由殲-10B雷達之爭談機載火控雷達設計

一直以來，國外媒體和國內軍迷對于殲-10戰斗機改進型（以下稱為殲-10B）的機載火控雷達都存在著極大的興趣，隨著最近一款國產新型機載相控陣雷達的曝光，由此引發的討論分析也達到了相當的熱度。筆者也想在此分析一番殲-10B的雷達技術及性能特點，以求拋磚引玉。

機載火控雷達的發展階段

雷達誕生于受到納粹德國航空兵嚴重威脅的英國，1937年研制成功，采用支撐于高塔之上的平行發射天線，在二戰前部署約20臺，被形象地稱為“本土鏈”，不列顛空戰中發揮了極為關鍵的警戒、探測和空戰引導作用。很快，雷達這種堪稱劃時代意義的傳感器就被搬上了飛機——1939年英國飛機上安裝了工作頻率為200兆赫茲的雷達，這也是人類歷史上第一部機載預警雷達。1936年美國無線電公司研制出了用于產生和放大電磁波的新型電子管，大致工作波長為1.5米，頻率200兆赫茲，發射功率500瓦。1939年11月，基于該型電子管發射機的機載對海監視雷達ASV-1原型機開始測試，1940年正式服役。根據物理學原理，雷達天線增益在天線尺寸與波長相同的量級上才有最大值，因而ASV-1雷達擁有巨大的天線，當時戰斗機無法搭載。不過1939年英國物理學家H.A.H.布特和J.T.蘭道爾研制的實用化多腔磁控管，宣告了戰斗機機載火控雷達成為可能。磁控管可以產生工作波長在分米級別的電磁波，并能將分米波信號放大至1千瓦的峰值功率。同時，電子收發開關的研制成功，讓雷達告別了起初的收發分置雙基地部署模式，可以將發射機和接收機置于同一個天線系統內，使得接收機在發射機工作時免受“燒穿”影響。至此，機載火控雷達需要的關鍵技術條件才算完全具備。

20世紀60年代末期，基于多普勒頻移原理的動目標探測技術尚未實用化，機載火控雷達還處于比較初級的“蒙昧階段”（即第一個發展階段），要么是不能測角的測距器，要么是采用單脈沖測角原理、反射面天線的簡易火控雷達，在技術上可以視為地面跟蹤雷達的小型化機載版本，對于平視和上視空中目標可以達到與地面雷達類似的效果，但是基本無法進行下視探測和跟蹤。因為這種雷達天線下視時，地面反射的雜波會將目標回波完全掩蓋，接收機徹底被主瓣雜波“霸占”。一直到1964年，美國海軍E-2A艦載預警機在預警雷達上采用了偏置相位中心天線，應用機載時間平均雜波相干技術，才實現了對海面目標的下視探測。又過了約10年，陸地上空的雷達下視探測逐漸攻克了技術難關，新一代預警機和第三代戰斗機的探測能力得以大幅度改善，下視下射能力也成為第三代機載火控雷達的“門檻”和最顯著的技術特征。

實際上，早期雷達都采用了獨立發射機和天線組成的天線陣列，天線的方向圖和增益性能由陣元幾何位置、發射信號的幅度以及相位疊加來決定。這是由于當時雷達的工作頻率很低，波長較大，很難在單個天線上得到很好的聚焦和搜索性能。后來隨著發射機逐漸能夠產生較短的波長，那種規模很大的陣列天線就被更小更集約化的單個天線所代替。

第一、第二代機載火控雷達使用較多的是拋物面反射天線、卡塞格倫天線以及格里高利天線等，這些天線本質上都是反射面天線或其衍生型。由于反射面天線的聚焦能力一般，這些天線的副瓣功率都相當高，甚至有某些采用卡塞格倫天線的機載火控雷達需要專門設計一個副瓣雜波遮蔽罩，加裝在雷達天線外面。蘇-27S/SK就是第三代戰斗機中少數采用倒置卡塞格倫天線的型號，其N001天線受制于雷達類型的固有缺陷，整個下半球的空間副瓣帶來的地面雜波會對目標的檢測產生嚴重干擾，再考慮到戰斗機的橫滾戰術機動，使得機載火控雷達要想下視下射，必須在幾乎所有切面上都具備低副瓣功率。另外，距離主瓣越遠的副瓣，相對于大地的入射角越小，入射距離越近，產生的地面雜波強度越高，所以還要求天線的遠區副瓣功率最好隨著角度的擴大而遞減，即越是機頭下方的副瓣，功率越低，這樣可以將副瓣地面雜波的干擾降低。不過即便是倒置卡塞格倫天線額外加裝了旁瓣屏蔽罩，蘇-27S/SK依然沒有具備實用的下視下射和對地精確打擊能力。

