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從天線看雷達兼談國慶大閱兵雷達
[ 發布時間:2013-09-29 ]   [ 字號: ]

我們看到一部雷達時,又高又大的部分就是雷達的天線,它也是雷達用來發現飛機的最直接的設備。由于天線是其在外觀上最突出的特征,所以從天線看雷達,也常常能夠看出些大大小小的門道。
  
  鍋、蜘蛛網、平板和魚骨
  
  雷達的天線有很多種,用得最多的就是拋物面天線、平面陣列天線和八木天線。
  拋物面天線在早期或機械掃描(也就是天線需要旋轉)的雷達中被廣泛應用。20世紀80年代后,由于相控陣雷達(外觀上看,雷達天線在工作時不需要旋轉)的流行,逐漸更多地采用平面陣列天線。
  拋物面天線有很多形式,有的像一口鍋,是一個比較完整的“實心”曲面,有的不是“實心”的,而是像蜘蛛網一樣的網狀結構。拋物面天線的基本原理是,在拋物面的焦點上放置一個輻射電磁波的源,饋源向拋物面上輻射電磁波,經拋物面反射后平行而不是分散射出,從而匯聚了能量,使電磁波傳播得更遠。它的最大優點是簡單易于實現,最大缺點是副瓣不容易做低。因此,當雷達需要從上往下看、探測低空飛行的飛機時(例如預警機上的雷達),為反地雜波要求天線的副瓣必須很低,所以不會使用拋物面天線。因此,現代的機載預警雷達都不使用拋物面天線。
  
  為提高雷達的機動性,拋物面就有了蜘蛛網結構,使更多的空氣從網縫中流過,減少了雷達天線架設后的空氣阻力,這樣支撐雷達天線底部結構的重量就輕了。結構也簡單,更方便移動、雖然蜘蛛網結構可以減少空氣阻力,但為了不影響電波的傳播性能,特別是為了降低副瓣,網格大小在寬度和高度上一般不能超過波長的1/8。對于工作在較低頻段(如超短波)的雷達,把實心的鍋劃分為網狀結構可行,因為超短波對應的工作波長為幾十厘米量級。但對于工作在較高頻段的雷達而言,網格的尺寸必須很小,縫隙會很密,以至于網格對改善空氣阻力沒有好處,所以就不這樣做了。
  蜘蛛網似的天線在雷達和通信中都得到了廣泛應用。國慶大閱兵中參閱的通信裝備雖然采用的天線與其類似,但對應的是通信車,而不是雷達方艙。這可以從兩個地方看出來。一是雷達要求探測距離較遠,所以要使用大天線,而它們的天線都太小。二是從天線下部的艙體也可以看出差異。閱兵通信車的艙體都是密封結構,而雷達載車的下部艙體是敞開的,以便個頭較大的雷達天線收放或折疊,隨載車機動。
  平面陣列天線從外觀上看,像是一個大平板,不像拋物面那樣是一個曲面。波導縫隙(又稱“裂縫”)陣列天線是用得最多的平面陣列天線顧名思義,“波導縫隙陣列”就是把波導一根根排列起來組成陣列,并在陣列上開出縫隙。波導是電磁波從發射機輸送到天線以及從天線輸送到接收機的通道。波導中傳輸的電磁波在“縫隙”處向空間輻射出去,也接收空間中的電磁波,接收到的最強能量的方向就是回波到達的方向。從天線上輻射出去的總能量是每個輻射單元輻射出的能量在空間疊加的結果,有些方向上,疊加的結果比較大,就會聚集較多的能量,其區域就是“主瓣”:其它方向上,疊加的結果比較小,聚集的能量較少,這樣的區域就是“副瓣”。
  
