相控阵雷达导引头技术发展现状分析

唐怀民， 魏飞鸣， 宋柯

（1.空军驻上海航天局军事代表室，上海 201109；2.上海无线电设备研究所，上海 200090）

相控阵雷达导引头技术发展现状分析

唐怀民1， 魏飞鸣2， 宋柯2

（1.空军驻上海航天局军事代表室，上海 201109；2.上海无线电设备研究所，上海 200090）

研制采用相控阵技术的雷达导引头是世界各国目前共同关心的课题，文章介绍了国外相控阵导引头的发展情况，讨论了相控阵导引头五大关键技术，并探讨了相控阵导引头的相关专利特点以及未来发展方向。

相控阵；雷达导引头；天线

0 引言

相控阵雷达导引头是当今世界上最前沿、最复杂的雷达导引头之一。在相控阵雷达导引头中，有源相控阵天线代替了传统雷达导引头的天线、机械位标器和发射机，其天线形式、扫描方式、平台稳定以及结构尺寸等方面都发生了根本变化，为导引头获得新的性能提供了实现手段[1-3]。相控阵雷达导引头具有功率密度大、电扫描快速跟踪、多目标信息提取、空时自适应信号处理（STAP）、自适应抗干扰、体积小和可靠性高等多种技术优势[4]，是精确制导雷达导引头的发展方向，成为世界各国共同关注的课题。

1 各国技术发展现状

目前，相控阵雷达导引头基本处在积极的试验和研制阶段，只有少数国家的研究较为成功，如美国、俄罗斯、英国、德国、日本等，这方面美国一直走在世界前列[5]。

1.1 美国

2010年11月，美国空军实验室选定波音公司和雷锡恩公司开展演示验证工作，在双用途空中优势导弹的需求中增加了攻击巡航导弹目标的要求，并将其更名为T3导弹。T3导弹的导引头采用双波段相控阵主动雷达/宽带被动雷达多模导引头，利用C波段相控阵主动雷达导引头尽早探测、锁定隐身目标，利用Ka波段相控阵主动雷达导引头提高对空中目标的末端跟踪精度；宽带被动雷达导引头主要用于探测地面制导雷达，并利用Ka波段相控阵主动雷达导引头的高分辨提供目标识别能力，从而提高对地面制导雷达抗关机能力。据称，C波段对RCS 0.1 m2的目标，最大截获距离达40 km。

美国空军“双射程导弹”计划采用空军莱特实验室共形阵列导引头项目中的技术。该项目对雷达导引头中的共形相控阵天线进行了研究，并已完成有源共形天线的设计和研制，也进行了将共形天线应用到反辐射导弹（HARM）和先进反辐射导弹（AARGM）上的研究工作。其共形相控阵导引头具有±150°的超大视场角，远远超过一般导引头±60°的视场角。

美国防高级研究计划局（DARPA）投资开发出微型机电系统（MEMS）电子扫描天线阵（ESA）导引头。作为低成本巡航导弹拦截器的电子导航单元.它有Ⅹ和Ka两种工作频段，导引头对典型目标的作用距离为3.5 km。Ⅹ波段ESA由60个辐射单元组成，分为4个象限，用来形成单脉冲波束（和波束、垂直方向差波束、水平方向差波束）。每个辐射单元的射频辐射功率为500 mW，总辐射功率达30 W，5个单元组成一个子阵；Ka波段ESA，有768个辐射元，波束宽度为3.5°，扫描角为60°，峰值功率可达到30 W，平均功率为10 W。Ka波段ESA也分为四个象限，每个象限有15个子阵。阵列中的关键器件是采用MEMS技术集成的四位移相器，用MEMS移相器取代传统移相器使成本降低了一个数量级，功耗降低了两个数量级。批产量达3 000个时单价只有4 W美元。

美国航空导弹研发工程设计中心（AMRDEC）正在研发基于射频微机电系统（RF MEMS）的移相器，准备用于主动、被动导弹相控阵导引头。2008年初，AMRDEC开始验证基于MEMS的Ka波段16阵元相控阵，该相控阵中心频率为33.4 GHz，阵元间隙为半波长，阵元采用Vivaldi天线，通过泰勒加权来减小旁瓣。该项目的主承包商已经验证了一个四位MEMS移相器的损耗为1.7 dB～3.0 dB。

雷锡恩公司正在自筹资金发展战斧Block 4反舰型巡航导弹。相关负责人表示，公司一直在寻求为战斧导弹安装新的导引头，有几种候选对象，但最有希望的是将有源相控阵雷达安装到战斧导弹上。

