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从天线看雷达兼谈国庆大阅兵雷达
[ 发布时间:2013-09-29 ]   [ 字号: ]

我们看到一部雷达时,又高又大的部分就是雷达的天线,它也是雷达用来发现飞机的最直接的设备。由于天线是其在外观上最突出的特征,所以从天线看雷达,也常常能够看出些大大小小的门道。
  
  锅、蜘蛛网、平板和鱼骨
  
  雷达的天线有很多种,用得最多的就是抛物面天线、平面阵列天线和八木天线。
  抛物面天线在早期或机械扫描(也就是天线需要旋转)的雷达中被广泛应用。20世纪80年代后,由于相控阵雷达(外观上看,雷达天线在工作时不需要旋转)的流行,逐渐更多地采用平面阵列天线。
  抛物面天线有很多形式,有的像一口锅,是一个比较完整的“实心”曲面,有的不是“实心”的,而是像蜘蛛网一样的网状结构。抛物面天线的基本原理是,在抛物面的焦点上放置一个辐射电磁波的源,馈源向抛物面上辐射电磁波,经抛物面反射后平行而不是分散射出,从而汇聚了能量,使电磁波传播得更远。它的最大优点是简单易于实现,最大缺点是副瓣不容易做低。因此,当雷达需要从上往下看、探测低空飞行的飞机时(例如预警机上的雷达),为反地杂波要求天线的副瓣必须很低,所以不会使用抛物面天线。因此,现代的机载预警雷达都不使用抛物面天线。
  
  为提高雷达的机动性,抛物面就有了蜘蛛网结构,使更多的空气从网缝中流过,减少了雷达天线架设后的空气阻力,这样支撑雷达天线底部结构的重量就轻了。结构也简单,更方便移动、虽然蜘蛛网结构可以减少空气阻力,但为了不影响电波的传播性能,特别是为了降低副瓣,网格大小在宽度和高度上一般不能超过波长的1/8。对于工作在较低频段(如超短波)的雷达,把实心的锅划分为网状结构可行,因为超短波对应的工作波长为几十厘米量级。但对于工作在较高频段的雷达而言,网格的尺寸必须很小,缝隙会很密,以至于网格对改善空气阻力没有好处,所以就不这样做了。
  蜘蛛网似的天线在雷达和通信中都得到了广泛应用。国庆大阅兵中参阅的通信装备虽然采用的天线与其类似,但对应的是通信车,而不是雷达方舱。这可以从两个地方看出来。一是雷达要求探测距离较远,所以要使用大天线,而它们的天线都太小。二是从天线下部的舱体也可以看出差异。阅兵通信车的舱体都是密封结构,而雷达载车的下部舱体是敞开的,以便个头较大的雷达天线收放或折叠,随载车机动。
  平面阵列天线从外观上看,像是一个大平板,不像抛物面那样是一个曲面。波导缝隙(又称“裂缝”)阵列天线是用得最多的平面阵列天线顾名思义,“波导缝隙阵列”就是把波导一根根排列起来组成阵列,并在阵列上开出缝隙。波导是电磁波从发射机输送到天线以及从天线输送到接收机的通道。波导中传输的电磁波在“缝隙”处向空间辐射出去,也接收空间中的电磁波,接收到的最强能量的方向就是回波到达的方向。从天线上辐射出去的总能量是每个辐射单元辐射出的能量在空间叠加的结果,有些方向上,叠加的结果比较大,就会聚集较多的能量,其区域就是“主瓣”:其它方向上,叠加的结果比较小,聚集的能量较少,这样的区域就是“副瓣”。
  
  天线上各个缝隙之间到底间隔多大距离排布,有一个简单重要的规律,就是高度或水平方向上必须相隔半个波长。如果间距太大,各个缝隙射出的能量在合成时极易抵消很多能量,造成主瓣较低而副瓣较高;如果间距太小。各个缝隙射出的电磁波又互相干扰。
  正是这个规律和天线缝隙的数量,决定了天线个头的大小。比如,某一个天线工作在S波段(2~4CHz),如果以3GHz的中心频率计算,则波长为10厘米(波长和频率换算有一个简单经验公式,即波长等于30除以单位为GHz的频率,计算出的波长单位为厘米)。如果这个天线在水平方向上有100个缝隙(即由天线缝隙组成的阵列的每一行),则天线在水平方向上的尺寸就有10米:如果这个天线在竖直方向上有50个缝隙(即由天线缝隙组成的阵列的每一列),则其在竖直方向上的尺寸就有5米。由于缝隙是在波导上开的,所以,波导是竖直(或水平)方向上一根根排列的,水平(或竖直)方向上的两个间隙问的距离,也就是波导之间的距离,即半个波长。
  平面阵列天线的最大优点之一是,副瓣可以做得较低。因为对于平面阵列天线而言,主瓣和副瓣是众多缝隙所射出的电磁波的合成,所以,人们通过控制众多的缝隙射出的电磁场幅度和相位,把主瓣和副瓣设计成想要的形状。因此,这种天线在机械扫描雷达和相控阵扫描雷达上都得到了广泛应用。相比之下,抛物面天线因馈源集中,不能调整辐射单元的相位,无法应用到相控阵。
  
