相控陣制導技術發展現狀及展望

樊會濤*，閆俊1.中國空空導彈研究院，洛陽　4710092.航空制導武器航空科技重點實驗室，洛陽　471009

相控陣制導技術發展現狀及展望

樊會濤1，2，*，閆俊1，2
1.中國空空導彈研究院，洛陽471009
2.航空制導武器航空科技重點實驗室，洛陽471009

相控陣制導技術是一項改變戰場“游戲規則”的新技術，在反隱身和抗干擾等方面具有突出的體制優勢，成為近20年國內外精確制導技術研究的熱點，并已在某些導彈型號研制中得到應用。首先，分析了相控陣制導系統的技術特點；其次，總結了相控陣制導技術的國內外發展情況，論述了相控陣制導系統工程應用必須解決的關鍵技術。最后，展望了未來可能的技術發展方向。可以預見，隨著相控陣制導技術的深化研究和普及應用，必將帶動精確制導武器性能的大幅提升。

相控陣雷達；制導系統；精確制導武器；空空導彈；捷聯導引頭

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歷史經驗表明，重大技術變革及其工程應用推動著高性能武器裝備的一代代發展與進步，改變著戰場的“游戲規則”［1-3］。“先敵發現、先敵發射、先敵命中、先敵脫離”是空戰制勝的“四先”原則，指導著航空武器裝備的研制與發展［4］。審視50年來航空制導武器的發展歷程和空戰規則變遷，可將其認為是大致經歷了3次重大技術變革［5-6］。第1次是脈沖多普勒雷達技術的突破。自20世紀70年代開始在機載火控雷達領域中得到普及應用，典型代表是AN/APG-63和AN/APG-65機載雷達；在20世紀80年代開始應用于中距空空導彈，典型代表是美國AIM-120導彈，使得武器系統的“四先”性能得到大幅提高，最大攻擊距離由二三十千米增加到了七八十千米。第2次是飛行器隱身技術的突破。從20世紀90年代開始普及應用，典型代表是美國的F-22A、F-35等隱身戰斗機，其雷達散射截面積（RCS）降低了2個數量級，隱身使得戰場信息出現了不對稱的單邊透明，全面抑制了對手“四先”能力的發揮。第3次是相控陣雷達技術的突破，是制衡隱身技術的主要技術途徑［7-8］。相控陣雷達技術的成功應用是對傳統雷達的一次技術革命，極大地擴展了雷達使用功能，提高了其工作性能，豐富了作戰飛機執行任務的能力，改變了作戰模式，重新定義了隱身時代的戰場“游戲規則”，確保了己方“四先”能力的有效發揮。

美軍在2010年公布的《技術地平線報告》中認為［9］：具有“不對稱價值”的技術能夠充分改變未來戰場環境，進而產生優勢地位的潛在“跨越”和“改變游戲”的能力。毫無疑問，相控陣技術正是這種“改變游戲”的技術。20世紀90年代，有源相控陣雷達研發進入快車道，已成為高性能戰斗機的標準配置，典型代表是AN/APG-77和AN/APG-81機載雷達。相控陣制導技術是指利用相控陣雷達導引導彈飛向目標的一種制導技術。由于彈載使用要求極為嚴酷，相控陣制導技術在國際上整體處于體制突破的關鍵時期，軍事強國都在爭先搶占該技術的制高點，加快關鍵技術攻關步伐，力求領先應用在精確制導武器上。由于技術保密的原因，相控陣制導技術公開發表的文獻較少。

1　相控陣制導技術特點

與機械掃描雷達不同，相控陣技術通過調整每個陣元的相位來實現波束掃描，并采用分布式發射，通過大量的T/R組件實現高功率放大和高靈敏度接收，技術更為先進，是雷達制導技術發展的重點［10］。

1.1大功率孔徑積，作用距離遠

足夠的末制導作用距離是保證導彈制導精度的關鍵因素。以空空導彈為例，美國AIM-120空空導彈和俄羅斯P-77空空導彈等現役裝備均采用了機械掃描主動雷達制導系統。以第三代戰斗機為典型攻擊目標，末制導的作用距離一般為15～20km，攻擊能力得到了靶試或實戰的檢驗。以F-22A為代表的第四代隱身戰斗機的出現，導致現役防空導彈末制導作用距離下降到3～4km，難以有效完成攻擊［11-12］。

