從近代戰爭來看,雷達是空戰、陸戰和海戰中極為重要的作戰“軟”武器,在幾十年的發展歷程中,始終存在著雷達與反雷達的斗爭。雷達系有源探測技術,又稱無線電定位儀,它是利用電磁波來探測目標的距離、方位及其運動狀態的。

世界上第一臺雷達誕生于20世紀30年代末期;然后一直到60年代,常規雷達由于二戰的刺激以及60年代新革命浪潮的推動而飛速發展。其中,60年代初引入移相器和陣列天線而發展出相控陣雷達,解決了常規雷達由于機械掃描和天線慣性造成的掃描速度緩慢以及精度低、可靠性不高等問題,頓時成為國際研究熱點,目前美、日、英、法、俄等各的軍事裝備中已廣泛應用;但是由于其波束出射角受到微波頻率的影響而造成波束偏斜的現象,無法滿足寬帶寬的要求。1985年,美國GardoneLeo最早提出了光學真延時相控陣雷達的思想[1],真延時技術可以很好地解決寬帶寬的問題,并且將光電子技術引入相控陣雷達還解決了電纜饋電帶來的尺寸和重量的限制以及導電電纜干擾發射單元輻射方向的問題、提高雷達性能、降低成本等;到90年代中后期隨著光電技術的日益成熟,相控陣雷達中的光學真延時技術得到了快速發展。

1　相控陣雷達

雷達在搜索目標時,需要不斷改變波束的方向。改變波束方向的傳統方法是轉動天線,使波束掃過一定的空域、地面或海面,稱為機械掃描。利用機械掃描方式工作的雷達即常規雷達,由于天線的慣性,掃描速度緩慢、精度低、可靠性不高。現代通信和軍事技術的發展對雷達和天線提出了越來越高的要求,傳統的機械掃描雷達已經無法滿足實際應用的需要;隨著60年代初移相器和相位-相位掃描體制的發展,相控陣雷達應運而生。

相控陣即“相位控制陣列天線”,由許多輻射單元排列而成,輻射單元少的有幾百,多的則可達幾千、甚至上萬,其天線排列可以是線陣、平面陣、共形陣,相控陣雷達因其天線為相控陣型而得名。相控陣雷達是一種新型的有源電掃描陣列多功能雷達,每個陣元(或一組陣元)后面接有一個可控移相器,其掃描原理是利用控制這些移相器相移量的方法來改變各陣元間的相對饋電相位,從而改變天線陣面上電磁波的相位分布,使得波束在空間按一定規律掃描[2]。如圖2相控陣原理圖所示:

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圖1　相控陣一般發射單元原理結構簡圖

傳統相控陣天線實施電掃描的關鍵器件之一是移相器。對移相器的要求是有足夠的移相精度、性能穩定、插入損耗小,用于發射陣時有足夠的功率容量,頻帶足夠寬、開關時間短、易于控制等。其種類很多,按材料分有PIN二極管移相器、鐵氧體移相器、場效應晶體管移相器、鐵電陶瓷移相器以及分子極化控制移相器等;按傳輸形式分有波導移相器、同軸線移相器、集中參數移相器以及分布參數移相器等;按功率電平分有高功率和低功率移相器;按工作方式分有模擬式、數字式以及模擬2數字控制式移相器等。與機械掃描天線系統相比,相控陣雷達有許多顯著的優點:適用于多目標、多方向、多層次空襲的作戰環境,可同時實現掃描、跟蹤、搜索等等多種功能,反應時間短、數據率高,抗干擾能力強、可靠性高等。如圖2所示的是設在美國CapeCod、每個陣元呈金字塔形的相控陣雷達[3]。它有兩個平面陣列,每個天線陣列可作扇形的微波束掃描。它能探測到3000海里范圍內10平方米大小的物體,掃描迅速,能同時跟蹤很多個物體。在相控陣天線中,對于單色或窄帶的微波信號,其發射方向由下式決定:

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圖2 　相控陣雷達天線

其中y表示發射單元的位置,Ψ是此發射單元信號的相位,f為微波頻率。可以看出,為了獲得固定的出射角度θ0,Ψ必須與f成正比[4]。在窄帶微波信號中這是沒有問題的;但是在寬帶信號中,對某個固定的發射單元來說,其發射信號的相移是不變的,而不同頻率的信號將會得到不同的發射角度,從而沿不同的方向輻射,造成波束傾斜,這是我們不愿意看到的結果。

然而當今國際形勢的新發展、新格局以及各國軍事技術力量的提高,都迫切需要提高雷達性能:為了提高抗干擾能力,相控陣雷達必須具有盡可能大的帶寬;為了提高雷達的分辨率、識別能力和解決多目標成像問題,相控陣雷達必須具有大的瞬時帶寬;為了對抗反輻射導彈的威脅,也要求采用大瞬時帶寬的擴頻信號。但是由于傳統的相控陣雷達的波束指向隨頻率的變化而偏移,不能滿足寬帶寬的要求。

2　光控相控陣雷達的光學真延時技術