相控阵制导技术发展现状及展望

樊会涛*，闫俊1.中国空空导弹研究院，洛阳　4710092.航空制导武器航空科技重点实验室，洛阳　471009

相控阵制导技术发展现状及展望

樊会涛1，2，*，闫俊1，2
1.中国空空导弹研究院，洛阳471009
2.航空制导武器航空科技重点实验室，洛阳471009

相控阵制导技术是一项改变战场“游戏规则”的新技术，在反隐身和抗干扰等方面具有突出的体制优势，成为近20年国内外精确制导技术研究的热点，并已在某些导弹型号研制中得到应用。首先，分析了相控阵制导系统的技术特点；其次，总结了相控阵制导技术的国内外发展情况，论述了相控阵制导系统工程应用必须解决的关键技术。最后，展望了未来可能的技术发展方向。可以预见，随着相控阵制导技术的深化研究和普及应用，必将带动精确制导武器性能的大幅提升。

相控阵雷达；制导系统；精确制导武器；空空导弹；捷联导引头

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历史经验表明，重大技术变革及其工程应用推动着高性能武器装备的一代代发展与进步，改变着战场的“游戏规则”［1-3］。“先敌发现、先敌发射、先敌命中、先敌脱离”是空战制胜的“四先”原则，指导着航空武器装备的研制与发展［4］。审视50年来航空制导武器的发展历程和空战规则变迁，可将其认为是大致经历了3次重大技术变革［5-6］。第1次是脉冲多普勒雷达技术的突破。自20世纪70年代开始在机载火控雷达领域中得到普及应用，典型代表是AN/APG-63和AN/APG-65机载雷达；在20世纪80年代开始应用于中距空空导弹，典型代表是美国AIM-120导弹，使得武器系统的“四先”性能得到大幅提高，最大攻击距离由二三十千米增加到了七八十千米。第2次是飞行器隐身技术的突破。从20世纪90年代开始普及应用，典型代表是美国的F-22A、F-35等隐身战斗机，其雷达散射截面积（RCS）降低了2个数量级，隐身使得战场信息出现了不对称的单边透明，全面抑制了对手“四先”能力的发挥。第3次是相控阵雷达技术的突破，是制衡隐身技术的主要技术途径［7-8］。相控阵雷达技术的成功应用是对传统雷达的一次技术革命，极大地扩展了雷达使用功能，提高了其工作性能，丰富了作战飞机执行任务的能力，改变了作战模式，重新定义了隐身时代的战场“游戏规则”，确保了己方“四先”能力的有效发挥。

美军在2010年公布的《技术地平线报告》中认为［9］：具有“不对称价值”的技术能够充分改变未来战场环境，进而产生优势地位的潜在“跨越”和“改变游戏”的能力。毫无疑问，相控阵技术正是这种“改变游戏”的技术。20世纪90年代，有源相控阵雷达研发进入快车道，已成为高性能战斗机的标准配置，典型代表是AN/APG-77和AN/APG-81机载雷达。相控阵制导技术是指利用相控阵雷达导引导弹飞向目标的一种制导技术。由于弹载使用要求极为严酷，相控阵制导技术在国际上整体处于体制突破的关键时期，军事强国都在争先抢占该技术的制高点，加快关键技术攻关步伐，力求领先应用在精确制导武器上。由于技术保密的原因，相控阵制导技术公开发表的文献较少。

1　相控阵制导技术特点

与机械扫描雷达不同，相控阵技术通过调整每个阵元的相位来实现波束扫描，并采用分布式发射，通过大量的T/R组件实现高功率放大和高灵敏度接收，技术更为先进，是雷达制导技术发展的重点［10］。

1.1大功率孔径积，作用距离远

足够的末制导作用距离是保证导弹制导精度的关键因素。以空空导弹为例，美国AIM-120空空导弹和俄罗斯P-77空空导弹等现役装备均采用了机械扫描主动雷达制导系统。以第三代战斗机为典型攻击目标，末制导的作用距离一般为15～20km，攻击能力得到了靶试或实战的检验。以F-22A为代表的第四代隐身战斗机的出现，导致现役防空导弹末制导作用距离下降到3～4km，难以有效完成攻击［11-12］。