相控陣制導技術利用空間功率合成可實現大功率孔徑積，在較小體積約束下實現高平均功率，規避了傳統雷達制導系統集中式大功率發射機的功率合成與大功率傳輸等技術瓶頸，使平均發射功率可提高一個數量級以上，為遠距離探測隱身目標提供了基礎［13］。尤其是隨著第三代氮化鎵（GaN）微波集成電路芯片技術的快速發展，單片輻射功率和整機效率不斷得到提高，相控陣雷達大功率輻射還有廣闊的提升空間，可以實現性能的持續提高和長遠發展。相控陣制導技術是有效攻擊隱身目標的技術途徑之一。

1.2無慣性掃描，中末制導交班能力強

優良的中末制導交班能力是保證導彈單發殺傷概率的一個重要環節。中遠距空空導彈為提高攻擊距離，普遍采用復合制導體制，為有效抑止目標指示誤差、機彈對準導航誤差、目標機動補償和導彈慣導誤差等不利影響，需要提高導彈的中末制導交班能力［14］。相控陣雷達導引頭取消了傳統機電式位標器，用電子控制方式實現天線波束快速無慣性的轉換指向，角空間搜索能力強、搜索方式靈活多樣，在搜索樣式、波位駐留時間和角空間捷變等方面可依據作戰需求進行自適應設計，在遠距離攻擊時仍可保證高的中末制導交班概率。

1.3結構緊湊尺寸小，有利于全彈性能提升

小型化是空空導彈系統設計的強約束條件。相控陣制導系統無需位標器伺服結構及其旋轉所需空間，可有效減小導引頭結構尺寸。與傳統雷達導引頭相比，工程上長度一般可減少30％以上。節省出的空間尺寸，可降低全彈結構緊湊化布局的難度，并為加長導彈發動機以增加射程提供可能。

同時，彈載條件下可用空間相對有限。相同彈徑條件下，相控陣制導系統的可用天線口徑可適當增加，使得天線布陣更為靈活，有利于提高相控陣天線增益并優化天線性能，進一步增加導引頭作用距離。

1.4寬工作帶寬，全數字化抗干擾

抗干擾性能是決定導彈系統實戰性能的重要因素。相控陣制導系統具有全數字化特點，可全面提升導彈對復雜戰場環境的適應能力：相控陣制導系統的工作帶寬可擴展到1GHz以上，能有效改善抗壓制式干擾能力；利用數字波束形成（DBF）技術和邊跟邊掃（TWS）工作模式，能在干擾方向上自適應調零，實現抗拖曳式誘餌等新型干擾；采用空時自適應處理（STAP）技術，可有效抑制地海雜波影響，大幅提升導彈低空尾后下視能力，提高對“低小慢”的攻擊能力［15］。

1.5柔性降級，工程應用高可靠

相控陣制導系統取消了機電式位標器和集中式大功率發射機，采用全固態設計，信息處理高度電子化集成，小型化的同時提高了系統可靠性。相控陣天線多路并行工作，具有“柔性降級”（Graceful Degradation）特性［16］，少量的單元失效對系統性能影響不大。試驗表明，5％的單元失效時系統性能無顯著變化，10％的單元失效時系統仍可維持基本工作。“柔性降級”提升了系統可靠性和可維護性，也便于工業化批量生產。

2　相控陣制導技術的國內外發展情況

美國國防部在2003年的一份技術發展報告中指出，“未來10年，不掌握相控陣雷達技術的廠商，將沒有立足之地”。相控陣制導技術由于其優越的技術特點和特有的技術難度，使得軍事強國均投入了大量的人力和資金，爭相開展相控陣制導技術的工程化研究與驗證。

美國從裝備應用需求出發，引領著相控陣制導技術的發展和應用。20世紀90年代，依托“大氣層攔截彈”（ENDOLEAP）項目，諾斯羅普·格魯門公司和洛克希德·馬丁公司分別進行了技術先期探索，提出了Ka波段和W波段相控陣導引頭方案，但未形成裝備。21世紀初，通過“低成本巡航導彈防御”（LCCMD）項目，雷神公司提出了Ka波段主動相控陣雷達導引頭方案，并于2004年完成了口徑152mm、包含672個單元的導引頭樣機，實現了有源相控陣導引頭的階段性突破。美國雷神公司研發的相控陣導引頭天線如圖1所示。2010年，美國在下一代空空導彈（NGM）技術基線中明確表明將采用基于相控陣的多模導引頭，開展了雙波段相控陣主動雷達導引頭和紅外成像/共形相控陣雷達雙模導引頭等多種方案設計和樣機研制，并分別于2012年底和2013年進行了空中掛飛試驗和空中發射試驗。

圖1　美國雷神公司研發的相控陣導引頭天線Fig.1　Active electronically scanned array seeker antenna developed by America Raytheon company

