從近代戰(zhàn)爭(zhēng)來(lái)看,雷達(dá)是空戰(zhàn)、陸戰(zhàn)和海戰(zhàn)中極為重要的作戰(zhàn)“軟”武器,在幾十年的發(fā)展歷程中,始終存在著雷達(dá)與反雷達(dá)的斗爭(zhēng)。雷達(dá)系有源探測(cè)技術(shù),又稱(chēng)無(wú)線(xiàn)電定位儀,它是利用電磁波來(lái)探測(cè)目標(biāo)的距離、方位及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。

世界上第一臺(tái)雷達(dá)誕生于20世紀(jì)30年代末期;然后一直到60年代,常規(guī)雷達(dá)由于二戰(zhàn)的刺激以及60年代新革命浪潮的推動(dòng)而飛速發(fā)展。其中,60年代初引入移相器和陣列天線(xiàn)而 發(fā)展出相控陣?yán)走_(dá),解決了常規(guī)雷達(dá)由于機(jī)械掃描和天線(xiàn)慣性造成的掃描速度緩慢以及精度低、可靠性不高等問(wèn)題,頓時(shí)成為國(guó)際研究熱點(diǎn),目前美、日、英、法、 俄等各的軍事裝備中已廣泛應(yīng)用;但是由于其波束出射角受到微波頻率的影響而造成波束偏斜的現(xiàn)象,無(wú)法滿(mǎn)足寬帶寬的要求。1985年,美國(guó) GardoneLeo最早提出了光學(xué)真延時(shí)相控陣?yán)走_(dá)的思想,真延時(shí)技術(shù)可以很好地解決寬帶寬的問(wèn)題,并且將光電子技術(shù)引入相控陣?yán)走_(dá)還解決了電纜 饋電帶來(lái)的尺寸和重量的限制以及導(dǎo)電電纜干擾發(fā)射單元輻射方向的問(wèn)題、提高雷達(dá)性能、降低成本等;到90年代中后期隨著光電技術(shù)的日益成熟,相控陣?yán)走_(dá)中 的光學(xué)真延時(shí)技術(shù)得到了快速發(fā)展。

1　相控陣?yán)走_(dá)

雷達(dá)在搜索目標(biāo)時(shí),需要不斷改變波束的 方向。改變波束方向的傳統(tǒng)方法是轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn),使波束掃過(guò)一定的空域、地面或海面,稱(chēng)為機(jī)械掃描。利用機(jī)械掃描方式工作的雷達(dá)即常規(guī)雷達(dá),由于天線(xiàn)的慣性,掃 描速度緩慢、精度低、可靠性不高?，F(xiàn)代通信和軍事技術(shù)的發(fā)展對(duì)雷達(dá)和天線(xiàn)提出了越來(lái)越高的要求,傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要;隨著60 年代初移相器和相位-相位掃描體制的發(fā)展,相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生。

相控陣即“相位控制陣列天線(xiàn)”,由許多輻射單元排列而成,輻射單元少的有幾 百,多的則可達(dá)幾千、甚至上萬(wàn),其天線(xiàn)排列可以是線(xiàn)陣、平面陣、共形陣,相控陣?yán)走_(dá)因其天線(xiàn)為相控陣型而得名。相控陣?yán)走_(dá)是一種新型的有源電掃描陣列多功 能雷達(dá),每個(gè)陣元(或一組陣元)后面接有一個(gè)可控移相器,其掃描原理是利用控制這些移相器相移量的方法來(lái)改變各陣元間的相對(duì)饋電相位,從而改變天線(xiàn)陣面上 電磁波的相位分布,使得波束在空間按一定規(guī)律掃描。如圖2相控陣原理圖所示:

圖1　相控陣一般發(fā)射單元原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

傳 統(tǒng)相控陣天線(xiàn)實(shí)施電掃描的關(guān)鍵器件之一是移相器。對(duì)移相器的要求是有足夠的移相精度、性能穩(wěn)定、插入損耗小,用于發(fā)射陣時(shí)有足夠的功率容量,頻帶足夠?qū)挕?開(kāi)關(guān)時(shí)間短、易于控制等。其種類(lèi)很多,按材料分有PIN二極管移相器、鐵氧體移相器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管移相器、鐵電陶瓷移相器以及分子極化控制移相器等;按傳 輸形式分有波導(dǎo)移相器、同軸線(xiàn)移相器、集中參數(shù)移相器以及分布參數(shù)移相器等;按功率電平分有高功率和低功率移相器;按工作方式分有模擬式、數(shù)字式以及模擬 2數(shù)字控制式移相器等。

與機(jī)械掃描天線(xiàn)系統(tǒng)相比,相控陣?yán)走_(dá)有許多顯著的優(yōu)點(diǎn):適用于多目標(biāo)、多方向、多層次空襲的作戰(zhàn)環(huán)境,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)掃描、跟蹤、搜索 等等多種功能,反應(yīng)時(shí)間短、數(shù)據(jù)率高,抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等。如圖2所示的是設(shè)在美國(guó)CapeCod、每個(gè)陣元呈金字塔形的相控陣?yán)走_(dá)。它有兩 個(gè)平面陣列,每個(gè)天線(xiàn)陣列可作扇形的微波束掃描。它能探測(cè)到3000海里范圍內(nèi)10平方米大小的物體,掃描迅速,能同時(shí)跟蹤很多個(gè)物體。在相控陣天線(xiàn)中, 對(duì)于單色或窄帶的微波信號(hào),其發(fā)射方向由下式?jīng)Q定:

圖2 　相控陣?yán)走_(dá)天線(xiàn)

其 中y表示發(fā)射單元的位置,Ψ是此發(fā)射單元信號(hào)的相位,f為微波頻率?？梢钥闯?為了獲得固定的出射角度θ0,Ψ必須與f成正比。在窄帶微波信號(hào)中這 是沒(méi)有問(wèn)題的;但是在寬帶信號(hào)中,對(duì)某個(gè)固定的發(fā)射單元來(lái)說(shuō),其發(fā)射信號(hào)的相移是不變的,而不同頻率的信號(hào)將會(huì)得到不同的發(fā)射角度,從而沿不同的方向輻 射,造成波束傾斜,這是我們不愿意看到的結(jié)果。

然而當(dāng)今國(guó)際形勢(shì)的新發(fā)展、新格局以及各國(guó)軍事技術(shù)力量的提高,都迫切需要提高雷達(dá)性能:為 了提高抗干擾能力,相控陣?yán)走_(dá)必須具有盡可能大的帶寬;為了提高雷達(dá)的分辨率、識(shí)別能力和解決多目標(biāo)成像問(wèn)題,相控陣?yán)走_(dá)必須具有大的瞬時(shí)帶寬;為了對(duì)抗 反輻射導(dǎo)彈的威脅,也要求采用大瞬時(shí)帶寬的擴(kuò)頻信號(hào)。但是由于傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)的波束指向隨頻率的變化而偏移,不能滿(mǎn)足寬帶寬的要求。