美国休斯公司在欧洲申请的专利EP621654A2中介绍了一种用于雷达导引头的主动电子扫描阵列（AESA）[6]，如图1所示，其具有多种优点：

a）通过模块化和低成本的方法获得导引头能量孔径；

b）超宽带，可实现主/被动复合制导；

c）当出现防区外干扰机时通过自适应波束形成抗干扰；

d）进行多目标攻击；

e）制导引信一体化；

f）可靠性高，由于采取了功能冗余设计和实时自适应补偿，阵列中若有阵元失效，总体性能下降但系统仍保持运行功能。

图1 美国休斯公司专利EP621654A2中的有源相控阵主动雷达导引头

美国专利US5486831介绍了一种多模导弹导引头系统，如图2所示。该导引头包括一个相控阵天线和电路，电路对相控阵天线接收到的信号作出响应，使天线按照由其接收信号确定的视场角扫描。导引头前部有头部区，头部区中有附加传感器，处于天线前面。专利中采用电子扫描射频孔径和离轴DF处理技术来克服导弹头部附加传感器的遮挡影响。该专利可解决多模导引头测向问题。通过改变相控阵天线每一阵元的相位来实现天线波束在空间的电子扫描。因此，导引头系统可跟踪波束内的目标，而不需要随着目标位置相对于导弹的变化使天线重新定位。

图2 美国专利US5486831中的多功能有源相控阵主动雷达导引头

1.2 俄罗斯

俄罗斯玛瑙设计局正在研究用于导弹导引头的主动式和被动式的电子扫描相控阵天线。玛瑙设计局总设计师Josif Akopian表示，该导引头技术是一个全新的研究领域，正处在试验阶段，目前尚有一些基本问题亟待解决，解决这些问题可能还需要1～2年的时间。玛瑙设计局目前还没有生产这些相控阵导引模块的计划，但该导引头所需的技术已经具备，且能从相关公司购买。

俄罗斯披露其新型K-77M型空空导弹内嵌64单元AESA雷达，如图3所示。预计在2015年2月开始量产，这将有可能成为有史以来第一种内嵌AESA雷达的空空导弹。

图3 俄罗斯K-77M空空导弹的机扫及相扫相控阵导引头

1.3 欧洲

MBDA公司（泛欧公司）正在为意大利陆军的近距防空毫米波导引头技术验证项目进行相关工作，目的是通过使用毫米波主动相控阵导引头在防空作战中对高机动目标（飞机、巡航导弹、弹道导弹等）实现碰撞杀伤。

英国对其I波段（Ⅹ波段）电扫描阵列（AESA）天线进行了成功的闭环试验，试验表明，该射频相控阵天线能够产生波束并且在导弹整个飞行过程中，波束能始终对准目标，具有制导导弹成功击中目标的基本功能，其下一步目标是研制一个有更高机械强度、能发射未来实战导弹所需高功率波束的AESA天线。

英国BAE系统公司的专利GB2409361 A介绍了一种导弹双模导引头雷达系统。该双模导引头天线罩内有一个宽带比幅被动雷达和一个高频相控阵主动雷达，如图4所示。其共同的视轴与天线罩轴线一致，主动雷达天线装在天线罩前端，因为足够小，所以不会干扰被动雷达的视场。主动雷达利用工作在中频的移相器来影响接收信号的相位。最初的跟踪由反辐射被动导引头进行，在离目标较近时，主动导引头可作为成像雷达来用（尤其是在敌方目标雷达暂时关机的情况下）。该专利表明，将高频相控阵主动导引头与低频被动导引头组合在同一个天线罩内，且每一个导引头都有自己独立的孔径是可行的。

图4 英国专利GB2409361A中的复合导引头

1.4 日本

日本在其新研制的81式导弹雷达导引头中也引入了某些相控阵技术，并成功地进行了试验，成为世界上少数几个可能掌握相控阵雷达导引头技术的国家之一。

俄罗斯《军事平等》2012年3月19日报道日本计划升级60架F-2战斗机，为其配备三菱电气公司研制的最新型空战导弹AAM-4B（合同价值4.68亿美元）。新型AAM-4B导弹配备有源相控阵雷达导引头以及极大改进的数据传输系统。AAM-4B将与先进的J/APG-2雷达集成，该雷达与基础型雷达相比将具有更远的探测距离。分析家们认为，AAM-4B将作为根据许可证由三菱电气公司生产的AIM-7F/M“麻雀”的替代导弹列装。具有主动搜索功能的AAM-4B导弹与改进型F-2战斗机所使用的升级版J/APG-2雷达相结合将能够超视距拦截多个目标，极大提高飞机的战斗生存性。在早期的计划和研制阶段，日本防卫省技术研究院展示了AAM-4B导弹将从比AAM-4远得多的距离发射（距离增加20%）。该研究院还表示，与AIM-120B AMRAAM导弹相比，在AAM-4B导弹中使用自主导引系统将能够将射程增加40%。