俄羅斯明確將主動相控陣導引頭作為國家武器發展計劃中的一項重要技術內容，以保證今后10年內的武器系統先進性。俄羅斯NPP Radar MMS股份公司、瑪瑙研究所和阿爾泰設計局等正在研制不同波段的多種相控陣導引頭，計劃用于3M80/3M82系列反艦導彈和9K331 Tor2M1系列近程防空系統。2013年，俄羅斯伊斯托克公司在莫斯科航展上展出了其最新研制出的X波段有源相控陣天線，如圖2所示。該天線總功率大于1 000 W，采用砷化鎵器件，每個單元輸出功率為10～15W，質量約為9kg。

圖2　俄羅斯伊斯托克公司展出的X波段有源相控陣天線Fig.2　X-band active electronically scanned array antenna exhibited by Russia ISTOC company

英、法、德等歐洲傳統軍事強國也在持續開展相控陣制導技術研究。2003年，英國奎耐特公司成功地進行了世界上首次相控陣雷達導引頭天線的閉環試驗。其研制的X波段相控陣導引頭原理樣機如圖3所示，在口徑80 mm下布置了19個天線單元。近年來，奎耐特公司還進一步開展了Ka波段彈體共形相控陣天線研制和成像能力驗證試驗。德國BGT公司和EADS公司開展了用于空空導彈的紅外/相控陣雷達雙模導引頭研究。

圖3　英國奎耐特公司研制的X波段相控陣導引頭樣機Fig.3　X-band active electronically scanned array seeker prototype developed by UK QinetiQ company

中國在相控陣制導技術上雖然起步相對較晚，但充分利用了后發優勢，技術發展勢頭強勁。在國家精確制導技術預研支持下，中國航空工業在“十一五”期間通過自主創新，突破了相控陣制導關鍵技術，并率先應用于型號研制，利用相控陣的體制優勢大幅提高了反隱身和抗干擾能力。同時，國內其他研究院所和高校等單位也都將相控陣制導技術作為重要的研究方向，投入了大量人力、物力來開展技術攻關，取得了一系列較高水平的研究成果。

3　相控陣制導系統的關鍵技術

相控陣制導技術是精確制導技術的重要發展方向，將在大量先進精確制導武器上得到廣泛應用。相控陣制導技術工程應用需解決捷聯波束穩定與跟蹤技術、相控陣天線波束指向精度、相控陣天線高密度集成與散熱技術和低成本T/R組件技術4項關鍵技術。

3.1捷聯波束穩定與跟蹤技術

相控陣雷達導引頭的天線陣列與彈體固連，是一種全捷聯導引頭，彈體姿態運動會影響導引頭波束在慣性空間的指向，使得導引頭測量信號耦合彈體姿態運動信息，從而嚴重影響導彈制導系統的性能。因此，與采用機電式位標器的傳統導引頭相比，必須采用捷聯波束穩定技術隔離導彈飛行過程中的姿態擾動和彈體變形，以保證導引頭對目標的快速截獲與穩定跟蹤，并獲得高的測角精度，這是相控陣制導技術彈載應用首先要解決的問題［17-18］。

捷聯波束穩定主要有兩種實現方法：角速度補償法和角位置補償法［19-20］。工程上需考慮天線波束躍度、捷聯慣導的漂移、數據更新周期與傳輸延遲，以及彈體彈性變形等影響因素。

3.2相控陣天線波束指向精度

相控陣天線波束指向精度直接影響導彈制導精度。相控陣導引頭的波束指向是一個開環系統，導引頭無法獨自獲得某一時刻波束的實際指向角度。影響相控陣天線波束指向精度的因素有很多，既包括器件離散性、饋電網絡的多級性和工藝復雜性等造成的T/R組件幅相不一致現象，也包括天線互耦和頭罩匹配等系統問題，還存在長期儲存造成的頻率等參數漂移以及不同使用工況下溫度等參數漂移等客觀情況［21］。此外，相控陣導引頭的工作帶寬已經可以達到1GHz以上，使得其指向精度較難在整個角度掃描范圍內達到系統指標要求，需要對其進行補償與校準。

相控陣天線波束指向精度補償主要是對相控陣導引頭與天線罩進行聯合補償，以消除天線罩瞄準誤差與天線波束指向誤差對導引頭測量的影響。

實時在線自校準是相控陣彈載應用的關鍵技術，也是相控陣制導系統設計必需考慮的問題。首先，在進行單元天線設計時就需要仔細考慮校準回路的實現方案；其次，彈載應用背景需要強調校準算法的快速性，需要對接收電路和數字處理電路進行配合設計。在天線安裝和調試過程中，必須對天線單元之間的幅度和相位誤差進行測試、修正和校準，以保證天線各通道的幅相一致性。

