转接头这些结构，所有这些都可能导致故障。

被动式电子扫描阵列的唯一活跃的组件是它的移相器。高质量的移相器非常可靠。然而，即使偶尔发生故障，只要不超过5%的单元发生故障，天线的性能就不会发生明显的降低，因而不需要更换它们。

主动式电子扫描阵列还有一层额外的可靠性，因为它的收发模块使用固有可靠性很高的高功率放大器，代替了中央行波管。历史上，行波管在机载雷达故障中占据了很大的份额。主动式电子扫描阵列不仅使用集成固态电路，且只需要低电压的的直流电源就可以工作，因此故障率极低。

另外，类似于被动式电子扫描阵列的移相器，最多可以有百分之五的模块发生故障而不影响性能。即使发生故障了，也可以通过适当地调整故障单元附近的单元的辐射来降低独立单元故障引起的影响。

因此，一个设计良好的主动式电子扫描阵列的平均故障间隔时间(MTBCF)可能与飞机的寿命相当。

主动式电子扫描阵列相对于被动式阵列还有一些其他的优势。其中的一些优势是由于收发模块中的低噪声放大器和高功率放大器几乎与辐射器直连的结构所带来的，这从根本上消除了天线馈电系统和移相器的损耗。

另外，忽略辐射器、双工器和接收保护电路相对较小的损耗，低噪声放大器贡献了净接收机噪声系数。可以通过合理的设计得到非常低的噪声系数。传输损耗也同样降低了。不过，这点优势可能会被模块的低效率和行波管潜在的高效率所抵消。

每个辐射单元发射和接收信号的幅度，和相位一样，可以单独控制，因此，主动式电子扫描阵列提供了优秀的波束赋形能力，可以应用在地形匹配和近距离合成孔径及逆合成孔径雷达成像中。

多波束独立控制技术可以通过将天线口径划分为几个子口径并对其提供合适的激励来实现。通过合适的收发模块设计，宽频带的多波形独立控制可以实现整个口径的共享。

虽然具有这么多的优势，但是不管是主动式还是被动式的电子扫描阵列使得雷达的设计在两个方面相对于机械扫描阵列复杂化了：1. 获取大的扫描范围；2. 在飞机姿态变化的情况下稳定天线波束。以下各段简要概述了这些局限性和规避这些局限性的方法。

获取大的扫描范围

对于机械扫描阵列，只要天线罩能提供足够的通透性，天线的扫描范围都可以在不影响雷达性能的情况下增加。然而，对于电子扫描阵列，随着天线波束从阵面的法线方向向边缘移动，随着等相位面与阵面的夹角逐渐增大，孔径的宽度逐渐减小，使得波束宽度展宽。更重要的是，口径的投影面积也会随着波束角度余弦的减小而减小，相应的增益也会下降。

根据应用场景的不同，增益的衰减在一定程度上可以通过增加驻留时间来补偿，代价是降低了扫描效率。即便如此，最大可用范围通常仅为±60°。

虽然这一扫描范围可以适应大多数应用场景，如果希望有更宽的扫描范围，可以增加阵列的数量，只是成本会大幅增加。一种可行的配置方案是，为主要的前视阵列配置两个小的“脸颊”阵列来扩展扫描的范围。

波束稳定性

对于机械扫描阵列来说，波束稳定性不是问题，因为天线配置在万向节上，通过快速作用的闭环伺服系统和天线上的速率积分陀螺仪，使天线可以指向空间坐标系的任意方向。

如果天线和平衡器实现动态平衡，该系统有效地将天线与飞机姿态的变化隔离开来。而天线波束一般只是按固定的扫描模式搜索或跟踪目标，这两种情况都不需要特别高的角速度。

对于电子扫描阵列，波束稳定性就没那么简单了。由于阵列固定在机体上，飞机姿态的每一点变化如滚动，俯仰和偏航等都必须被感知。必须为每个辐射器计算用于补偿这些变化的相位指令，并且这些指令必须传输到天线的移相器或T/R模块并执行。整个过程必须以足够高的速率重复进行，以跟上飞机姿态的变化。

如果飞机的姿态变化十分剧烈，这个速率会相当的高。对于标称每秒操控2000波位的系统，2000-3000个辐射单元的相位指令必须在500微秒内完成计算、分发和执行。幸运的是，借助于先进数字处理系统，这个级别的吞吐量可以实现。

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）