  天線上各個縫隙之間到底間隔多大距離排布,有一個簡單重要的規律,就是高度或水平方向上必須相隔半個波長。如果間距太大,各個縫隙射出的能量在合成時極易抵消很多能量,造成主瓣較低而副瓣較高;如果間距太小。各個縫隙射出的電磁波又互相干擾。
  正是這個規律和天線縫隙的數量,決定了天線個頭的大小。比如,某一個天線工作在S波段(2~4CHz),如果以3GHz的中心頻率計算,則波長為10厘米(波長和頻率換算有一個簡單經驗公式,即波長等于30除以單位為GHz的頻率,計算出的波長單位為厘米)。如果這個天線在水平方向上有100個縫隙(即由天線縫隙組成的陣列的每一行),則天線在水平方向上的尺寸就有10米:如果這個天線在豎直方向上有50個縫隙(即由天線縫隙組成的陣列的每一列),則其在豎直方向上的尺寸就有5米。由于縫隙是在波導上開的,所以,波導是豎直(或水平)方向上一根根排列的,水平(或豎直)方向上的兩個間隙問的距離,也就是波導之間的距離,即半個波長。
  平面陣列天線的最大優點之一是,副瓣可以做得較低。因為對于平面陣列天線而言,主瓣和副瓣是眾多縫隙所射出的電磁波的合成,所以,人們通過控制眾多的縫隙射出的電磁場幅度和相位,把主瓣和副瓣設計成想要的形狀。因此,這種天線在機械掃描雷達和相控陣掃描雷達上都得到了廣泛應用。相比之下,拋物面天線因饋源集中,不能調整輻射單元的相位,無法應用到相控陣。
  
  八木天線從外觀上看,就像早期架在住宅樓頂部的電視天線,南方叫魚骨天線。看到這種天線,就知道該雷達工作在較低頻段,最有可能是超短波頻段(30M~1000M)。雷達工作在低頻段時,用八木天線是比較好的選擇。因為平面陣列天線縫隙間的距離為半波長,天線必須很大,這對地面雷達和機載雷達而言,在很多情況下是不允許的。而八木天線沒有縫隙,是以一根根的“棍子”(金屬管)作為最基本的輻射單元,在尺寸上的限制要更松一些。
  超短波在空間傳播時,大氣所引起的衰減較小,更適合于遠距離傳播雷達的探測距離如果要求很遠,就會選擇工作在超短波或更低頻段。所以采用八木天線的雷達,其作用距離會比較遠,一般在500千米以上。
  八木天線的缺點是副瓣也不容易做低。美國E-2C預警機上的雷達使用的就是超短波頻段和八木天線,雷達探測距離較遠,但是在陸地上空的下視能力不太理想。
  總的來說,如果我們看到拋物面型的雷達天線,就知道它不是相控陣的。看到平板型的雷達天線,有可能是相控陣,也有可能是機械掃描。看到八木天線,就知道它工作在較低頻段,雷達探測距離較遠。這三種天線中,平板型的天線最有可能用于相控陣或要求天線副瓣較低的機載場合。
  
  天線個頭隱藏的奧秘
  
  對于雷達來說,選定工作頻段以后,天線尺寸越大,波束就越窄,分辨力越好,測量精度就越高,對目標的方位或高度也就能夠測得越準。
  雷達對目標位置的測量,包含三種信息——距離、方位和高度,同時測得這三種信息的雷達稱為三坐標雷達只能獲得距離、方位或距離、高度兩種信息的稱為兩坐標雷達。在絕大多數場合,兩坐標雷達指的是不能獲得目標高度信息的雷達。要測高,雷達必須在高度方向上的分辨能力強或波束必須足夠窄,這就要求雷達天線在高度方向上足夠大。
  因此,當我們看到一部雷達的天線在高度方向上尺寸較大,甚至超過水平方向尺寸,那么這個雷達幾乎可以肯定是三坐標的,如美國的TPS59雷達。如果天線在高度方向上的尺寸小于水平方向上的尺寸,這個雷達有可能是兩坐標的,如我國的360兩坐標雷達,也有可能是三坐標的,如JY-8雷達。在后一種情況下,只是高度方向上的波束寬度比方位波束寬一些。