3.3 相控陣天線高密度集成與散熱技術

相控陣制導系統小型化是應用于精確制導武器的前提，但同時也會帶來相控陣天線高密度集成與散熱技術難題。采用多層共燒陶瓷基板等技術可實現T/R組件、饋電網絡、低頻控制以及天線輻射單元等的一體化集成［22］。相控陣導引頭的一個顯著特點是功率密度大、工作時間短，在較小口徑內聚集了數千瓦的射頻功率，但工作時間一般只需要幾十秒，基本上是在相控陣天線系統剛剛達到熱平衡、甚至沒有達到平衡時就結束了。因此在降低相控陣天線系統溫度的同時，還要解決整個天線系統溫度的一致性。

通過合理設計相控陣天線結構以及優化導熱結構，利用結構自身熱容可以滿足工作中的散熱要求；借助液冷等輔助散熱措施可以解決相控陣天線測試和相控陣導引頭調試等較長時間使用的散熱需求。但要滿足更大功率相控陣的散熱，還需要尋求其他解決措施。目前國內外研究采用的技術有相變材料技術、微細液體管路循環加冷板技術、壓電微電機泵技術和陣面熱平衡校準技術等。

3.4低成本T/R組件技術

高成本是制約彈載相控陣導引頭工程應用的最大瓶頸。在相控陣天線生產成本中，T/R芯片成本所占比重最大，不僅要考慮發射功率、噪聲系數、幅相控制方式、氣密封裝和體積尺寸等性能指標要求，還要考慮加工集成等工藝和測試等低成本制造實現技術。

為了降低T/R組件的成本，首先，需要不斷提高芯片生產工藝穩定性和批產保障能力；其次，需要從電路設計和封裝方案等方面開展綜合優化，提高T/R組件的微組裝效率［23］。因此可通過低溫共燒陶瓷（LTCC）和AlN陶瓷技術，實現T/R組件的多層布線和多芯片組裝（MCM），實現微波模塊的小型化、重量輕和高性能。

在芯片改進方面，則需要進一步推進多功能芯片的研制，在降低芯片直接成本的同時，進一步降低微組裝生產成本。此外，基于MEMS集成的工業化低成本制造技術也應開展專項研究。

4　相控陣制導系統的發展展望

相控陣制導系統正處于快速發展時期，提升潛力大，在精確制導武器上具有廣闊的應用前景［24］。未來可能的技術發展方向有以下幾個方面。

4.1多通道相控陣雷達導引技術

為了更好地適應復雜戰場環境，提高導彈抗干擾能力，采用多通道相控陣雷達導引技術可實現更為靈活高效的數字波束形成與空時自適應處理。

需要突破彈載條件下的空時自適應處理，解決多通道信號的巨大運算量問題，加快彈用高性能多核新型信號處理平臺的技術研發。

4.2大功率相控陣雷達導引技術

為了提高載機先敵脫離能力和導彈反隱身能力，需要進一步提高導彈的末制導作用距離，采用千瓦級大功率相控陣雷達導引技術是一項可行的技術途徑。

需要突破大功率T/R模塊制備與批生產、天線熱綜合設計、千瓦級彈上高效能源與電磁兼容設計以及功率管理等關鍵技術。

4.3雙波段相控陣雷達導引技術

為了滿足高性能隱身戰斗機多任務制空作戰需求，要求機載精確制導武器具有空空/空地多任務的攻擊能力，需要發展雙波段主動相控陣雷達導引技術。利用兩個主動波段的復合，增強末制導系統的抗干擾能力，并進一步提高制導精度，滿足不同作戰任務對主動雷達特性的不同需求［25］。

需要突破雙波段共口徑緊湊布陣設計、雙波段T/R集成與小型化設計、雙波段信息融合技術以及雙任務作戰模式下復雜背景條件目標識別算法等關鍵技術。

4.4共形相控陣雷達導引技術

雷達/紅外雙模導引系統是未來精確制導技術重要的發展方向，能夠從體制上很好地解決導彈的抗干擾、反隱身和多用途等問題。共形相控陣雷達導引技術是解決雷達/紅外雙模導引系統共口徑設計難題的關鍵［26-27］。英國奎耐特公司研制的Ka波段彈體共形相控陣天線樣機如圖4所示。

需要突破共形陣列天線設計、共形天線校準、基于數字波束形成的角跟蹤技術以及緊湊結構一體化設計等方面的難題。

4.5雙/多目標制導跟蹤技術

圖4　英國奎耐特公司研制的Ka波段有源電子掃描陣列天線樣機Fig.4　Ka-band active electronically scanned array seeker antenna prototype developed by UK QinetiQ company