  八木天线从外观上看,就像早期架在住宅楼顶部的电视天线,南方叫鱼骨天线。看到这种天线,就知道该雷达工作在较低频段,最有可能是超短波频段(30M~1000M)。雷达工作在低频段时,用八木天线是比较好的选择。因为平面阵列天线缝隙间的距离为半波长,天线必须很大,这对地面雷达和机载雷达而言,在很多情况下是不允许的。而八木天线没有缝隙,是以一根根的“棍子”(金属管)作为最基本的辐射单元,在尺寸上的限制要更松一些。
  超短波在空间传播时,大气所引起的衰减较小,更适合于远距离传播雷达的探测距离如果要求很远,就会选择工作在超短波或更低频段。所以采用八木天线的雷达,其作用距离会比较远,一般在500千米以上。
  八木天线的缺点是副瓣也不容易做低。美国E-2C预警机上的雷达使用的就是超短波频段和八木天线,雷达探测距离较远,但是在陆地上空的下视能力不太理想。
  总的来说,如果我们看到抛物面型的雷达天线,就知道它不是相控阵的。看到平板型的雷达天线,有可能是相控阵,也有可能是机械扫描。看到八木天线,就知道它工作在较低频段,雷达探测距离较远。这三种天线中,平板型的天线最有可能用于相控阵或要求天线副瓣较低的机载场合。
  
  天线个头隐藏的奥秘
  
  对于雷达来说,选定工作频段以后,天线尺寸越大,波束就越窄,分辨力越好,测量精度就越高,对目标的方位或高度也就能够测得越准。
  雷达对目标位置的测量,包含三种信息——距离、方位和高度,同时测得这三种信息的雷达称为三坐标雷达只能获得距离、方位或距离、高度两种信息的称为两坐标雷达。在绝大多数场合,两坐标雷达指的是不能获得目标高度信息的雷达。要测高,雷达必须在高度方向上的分辨能力强或波束必须足够窄,这就要求雷达天线在高度方向上足够大。
  因此,当我们看到一部雷达的天线在高度方向上尺寸较大,甚至超过水平方向尺寸,那么这个雷达几乎可以肯定是三坐标的,如美国的TPS59雷达。如果天线在高度方向上的尺寸小于水平方向上的尺寸,这个雷达有可能是两坐标的,如我国的360两坐标雷达,也有可能是三坐标的,如JY-8雷达。在后一种情况下,只是高度方向上的波束宽度比方位波束宽一些。

地面雷达相比于机载雷达,在高度方向上的尺寸允许做得更大,因此测高精度普遍比机载雷达高出很多。例如,对于L波段的机载预警雷达来说,即使把天线在高度方向上的尺寸做到2.5米以上,相应的波束宽度仍然大于10°,对200千米外的飞机目标,其测高误差高达2千米以上。而地面雷达的天线,在高度方向上可以很方便地做到10米左右,相应的波束宽度可以窄到1.5°。如果采用更高频段或更大天线尺寸,波束宽度可窄到0.6度(如中国的JY-8雷达,工作在C波段,天线高度为2.7米),对于200千米外的飞机目标,相应的测高误差为百米以内。
  总的说来,天线的尺寸隐藏了雷达所能获得的坐标种类的信息,同时也告诉我们方位和垂直波束宽度的相对大小。
      

解析两种阅兵装备
  
  国庆60周年阅兵庆典展示了两款国产新型雷达。雷达装在车上、可以随车移动,进行阵地转移和快速架设,因此是机动式雷达,提高了雷达的生存能力。为方便运输,雷达天线要收放在载车上。工作时,由载车的升降机构将雷达天线升高到更高的高度上,以避免近距离的遮挡,使雷达有更好的视野。现在的高机动式雷达,天线展开工作的时间已做到lO分钟以内。
  由于机动式雷达需要安装在一定宽度的载车上(一般为2.5米),因此天线的宽度必须在2.5米以内。否则,天线折叠后必须横竖颠倒放置。K/LLQ120雷达从上往下数一共有16根管子,这就是波导。大家从图上看到的截面为U型的管子,是天线罩,天线缝隙被罩在天线罩内,波导紧贴天线罩安装在后面,截面是长方形、由于波导之间排列的间距为工作波长的一半,16根波导之间间距总长应该是8个波长,约等于天线的高度。如果以天线的高度2.3米计算,那么,工作波长应该在28.75厘米左右,对应于L波段。由于工作频率不高,天线个头也不算大,因此机动性较好,波束较宽,测量精度不可能很高,两坐标雷达的可能性比较大总的说来,是一部机动性极强的两坐标雷达。
  K/LLQ305B所示的雷达,高度方向上布置了60根波导,天线高度很高,几乎可以判定是三坐标雷达。整个天线的尺寸较大,因此探测距离比较远,而且天线很有可能是不转的,也就是相控阵体制因为如此庞大的天线要实现旋转,载车必须有较强的驱动能力,很难实现、由于天线个头很大,可能运输超宽,在运输时天线必须堆叠成两段或两段以上放置,据目测,天线高度为3.5米左右,除以60根波导间距总长度30个波长,得出波长为11.67厘米左右,处于S波段天线水平方向的尺寸较大,按高度尺寸的一倍估算为7米左右,水平波束比垂直波束窄。这一型雷达除了高机动、三坐标和相控阵的特征以外,还在国内第一次采用了接收数字波束形成技术。前面介绍过,天线在接收空间的电磁场信号时,也会像发射时一样形成波束,表明雷达天线在某个方向上接收到了最强的信号。为形成接收波束,传统的方法是同发射时一样,通过模拟器件赋予各个天线单元一定的幅度和相位。而数字波束形成,则通过数字器件以数字信号的形式对天线单元的幅度和相位信号进行控制。由于采用了数字化方法,所以灵活性很高,并且抗干扰性能好。因为雷达天线除了要接收到目标所在方向上的回波信号,还要抑制干扰信号,也就是让天线对干扰信号的响应能力最弱。数字波束形成技术根据干扰的方向可以自动地让天线在这个方向上产生最弱的接收,专业上称为“自适应波束置零”。305雷达曾经获得“国家科技进步一等奖”,是一部具有国际先进水平的雷达。

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