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相控陣雷達系統的基本組成

如下圖所示，相控陣雷達系統的基本組成可分為：天線陣列、移相器及其波控計算機、發射機組件、接收機組件、激勵器、信號與數據處理、顯示器和中心計算機等主要功能塊，再加上雷達與計算機之間、計算機與外圍設備之間的接口，計算機輸入輸出控制臺，計算機外圍設備以及整機電源等部分。

大多數相控陣雷達的天線是收發共用的，也可以是收發分置的。在整個雷達天線陣列中，發射機組件可以僅用一部發射機（稱“無源陣列”），通過饋線強制性地將發射功率分配給每一個天線單元；

也可以用多部發射機，將每一部發射機的輸出信號功率饋給一個子陣上的所有天線單元，整個天線陣面輻射的信號功率為所有子陣上發射機的功率之和，即在空間實現發射信號功率的合成。與整個雷達采用單部發射機相比，這種方法除了增加了總的發射功率以外，還減少了發射饋線網絡的傳輸損耗。

另外，還可以在每一個天線單元上安放一個功率放大器，并采用一個功率較小的發射機（稱“有源陣列”），這樣發射饋線損耗將會做得更小，且移相器等饋線元件可處于低功率工作狀態，從而為雷達系統的設計帶來較大方便。

在上圖中，相位控制為天線陣列中的各個單元提供合適的相移，以形成指定方向的波束，并且通過快速改變這些相移來實現波束掃描。

地面相控陣（圖源自網絡）

在激勵器中產生合適頻段、一定調制的雷達工作波形，以便經變頻或倍頻處理后提升到發射的所需載頻。然后在發射機組件內放大到一定的功率，通過收/發開關，經相位控制的天線陣列輻射到空間去。

由天線陣列接收的回波信號也經收/發開關進入接收機組件，與激勵器提供的相干本振混頻至合適的中頻，再經信號處理后送到雷達中心計算機。

相控陣雷達的控制中心是計算機。它對相控陣雷達的工作方式進行管理，并控制發射波束和接收波束，實現對預定空域的搜索。從目標的截獲到跟蹤過程，都是在計算機控制下自動建立的。

對多個目標的邊搜索邊跟蹤過程，只有在計算機控制下才能完成。中心計算機同時還對目標回波數據進行處理，以完成信號相關判決、目標位置外推、濾波、數據內插、航跡相關和航跡測量等計算。

車載相控陣（圖源自網絡）

當目標丟失時，還要控制和實現對目標的重新照射、數據補點，并滿足雷達采樣率的要求等。根據目標位置和特征判定其威脅程度，并按威脅程度大小改變對目標的跟蹤狀態。根據被跟蹤的目標數目和不同的跟蹤狀態，中心計算機可靈活地調整供搜索與跟蹤用的信號能量分配程度。

相控陣雷達的分類

相控陣雷達的組成方案很多，目前典型的相控陣雷達用移相器控制波束的發射和接收，主要有兩種組成形式：無源相控陣列和有源相控陣列。相應的雷達分別為無源相控陣雷達和有源相控陣雷達。

無源相控陣雷達僅有一個中央發射機和一個接收機，發射機產生的高頻能量經計算機自動分配給天線陣的各個輻射器，目標反射信號經接收機統一放大，如下圖所示。

有源相控陣雷達的每個輻射器都配裝有一個發射/接收組件，每一個組件都能自己產生、接收電磁波，如下圖所示。無源相控陣雷達和下圖除了虛線部分發射與天線功能不一樣之外,其它是相同的。

下圖是有源相控陣雷達的發射接收（T/R）組成框圖。在頻寬、信號處理和冗余度設計等方面，有源相控陣雷達都比無源相控陣雷達具有較大的優勢。正因為如此，也使得有源相控陣雷達的造價昂貴，工程化難度大。但有源相控陣雷達在功能上有其獨特優點，已逐步取代了無源相控陣雷達。

有源相控陣雷達最大的難點在于發射/接收組件的制造上，相對來說，無源相控陣雷達的技術難度要小得多。無源相控陣雷達在功率、效率、波束控制及可靠性等方面不如有源相控陣雷達，但是在功能上卻明顯優于普通機械掃描雷達，不失為一種較好的折衷方案。無源相控陣雷達作為相控陣雷達家族的一種低端產品，仍具有較大的實用價值。

移相器的基本原理及主要要求

移相器是相控陣雷達中的關鍵器件，依靠移相器來實現對陣列中各天線單元的“饋相”，提供為實現波束掃描或改變波束形狀要求的天線口徑上照射函數的相位分布。

實現移相的方法有多種，移相器類型的選擇取決于多種因素，其主要的影響因素有：

①雷達工作波段的不同；

②相控陣天線類型的差異，即無源還是有源，是窄帶還是寬帶，是一維還是二維等。

機載相控陣（圖源自網絡）

波長為??的電磁波以速度??經過一段長度為??的傳輸線以后的相移為

式中，??為頻率；??為導磁率；??為介電常數。電磁波傳播速度??通常取為光速??，但是對于移相器，它們可能是不同的，例如同軸電纜中傳播速度為??。

根據上式，改變相移的方法有以下 4 種：

• 頻率（??）掃描。頻率掃描是一個用于電子掃描波束相對簡單的方法，曾經用于許多相控陣雷達，但是由于它限制了帶寬的使用，并且僅僅對于在一個角度坐標中電控波束，因此已不再流行。

• 變線長??。用電子開關接入或去掉傳輸線的各種長度，實現相移的變化。

• 變導磁率??。當磁場改變時，鐵氧體材料的導磁率發生變化，實現相移的變化法已經流行于頻率較高的微波頻段。

• 變介電常數??。鐵電材料的介電常數隨加上的電壓而變化。放電電流的變化也導致電子密度的變化，從而產生介電常數的變化。

相控陣雷達對移相器的主要要求如下：

• 能夠快速地改變相位（時間在微秒量級）

• 能夠承受高峰值功率和高平均功率

• 要求控制信號以小的驅動功率運行

• 低損耗（對無源移相器，應小于 1dB）

• 對溫度變化不敏感，在雷達的整個工作溫度范圍內變化不大

• 重量輕（特別是對機載或機動雷達）

• 成本低

星載相控陣（圖源自網絡）

移相器的種類較多，移相器從移相方式上可分為機電式移相器和電子式移相器。

機電式移相器包括變長度線，變波導長和變極化器件等，這種移相器移相速度較慢；另一類電子式移相器，有鐵氧體、半導體變容二極管、PIN 開關管移相器以及行波移相和等離子體移相器件，其中二極管移相器和鐵氧體移相器應用較為廣泛。

使用二極管方法的數字移相器可使用級聯的線路，切換的長度為??、??、??。??位的移相器具有??個線路長度，以??的離散步進量調控相位變化。

下圖是一個 4 位級聯的數字開關的移相器，它被切換成進或出線長等于??、??、??和??以得到量化大小為??的步進量。其對應相位增量為??。

在這種 4 位的器件中，可以實現??的相位時延。??以上的相位時延通過去掉??的倍數后來調節，而相位超前是通過減去??的倍數將其變為等效時延來調節。移相器的每一位由提供不同相移的兩段線長和由 4 個二極管（如圖中的 S1、S2、S3、S4）做成的兩個單刀雙擲開關組成。圖中當上面兩個開關是開時，下面兩個是關的，反之亦然。

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