正是看到了反射面天線的固有缺陷，新型低旁瓣天線設計——波導縫隙天線開始在第三代機載火控雷達上普遍應用。事實上，波導縫隙天線從20世紀40年代就開始研究，但直到70年代才逐漸成熟。簡而言之，波導縫隙天線是指在波導寬壁或窄壁上開有裂縫，既可以作為其他天線的饋源，也可以將縫隙排列成線陣或面陣，組合成為陣列天線。合理布置的縫隙就類似一個陣元，每個縫隙輻射出的電磁波在空間疊加，形成低旁瓣高增益的方向圖。機載火控雷達一般使用的是形成平面陣列的平板縫隙天線，配合高重復頻率設計，為第三代戰斗機提供下視下射能力，為預警機提供高增益和超低旁瓣性能。而機載脈沖多普勒火控雷達標志著機載火控雷達第二個發展階段的開始，普遍采用數字化可編程處理器、平板縫隙陣列天線、真空管發射機、脈沖壓縮技術和多功能設計。

不過波導縫隙天線輻射出的信號都源自于一個發射機，其幅度、相位和波形都不能靈活調節，天線也一般采用機械掃描模式。而相控陣技術的出現，則讓陣列天線的性能達到了新的高度。

解讀相控陣

機載火控雷達第三個發展階段的標志就是相控陣技術成熟應用，目前有源/無源相控陣雷達都已開始批量裝備新型隱身作戰飛機和三代改型戰斗機，并擴散到轟炸機、武裝直升機、特種電子戰飛機等。

相控陣天線是由輻射單元排列而成的定向天線陣列，各輻射單元的相位關系都是可控的——利用相移器控制每個輻射單元的信號相位，從而改變整個天線陣列信號在空間的疊加加強方向，從而實現波束的針對性電子掃描。需要指出的是，相控陣天線屬于電子掃描天線的一種，同時電子掃描天線還包括頻移陣列、時延陣列、電子饋電開關陣列等等。

相控陣天線主要具有五個特殊的技術特點。第一，天線波束具有快速掃描能力，相對于機械掃描天線那數秒甚至十幾秒才能完成一次水平或俯仰掃描，相控陣天線可以在數微秒內完成，故數據刷新率極快。第二，其波束形狀具備捷變能力，目前這個方面應用最多的是，人工可以在天線方向圖某個方向角設置出零點增益，如此能對于某個方向的干擾“免疫”，同時也可以改變主波束形狀，實現寬波束搜索/窄波束跟蹤的快速切換。第三，天線具備空間功率合成能力——相控陣天線的最終波束成形是在空間疊加而成的，那么波束功率也是由每個輻射單元的功率疊加合成的，通過增加輻射單元數量，能實現遠程探測以及毫米波雷達所需的高功率，而常規集中式發射機要想大幅度提高功率則非常困難。第四，相控陣天線具備與雷達平臺共形的能力，天線不需要機械掃描，那么其緊貼于平臺表面即可，可以消除天線對于平臺的動力學性能的依賴，改善整體隱形能力。第五，相控陣天線可以在一個脈沖重復頻率內形成多個不同指向的發射/接收波束，提供非常強的多任務靈活性和電子對抗能力。

世界上最早裝備實用化機載相控陣火控雷達的是蘇聯米格-31截擊機，采用了鐵氧體相移器為基礎的無源相控陣技術，美國B-1B戰略轟炸機也使用了同樣技術原理的無源相控陣。

據資料稱，美國在20世紀60年代的“微電子雷達計劃”開始研制用于機載火控雷達的有源T/R組件，但受限于X波段高頻率和器件性能，暫不能直接產生/放大X波段的電磁波信號。在第二階段的“可靠機載固態雷達計劃”，美國研制出具有1048個有源T/R陣元的雷達樣機。而到了第三階段的“固態相控陣計劃”則首次采用砷化鎵場效應器件，可以對X波段信號進行放大，直接促成了F-22“猛禽”的AN/APG-77有源相控陣機載火控雷達，其每個陣元峰值功率達到10瓦，陣列擁有超過2000個陣元。至此，有源相控陣雷達成為世界雷達技術強國用于改進第三代和全新研制第四代戰斗機的最佳選擇。