為了應對未來復雜的戰場環境，適應戰場態勢的不確定性，在精確制導武器攻擊過程中，攻擊目標的同時還要求導引頭能夠始終保持對另一個目標的探測和跟蹤。當戰場態勢發生變化時，可根據要求更換攻擊目標。

利用相控陣天線波束快速切換能力，可以分時探測兩個目標，給出兩個目標的測量信息。通過目標優選算法鎖定威脅最大或殺傷效能最高的一個目標進行制導攻擊［28-29］。

4.6制導引信一體化技術

傳統導彈的制導系統和引信系統都是獨立工作的。制導系統負責導引并控制導彈飛到目標附近，而引信負責在近距離探測目標并適時起爆戰斗部。相控陣雷達導引技術為二者功能的合二為一提供了可能。采用制導引信一體化技術后，導彈上傳統的近炸引信不復存在，導引頭將替代其近感探測功能，引信軟件也將與彈載飛行控制等軟件集成。這樣不僅能減小導彈的重量，而且與傳統引信相比，還能利用更為豐富的目標信息，從而對引信起爆時間和方位等進行預測估計，達到精確引炸的目的。

需要突破導引頭和引信的兼容設計、基于相控陣天線的引信前向探測技術以及多通道相控陣波束控制與波形捷變技術等，還需要開展大量的引信動態試驗。

4.7相控陣制導所需的基礎技術

為了使相控陣制導技術更好地實現彈載應用，尚需要加強一些基礎技術研究，主要包括：①第三代半導體技術與低成本制造集成。加強芯片型譜的規劃建設，推動第三代半導體技術的快速成熟與應用，加大在高效集成工藝和自動化測試等方面的研發投入，進一步降低制造成本。②天線陣列的熱設計，需要加強新材料研制與應用、熱仿真與模型驗證方法設計等。③陣列信號處理技術。需要加速彈載高性能多核處理平臺研制，開展數字波束形成（DBF）和空時自適應處理（STAP）等算法設計以及簡化應用。④電磁場理論與計算。需要開展相控陣天線電磁場特性研究，包括互耦特性研究、大型陣列綜合、多波段陣列兼容設計、彈體共形天線或智能蒙皮技術研究等。

5　結束語

相控陣制導技術是一項改變戰場“游戲規則”的革命性技術，是隱身時代導彈精確制導技術的新的技術高地，是近10年來和未來20年內國際上雷達制導技術研究的重點和持續熱點。環顧國內外，相控陣制導技術在體制上已取得重大突破，正在駛入工程化應用的快車道［30-31］。

綜合判斷，中國整體處于技術研究的第一方隊，并且應用上有可能超前。但同時要清醒地認識到，為進一步發揮相控陣雷達制導的技術優勢，國內尚需要在多通道相控陣技術、雙波段相控陣技術、共形相控陣技術、第三代半導體芯片開發以及低成本制造等方面進一步加強研究，加大投入，鞏固中國在相控陣制導技術領域的領先地位，推動中國精確制導武器性能的持續提升。

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樊會濤男，博士，中國工程院院士，研究員。主要研究方向：飛行器總體設計。

Tel：0379-63383868

E-mail：fanhuitao1962@163.com

Development and outlook of active electronically scanned array guidance technology

FAN Huitao1，2，*，YAN Jun1，2
1.China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China
2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons，Luoyang 471009，China

Active electronically scanned array guidance is a new technology which is going to change the game rules of battlefield.lt has some striking systematic advantages in anti-stealth and anti-jamming aspects.For the recent 20 years，active electronically scanned array guidance has become a research hotspot in precision guidance technology worldwide and has been applied to the domestic and foreign development of certain missile.Firstly，an analysis of the technical features of active electronically scanned array guidance system is given；Secondly，the development of active electronically scanned array guidance technology at home and abroad is concluded，and also the key techniques which have to be solved in active electronically scanned array guidance system engineering application is discussed.Finally，an outlook of the possible development direction of active electronically scanned array guidance is presented.lt can be predicted that the deepening of active electronically scanned array guidance technology research and popularization will substantially enhance the performance of precision guidance weapons.

active electronically scanned array radar；guidance system；precision guidance weapon；air to air missile；strap down seeker

2015-01-16；Revised：2015-03-21；Ac cepted：2015-06-14；Published online：2015-07-03 09：40

.Tel.：0379-63383868 E-mail：fanhuitao1962@163.com

V448；TJ765

A

1000-6893（2015）09-2807-08

10.7527/S1000-6893.2015.0181

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20150703.0940.002.html