1.5 中国

从“十五”开始，我国相控阵导引头历经了“概念研究”到“样机研制”再到“型号应用”等多个发展阶段：

a）“十五”期间，国内相关单位已开展了“相控阵导引头新概念技术研究”；

b）“十一五”期间，完成无源相控阵导引头原理样机研制和外场地面跟飞试验验证，并先后研制平面有源相控阵导引头、共形有源相控阵导引头，突破有源相控阵导引头关键技术，具备工程研制能力；

c）“十二五”期间，已开展Ka波段有源相控阵导引头、Ku波段大功率有源相控阵导引头、Ku波段机扫描和相扫相结合主动雷达导引头的研制工作。

2 相控阵导引头关键技术

相控阵雷达导引头主要涉及以下五项关键技术。

（1）相控阵天线阵列配置

阵列配置涉及阵面布局、阵元形式、阵列分析与综合。从阵面布局考虑，相控阵天线有平面阵、共形阵两种[6，7]。

小视角（如±60°范围）导弹的相控阵雷达导引头通常采用平面阵。平面阵的阵元配置比较简单，理论研究比较成熟，天线增益、波束指向、波束宽度易于控制，平面相控阵天线常采用微波贴片天线和波导裂缝天线馈电型阵元。

大视角导弹的相控阵雷达导引头一般采用共形阵。共形阵天线不改变空气动力学所确定的弹体曲面形状，而是与弹体共形，具有较大的视角范围，有利于克服雷达天线对空气动力学性能的影响，增大雷达天线面积，改善雷达的角分辨率和测角精度，适用于格斗弹。作为共形天线较简单的形式有圆形阵列、圆柱形阵列和球形阵列。共形相控阵天线采用低剖面、高增益、小型化阵元，通常有波导开口天线、微带天线或共面波导馈电型阵元。

（2）T/R组件技术

T/R组件是有源相控阵天线最关键的部分，相控阵天线的每一辐射单元的高功率产生（在发射端）和低噪声放大（在接收端）均由收发组件（T/R组件）来实现。T/R组件的特点是用分布式的小功率固态放大器代替单一模式的发射机，用分布式接收机代替传统接收机。这样有效地减少了发射端的损耗和接收端的噪声系数，提高了导引头的功率孔径积和接收灵敏度，从而提高导引头的有效作用距离。T/R组件的设计主要考虑发射功率、功率损耗、低噪声系数以及控制方式。作为弹载器件还应重视体积、质量和低成本设计。采用MMIC（微波集成电路）和数字移相器可以大幅度减小T/R模块的体积，而采用宽禁带半导体GaN和SiC材料的T/R组件取代目前的GaAs材料的T/R组件，可使输出功率提高10倍以上，从而可以使搜索空间扩大10倍，或是跟踪距离提高78%以上。

（3）天线阵列的热设计

天线阵列的热设计是相控阵雷达导引头研制成败的关键要素之一。在有源固态相控阵雷达导引头中，问题显得尤为突出。对于相控阵雷达导引头，除了有温度梯度要求外，还要考虑与导弹气动外形的匹配以及气动加热等因素的影响。因此，天线阵列不宜采用自然散热或强迫风冷等方式，而必须采用其它人工散热方式并进行控制。弹载条件下，可采用热管温控系统，将T/R组件上的热传到阵面上，阵面壁板本身采用无芯热管，通过它将热传至阵外与热交换器进行交换。这种方案控制温度灵敏，精度高可获得较低的阵内温度梯度，但结构较为复杂，设计中需要充分考虑如何将热源的热有效传递到壁板上。

（4）微波馈电网络的收发一体化设计

相控阵天线阵列的馈电主要有强制式馈电、透镜式空馈和反射式空馈三种方式。其中强制式馈电和透镜式空馈较适宜弹载条件下使用，但强制馈电的馈线较为复杂，小型化设计和制造是个难点，而对于有源条件下的透镜式馈电，小焦距直径比透镜背面的均匀照度难以保证，从而导致孔径利用损失，一般倾向于采用强制馈电方式。为减小天线阵列的质量和体积，给T/R组件散热创造条件，减小微波馈电网络的加工量，设计中应考虑将收发馈电网络合并，进行一体化设计。

（5）捷联去耦

不同于将天线置于稳定平台的常规雷达导引头，相控阵雷达导引头的天线阵与弹体是固联的，弹体扰动将导致天线波束的指向偏差。通常采用数字捷联平台，实现相控阵雷达导引头的扰动去耦，使天线波束在惯性空间保持恒定指向。

