由歼-10B雷达之争谈机载火控雷达设计
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作者: 龙腾日月
一直以来，国外媒体和国内军迷对于歼-10战斗机改进型（以下称为歼-10B）的机载火控雷达都存在着极大的兴趣，随着最近一款国产新型机载相控阵雷达的曝光，由此引发的讨论分析也达到了相当的热度。笔者也想在此分析一番歼-10B的雷达技术及性能特点，以求抛砖引玉。
机载火控雷达的发展阶段
雷达诞生于受到纳粹德国航空兵严重威胁的英国，1937年研制成功，采用支撑于高塔之上的平行发射天线，在二战前部署约20台，被形象地称为“本土链”，不列颠空战中发挥了极为关键的警戒、探测和空战引导作用。很快，雷达这种堪称划时代意义的传感器就被搬上了飞机――1939年英国飞机上安装了工作频率为200兆赫兹的雷达，这也是人类历史上第一部机载预警雷达。1936年美国无线电公司研制出了用于产生和放大电磁波的新型电子管，大致工作波长为1.5米，频率200兆赫兹，发射功率500瓦。1939年11月，基于该型电子管发射机的机载对海监视雷达ASV-1原型机开始测试，1940年正式服役。根据物理学原理，雷达天线增益在天线尺寸与波长相同的量级上才有最大值，因而ASV-1雷达拥有巨大的天线，当时战斗机无法搭载。不过1939年英国物理学家H.A.H.布特和J.T.兰道尔研制的实用化多腔磁控管，宣告了战斗机机载火控雷达成为可能。磁控管可以产生工作波长在分米级别的电磁波，并能将分米波信号放大至1千瓦的峰值功率。同时，电子收发开关的研制成功，让雷达告别了起初的收发分置双基地部署模式，可以将发射机和接收机置于同一个天线系统内，使得接收机在发射机工作时免受“烧穿”影响。至此，机载火控雷达需要的关键技术条件才算完全具备。
20世纪60年代末期，基于多普勒频移原理的动目标探测技术尚未实用化，机载火控雷达还处于比较初级的“蒙昧阶段”（即第一个发展阶段），要么是不能测角的测距器，要么是采用单脉冲测角原理、反射面天线的简易火控雷达，在技术上可以视为地面跟踪雷达的小型化机载版本，对于平视和上视空中目标可以达到与地面雷达类似的效果，但是基本无法进行下视探测和跟踪。因为这种雷达天线下视时，地面反射的杂波会将目标回波完全掩盖，接收机彻底被主瓣杂波“霸占”。一直到1964年，美国海军E-2A舰载预警机在预警雷达上采用了偏置相位中心天线，应用机载时间平均杂波相干技术，才实现了对海面目标的下视探测。又过了约10年，陆地上空的雷达下视探测逐渐攻克了技术难关，新一代预警机和第三代战斗机的探测能力得以大幅度改善，下视下射能力也成为第三代机载火控雷达的“门槛”和最显著的技术特征。
实际上，早期雷达都采用了独立发射机和天线组成的天线阵列，天线的方向图和增益性能由阵元几何位置、发射信号的幅度以及相位叠加来决定。这是由于当时雷达的工作频率很低，波长较大，很难在单个天线上得到很好的聚焦和搜索性能。后来随着发射机逐渐能够产生较短的波长，那种规模很大的阵列天线就被更小更集约化的单个天线所代替。
第一、第二代机载火控雷达使用较多的是抛物面反射天线、卡塞格伦天线以及格里高利天线等，这些天线本质上都是反射面天线或其衍生型。由于反射面天线的聚焦能力一般，这些天线的副瓣功率都相当高，甚至有某些采用卡塞格伦天线的机载火控雷达需要专门设计一个副瓣杂波遮蔽罩，加装在雷达天线外面。苏-27S/SK就是第三代战斗机中少数采用倒置卡塞格伦天线的型号，其N001天线受制于雷达类型的固有缺陷，整个下半球的空间副瓣带来的地面杂波会对目标的检测产生严重干扰，再考虑到战斗机的横滚战术机动，使得机载火控雷达要想下视下射，必须在几乎所有切面上都具备低副瓣功率。另外，距离主瓣越远的副瓣，相对于大地的入射角越小，入射距离越近，产生的地面杂波强度越高，所以还要求天线的远区副瓣功率最好随着角度的扩大而递减，即越是机头下方的副瓣，功率越低，这样可以将副瓣地面杂波的干扰降低。不过即便是倒置卡塞格伦天线额外加装了旁瓣屏蔽罩，苏-27S/SK依然没有具备实用的下视下射和对地精确打击能力。