地面雷達相比于機載雷達,在高度方向上的尺寸允許做得更大,因此測高精度普遍比機載雷達高出很多。例如,對于L波段的機載預警雷達來說,即使把天線在高度方向上的尺寸做到2.5米以上,相應的波束寬度仍然大于10°,對200千米外的飛機目標,其測高誤差高達2千米以上。而地面雷達的天線,在高度方向上可以很方便地做到10米左右,相應的波束寬度可以窄到1.5°。如果采用更高頻段或更大天線尺寸,波束寬度可窄到0.6度(如中國的JY-8雷達,工作在C波段,天線高度為2.7米),對于200千米外的飛機目標,相應的測高誤差為百米以內。
  總的說來,天線的尺寸隱藏了雷達所能獲得的坐標種類的信息,同時也告訴我們方位和垂直波束寬度的相對大小。
      

解析兩種閱兵裝備
  
  國慶60周年閱兵慶典展示了兩款國產新型雷達。雷達裝在車上、可以隨車移動,進行陣地轉移和快速架設,因此是機動式雷達,提高了雷達的生存能力。為方便運輸,雷達天線要收放在載車上。工作時,由載車的升降機構將雷達天線升高到更高的高度上,以避免近距離的遮擋,使雷達有更好的視野。現在的高機動式雷達,天線展開工作的時間已做到lO分鐘以內。
  由于機動式雷達需要安裝在一定寬度的載車上(一般為2.5米),因此天線的寬度必須在2.5米以內。否則,天線折疊后必須橫豎顛倒放置。K/LLQ120雷達從上往下數一共有16根管子,這就是波導。大家從圖上看到的截面為U型的管子,是天線罩,天線縫隙被罩在天線罩內,波導緊貼天線罩安裝在后面,截面是長方形、由于波導之間排列的間距為工作波長的一半,16根波導之間間距總長應該是8個波長,約等于天線的高度。如果以天線的高度2.3米計算,那么,工作波長應該在28.75厘米左右,對應于L波段。由于工作頻率不高,天線個頭也不算大,因此機動性較好,波束較寬,測量精度不可能很高,兩坐標雷達的可能性比較大總的說來,是一部機動性極強的兩坐標雷達。
  K/LLQ305B所示的雷達,高度方向上布置了60根波導,天線高度很高,幾乎可以判定是三坐標雷達。整個天線的尺寸較大,因此探測距離比較遠,而且天線很有可能是不轉的,也就是相控陣體制因為如此龐大的天線要實現旋轉,載車必須有較強的驅動能力,很難實現、由于天線個頭很大,可能運輸超寬,在運輸時天線必須堆疊成兩段或兩段以上放置,據目測,天線高度為3.5米左右,除以60根波導間距總長度30個波長,得出波長為11.67厘米左右,處于S波段天線水平方向的尺寸較大,按高度尺寸的一倍估算為7米左右,水平波束比垂直波束窄。這一型雷達除了高機動、三坐標和相控陣的特征以外,還在國內第一次采用了接收數字波束形成技術。前面介紹過,天線在接收空間的電磁場信號時,也會像發射時一樣形成波束,表明雷達天線在某個方向上接收到了最強的信號。為形成接收波束,傳統的方法是同發射時一樣,通過模擬器件賦予各個天線單元一定的幅度和相位。而數字波束形成,則通過數字器件以數字信號的形式對天線單元的幅度和相位信號進行控制。由于采用了數字化方法,所以靈活性很高,并且抗干擾性能好。因為雷達天線除了要接收到目標所在方向上的回波信號,還要抑制干擾信號,也就是讓天線對干擾信號的響應能力最弱。數字波束形成技術根據干擾的方向可以自動地讓天線在這個方向上產生最弱的接收,專業上稱為“自適應波束置零”。305雷達曾經獲得“國家科技進步一等獎”,是一部具有國際先進水平的雷達。

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