3 发展趋势

通过对上述国外相控阵雷达导引头技术发展情况的分析和研究，可以总结出以下几点。

（1）引领新一代雷达导引头的发展方向

相控阵技术由于其抗干扰能力强、支持多目标跟踪与攻击、具有自适应能力等优点而越来越多地被用于战术导弹导引头，其中包括美国新一代空空导弹、先进反辐射导弹、战斧反舰巡航导弹、巡航导弹拦截弹、欧洲近距防空导弹等，相控阵雷达导引头将引领新一代雷达导引头的发展方向。与欧美发达国家相比，发展中国家在相控阵雷达导引头的研究方面还存在一定差距，作为一个基础研究项目，研究者应该具有一定的超前意识，在技术方案上应具有一定的先进性。

（2）多模复合导引技术逐渐成为发展趋势

多模复合导引技术弥补了单模制导技术的缺陷，可以发挥各种传感器的优点，比单一模式制导更能适应现代战场复杂环境的作战需求。但是，将各种传感器集成到一个导弹上，会在机械和电学上面临设计风险。美国专利US5486831中的多模导引头系统通过电子扫描射频孔径和离轴测向处理技术来解决一传感器对另一传感器的遮挡问题；英国专利GB2409361A中的双模导引头采用主被动探测技术实现对目标的探测，其将多模共口径探测技术、干涉仪探测技术与相控阵技术结合起来；日本专利JP4320800 A中的共形相控阵/红外复合制导系统，其信号处理电路和图像处理电路产生制导信号，控制飞行器飞行，同时也可控制射频波束的扫描方向。这些方法、总体技术方案值得借鉴。

（3）相控阵天线阵列与T/R组件是发展重点

设计高增益的相控阵天线阵列，是研究中需要进一步加强的地方。美国休斯公司专利EP621654A2中的雷达导引头主动电子扫描阵列，采用模块化和低成本设计，具有超宽带，可形成自适应波束，实现多目标攻击以及制导引信一体化。以色列专利US20100052975A1中的主动相控阵，利用聚焦波束对目标进行探测，对相控阵天线阵列的研制具有参考价值。

T/R组件是主动相控阵天线最关键的部分，如何开发出工作频率高的T/R组件，尚需要深入研究。为了促进主动相控阵导引头技术的发展，在T/R模块主要组件中采用低成本的氮化镓技术是未来的一个重要发展趋势。

（4）相控阵小型化低成本是发展方向

在相控阵天线单元和移相器一体化设计方面，传统的移相器由于尺寸较大，无法应用在相控阵导引头上，因此必须采用节省空间和成本的单片微波集成电路（MMIC）技术或微机电系统（MEMS）技术进行移相器的研制开发，以满足相控阵导引头研制的需要。由于微机电系统移相器具有更低的功耗和成本，国外一直很重视这方面的研究工作。

4 结束语

由于相控阵导引头波束控制灵活、抗干扰能力强、支持多目标跟踪与攻击、具有自适应能力等优点，相控阵导引头将成为引领雷达导引头发展方向的新一代导引头。当然，要解决工程实用化问题，还需要进一步开发工作频率高的收发组件、设计高增益的天线、提高机械加工精度、解决单元互耦、降低成本等。

[1] 赵鸿燕，王丽霞.相控阵雷达导引头技术[J].飞航导弹，2009，（10）.

[2] 李秋生.相控阵雷达导引头关键技术初探[J].飞航导弹，2007，（6）.

[3] 高烽.相控阵导引头的基本特点和关键技术[J].制导与引信，2005，（12）.

[4] 高劲松.美国双射程/双任务导弹的发展[J].国际航空杂志，2009，（2）.

[5] Luigi，Emidio，Simone.MMW Active Phased Array Seeker Project for Hit to Kill Engagement[J].Radar Conference，IEEE，2008.

[6] 丁武伟，穆仕博，谢光辉.共形相控阵雷达导引头技术研究[J].飞航导弹，2011，（11）.

[7] 孙阳，翟龙军.雷达导引头天线技术发展趋势探讨[J].电子设计工程，2011，（9）.

Analysis on Techology Development Status Quo of Phased Array Radar Seeker

TANG Huai-min1， WEI Fei-ming2， SONG Ke2
（1.The Air Force of Military Representative Office in SAST，Shanghai 201109；2.Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 200090，China）

Now，the research on the phased array radar seeker technology is very hot in many countries.This paper firstly analyses the development status quo of phased array seeker abroad，then on the basis of the analysis，mainly in this article the five key technologies and some new patents and future development trend of the phased array seeker are showed.

phased array；seeker；antenna

TJ765.331

A

1671-0576（2014）03-0006-05

2014-04-24

唐怀民（1962-），男，高工，硕士，主要从事兵器工程研究；魏飞鸣（1983-），男，工程师，硕士，主要从事目标检测与识别技术研究；宋 柯（1978-），男，高工，硕士，主要从事雷达信号处理等技术研究。