正是看到了反射面天线的固有缺陷，新型低旁瓣天线设计――波导缝隙天线开始在第三代机载火控雷达上普遍应用。事实上，波导缝隙天线从20世纪40年代就开始研究，但直到70年代才逐渐成熟。简而言之，波导缝隙天线是指在波导宽壁或窄壁上开有裂缝，既可以作为其他天线的馈源，也可以将缝隙排列成线阵或面阵，组合成为阵列天线。合理布置的缝隙就类似一个阵元，每个缝隙辐射出的电磁波在空间叠加，形成低旁瓣高增益的方向图。机载火控雷达一般使用的是形成平面阵列的平板缝隙天线，配合高重复频率设计，为第三代战斗机提供下视下射能力，为预警机提供高增益和超低旁瓣性能。而机载脉冲多普勒火控雷达标志着机载火控雷达第二个发展阶段的开始，普遍采用数字化可编程处理器、平板缝隙阵列天线、真空管发射机、脉冲压缩技术和多功能设计。
不过波导缝隙天线辐射出的信号都源自于一个发射机，其幅度、相位和波形都不能灵活调节，天线也一般采用机械扫描模式。而相控阵技术的出现，则让阵列天线的性能达到了新的高度。
解读相控阵
机载火控雷达第三个发展阶段的标志就是相控阵技术成熟应用，目前有源/无源相控阵雷达都已开始批量装备新型隐身作战飞机和三代改型战斗机，并扩散到轰炸机、武装直升机、特种电子战飞机等。
相控阵天线是由辐射单元排列而成的定向天线阵列，各辐射单元的相位关系都是可控的――利用相移器控制每个辐射单元的信号相位，从而改变整个天线阵列信号在空间的叠加加强方向，从而实现波束的针对性电子扫描。需要指出的是，相控阵天线属于电子扫描天线的一种，同时电子扫描天线还包括频移阵列、时延阵列、电子馈电开关阵列等等。
相控阵天线主要具有五个特殊的技术特点。第一，天线波束具有快速扫描能力，相对于机械扫描天线那数秒甚至十几秒才能完成一次水平或俯仰扫描，相控阵天线可以在数微秒内完成，故数据刷新率极快。第二，其波束形状具备捷变能力，目前这个方面应用最多的是，人工可以在天线方向图某个方向角设置出零点增益，如此能对于某个方向的干扰“免疫”，同时也可以改变主波束形状，实现宽波束搜索/窄波束跟踪的快速切换。第三，天线具备空间功率合成能力――相控阵天线的最终波束成形是在空间叠加而成的，那么波束功率也是由每个辐射单元的功率叠加合成的，通过增加辐射单元数量，能实现远程探测以及毫米波雷达所需的高功率，而常规集中式发射机要想大幅度提高功率则非常困难。第四，相控阵天线具备与雷达平台共形的能力，天线不需要机械扫描，那么其紧贴于平台表面即可，可以消除天线对于平台的动力学性能的依赖，改善整体隐形能力。第五，相控阵天线可以在一个脉冲重复频率内形成多个不同指向的发射/接收波束，提供非常强的多任务灵活性和电子对抗能力。
世界上最早装备实用化机载相控阵火控雷达的是苏联米格-31截击机，采用了铁氧体相移器为基础的无源相控阵技术，美国B-1B战略轰炸机也使用了同样技术原理的无源相控阵。
据资料称，美国在20世纪60年代的“微电子雷达计划”开始研制用于机载火控雷达的有源T/R组件，但受限于X波段高频率和器件性能，暂不能直接产生/放大X波段的电磁波信号。在第二阶段的“可靠机载固态雷达计划”，美国研制出具有1048个有源T/R阵元的雷达样机。而到了第三阶段的“固态相控阵计划”则首次采用砷化镓场效应器件，可以对X波段信号进行放大，直接促成了F-22“猛禽”的AN/APG-77有源相控阵机载火控雷达，其每个阵元峰值功率达到10瓦，阵列拥有超过2000个阵元。至此，有源相控阵雷达成为世界雷达技术强国用于改进第三代和全新研制第四代战斗机的最佳选择。
有源还是无源：
歼-10B雷达猜测