有源還是無源：

殲-10B雷達猜測

我國第三代戰斗機殲-10一直被軍事愛好者所關注，其后續性能提升也堪稱熱點話題。根據公開的一張殲-10B露出黃色傾斜固定雷達天線的照片，可以推測其裝備了第三代改進型戰斗機首選的相控陣雷達，這標志著我國機載火控雷達工程技術取得突破。隨著國防技術的飛速發展和信心增強，相關分系統的公開程度越來越高，最近曝光了一款新型雷達整機照片，天線外形與殲-10B原型機雷達非常相似，為分析殲-10B機載雷達究竟采用的是有源相控陣還是無源相控陣，提供了關鍵信息。

無源相控陣機載火控雷達的總體設計，其實與第三代機掃火控雷達并沒有顛覆性的區別——都分別設計有發射機、接收機、天線以及信號數據處理系統，同樣是發射機釋放的電磁波信號經過放大電路，增大發射功率，然后通過介質傳輸到天線上。只不過無源相控陣的雷達天線采用相移陣方式電掃，即天線上會合理設置多個相移器，在控制器的作用下，將電磁波依次相移，然后再發射出去。無源相控陣雷達由于發射機集中布置，而且發射功率和冷卻功率都很大，因此體積較大。而且天線背后有較復雜的饋電系統，因此天線厚度往往較大。

舉例來說，無源相控陣分為光學饋電方式和強制饋電方式。光學饋電方式也稱空間饋電，有透鏡式饋電和反射鏡式饋電兩種，發射機和天線之間的介質就是自由空間，發射機如同人眼，無源相移陣就好像透鏡或者反射鏡。法國“陣風”戰斗機的RBE2無源相控陣雷達、“愛國者”防空導彈系統的火控雷達，都采用了透鏡饋電方式。S-300PMU1防空導彈系統的64N6三維相控陣監視雷達則采用了比較少見的反射鏡饋電方式。強制饋電則是采用波導作為發射機和天線之間的介質。美國“伯克”級驅逐艦采用的SPY-1艦載無源相控陣雷達就是強制饋電方式。

有源相控陣雷達則在總體設計上有了顛覆性的不同。這里的“源”主要指天線上的發射機。有源相控陣雷達的發射機、接收機、信號處理器全部集成進體積較小的T/R組件，天線以外只有控制器、數據處理器、電源和散熱系統，因而這類雷達天線往往厚度較薄且后端體積較小，像F-22的APG-77主要部件幾乎只能觀察到一個天線陣面。

具體看那款疑似裝備殲-10B的機載火控雷達，其外觀相當輕巧，天線厚度應該低于400毫米，尤其雷達后端設備的體積極為小巧，整個設備組件只略超過天線高度的一半。此外，天線陣面為橙黃色，且帶有箭頭狀寄生天線，天線表面似乎顯露金屬印刷天線特征，單從顏色和陣面形態來看，和俄羅斯多種采用鐵氧體相移器技術的無源相控陣雷達陣面相似。但是由于觀察角度的原因，無法看到天線后面是否布置了用于饋電的波導，而且整個天線厚度很薄，后端設備和天線之間有一根黑色的細電纜相連，這些技術特征又與有源相控陣更為相似。

綜上所述，筆者對于這款雷達的技術性能表示樂觀：若其為無源相控陳雷達，那表明我國機載火控雷達的技術水平進步極大，因為該雷達的體積遠小于俄羅斯和法國同類產品，堪與有源相控陣雷達媲美；綜合小巧造型與類似西方有源相控陣雷達的總體設計，盡管沒有直接證據，仍無法排除這款雷達是有源相控陣的可能，那么其性能之先進自不待言。

實際上，根據國內相關電子設備研究院所的官方報道，足以對于我國機載相控陣火控雷達領域的技術實力“管中窺豹”，文件中提到：“……全新體制的新型雷達，在國外是最頂尖戰斗機的標志性裝備……攻破了高難度的綜合層結構一體化設計、多目標探測、電子對抗、空面成像及高精度定位……等關鍵技術，打破了先進技術國家對我的技術封鎖，大幅提升了產品的隱身、反隱身、空面精確打擊、多功能綜合化和全壽命周期保障的綜合能力和核心競爭……系統總體性能優于歐洲同期產品水平，代表了該領域的國際先進水平……”“填補了國內X波段相控陣火控雷達的空白……榮獲該年度國家國防科技成果一等獎……”還特別提到其為新一代戰斗機的研制打下堅實基礎。

近來官方報道普遍“暗示”，我國已經突破了機載有源相控陣火控雷達技術，進而達到或相當接近世界頂級水平，那么殲-10B采用有源相控陣還是無源相控陣，應該主要取決于空軍對性能指標和成本的綜合考慮，而不再是曾經的技術瓶頸。