我国第三代战斗机歼-10一直被军事爱好者所关注，其后续性能提升也堪称热点话题。根据公开的一张歼-10B露出黄色倾斜固定雷达天线的照片，可以推测其装备了第三代改进型战斗机首选的相控阵雷达，这标志着我国机载火控雷达工程技术取得突破。随着国防技术的飞速发展和信心增强，相关分系统的公开程度越来越高，最近曝光了一款新型雷达整机照片，天线外形与歼-10B原型机雷达非常相似，为分析歼-10B机载雷达究竟采用的是有源相控阵还是无源相控阵，提供了关键信息。
无源相控阵机载火控雷达的总体设计，其实与第三代机扫火控雷达并没有颠覆性的区别――都分别设计有发射机、接收机、天线以及信号数据处理系统，同样是发射机释放的电磁波信号经过放大电路，增大发射功率，然后通过介质传输到天线上。只不过无源相控阵的雷达天线采用相移阵方式电扫，即天线上会合理设置多个相移器，在控制器的作用下，将电磁波依次相移，然后再发射出去。无源相控阵雷达由于发射机集中布置，而且发射功率和冷却功率都很大，因此体积较大。而且天线背后有较复杂的馈电系统，因此天线厚度往往较大。
举例来说，无源相控阵分为光学馈电方式和强制馈电方式。光学馈电方式也称空间馈电，有透镜式馈电和反射镜式馈电两种，发射机和天线之间的介质就是自由空间，发射机如同人眼，无源相移阵就好像透镜或者反射镜。法国“阵风”战斗机的RBE2无源相控阵雷达、“爱国者”防空导弹系统的火控雷达，都采用了透镜馈电方式。S-300PMU1防空导弹系统的64N6三维相控阵监视雷达则采用了比较少见的反射镜馈电方式。强制馈电则是采用波导作为发射机和天线之间的介质。美国“伯克”级驱逐舰采用的SPY-1舰载无源相控阵雷达就是强制馈电方式。
有源相控阵雷达则在总体设计上有了颠覆性的不同。这里的“源”主要指天线上的发射机。有源相控阵雷达的发射机、接收机、信号处理器全部集成进体积较小的T/R组件，天线以外只有控制器、数据处理器、电源和散热系统，因而这类雷达天线往往厚度较薄且后端体积较小，像F-22的APG-77主要部件几乎只能观察到一个天线阵面。
具体看那款疑似装备歼-10B的机载火控雷达，其外观相当轻巧，天线厚度应该低于400毫米，尤其雷达后端设备的体积极为小巧，整个设备组件只略超过天线高度的一半。此外，天线阵面为橙黄色，且带有箭头状寄生天线，天线表面似乎显露金属印刷天线特征，单从颜色和阵面形态来看，和俄罗斯多种采用铁氧体相移器技术的无源相控阵雷达阵面相似。但是由于观察角度的原因，无法看到天线后面是否布置了用于馈电的波导，而且整个天线厚度很薄，后端设备和天线之间有一根黑色的细电缆相连，这些技术特征又与有源相控阵更为相似。
综上所述，笔者对于这款雷达的技术性能表示乐观：若其为无源相控陈雷达，那表明我国机载火控雷达的技术水平进步极大，因为该雷达的体积远小于俄罗斯和法国同类产品，堪与有源相控阵雷达媲美；综合小巧造型与类似西方有源相控阵雷达的总体设计，尽管没有直接证据，仍无法排除这款雷达是有源相控阵的可能，那么其性能之先进自不待言。
实际上，根据国内相关电子设备研究院所的官方报道，足以对于我国机载相控阵火控雷达领域的技术实力“管中窥豹”，文件中提到：“……全新体制的新型雷达，在国外是最顶尖战斗机的标志性装备……攻破了高难度的综合层结构一体化设计、多目标探测、电子对抗、空面成像及高精度定位……等关键技术，打破了先进技术国家对我的技术封锁，大幅提升了产品的隐身、反隐身、空面精确打击、多功能综合化和全寿命周期保障的综合能力和核心竞争……系统总体性能优于欧洲同期产品水平，代表了该领域的国际先进水平……”“填补了国内X波段相控阵火控雷达的空白……荣获该年度国家国防科技成果一等奖……”还特别提到其为新一代战斗机的研制打下坚实基础。
近来官方报道普遍“暗示”，我国已经突破了机载有源相控阵火控雷达技术，进而达到或相当接近世界顶级水平，那么歼-10B采用有源相控阵还是无源相控阵，应该主要取决于空军对性能指标和成本的综合考虑，而不再是曾经的技术瓶颈。
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