相控阵制导技术利用空间功率合成可实现大功率孔径积，在较小体积约束下实现高平均功率，规避了传统雷达制导系统集中式大功率发射机的功率合成与大功率传输等技术瓶颈，使平均发射功率可提高一个数量级以上，为远距离探测隐身目标提供了基础［13］。尤其是随着第三代氮化镓（GaN）微波集成电路芯片技术的快速发展，单片辐射功率和整机效率不断得到提高，相控阵雷达大功率辐射还有广阔的提升空间，可以实现性能的持续提高和长远发展。相控阵制导技术是有效攻击隐身目标的技术途径之一。

1.2无惯性扫描，中末制导交班能力强

优良的中末制导交班能力是保证导弹单发杀伤概率的一个重要环节。中远距空空导弹为提高攻击距离，普遍采用复合制导体制，为有效抑止目标指示误差、机弹对准导航误差、目标机动补偿和导弹惯导误差等不利影响，需要提高导弹的中末制导交班能力［14］。相控阵雷达导引头取消了传统机电式位标器，用电子控制方式实现天线波束快速无惯性的转换指向，角空间搜索能力强、搜索方式灵活多样，在搜索样式、波位驻留时间和角空间捷变等方面可依据作战需求进行自适应设计，在远距离攻击时仍可保证高的中末制导交班概率。

1.3结构紧凑尺寸小，有利于全弹性能提升

小型化是空空导弹系统设计的强约束条件。相控阵制导系统无需位标器伺服结构及其旋转所需空间，可有效减小导引头结构尺寸。与传统雷达导引头相比，工程上长度一般可减少30％以上。节省出的空间尺寸，可降低全弹结构紧凑化布局的难度，并为加长导弹发动机以增加射程提供可能。

同时，弹载条件下可用空间相对有限。相同弹径条件下，相控阵制导系统的可用天线口径可适当增加，使得天线布阵更为灵活，有利于提高相控阵天线增益并优化天线性能，进一步增加导引头作用距离。

1.4宽工作带宽，全数字化抗干扰

抗干扰性能是决定导弹系统实战性能的重要因素。相控阵制导系统具有全数字化特点，可全面提升导弹对复杂战场环境的适应能力：相控阵制导系统的工作带宽可扩展到1GHz以上，能有效改善抗压制式干扰能力；利用数字波束形成（DBF）技术和边跟边扫（TWS）工作模式，能在干扰方向上自适应调零，实现抗拖曳式诱饵等新型干扰；采用空时自适应处理（STAP）技术，可有效抑制地海杂波影响，大幅提升导弹低空尾后下视能力，提高对“低小慢”的攻击能力［15］。

1.5柔性降级，工程应用高可靠

相控阵制导系统取消了机电式位标器和集中式大功率发射机，采用全固态设计，信息处理高度电子化集成，小型化的同时提高了系统可靠性。相控阵天线多路并行工作，具有“柔性降级”（Graceful Degradation）特性［16］，少量的单元失效对系统性能影响不大。试验表明，5％的单元失效时系统性能无显著变化，10％的单元失效时系统仍可维持基本工作。“柔性降级”提升了系统可靠性和可维护性，也便于工业化批量生产。

2　相控阵制导技术的国内外发展情况

美国国防部在2003年的一份技术发展报告中指出，“未来10年，不掌握相控阵雷达技术的厂商，将没有立足之地”。相控阵制导技术由于其优越的技术特点和特有的技术难度，使得军事强国均投入了大量的人力和资金，争相开展相控阵制导技术的工程化研究与验证。

美国从装备应用需求出发，引领着相控阵制导技术的发展和应用。20世纪90年代，依托“大气层拦截弹”（ENDOLEAP）项目，诺斯罗普·格鲁门公司和洛克希德·马丁公司分别进行了技术先期探索，提出了Ka波段和W波段相控阵导引头方案，但未形成装备。21世纪初，通过“低成本巡航导弹防御”（LCCMD）项目，雷神公司提出了Ka波段主动相控阵雷达导引头方案，并于2004年完成了口径152mm、包含672个单元的导引头样机，实现了有源相控阵导引头的阶段性突破。美国雷神公司研发的相控阵导引头天线如图1所示。2010年，美国在下一代空空导弹（NGM）技术基线中明确表明将采用基于相控阵的多模导引头，开展了双波段相控阵主动雷达导引头和红外成像/共形相控阵雷达双模导引头等多种方案设计和样机研制，并分别于2012年底和2013年进行了空中挂飞试验和空中发射试验。

图1　美国雷神公司研发的相控阵导引头天线Fig.1　Active electronically scanned array seeker antenna developed by America Raytheon company

俄罗斯明确将主动相控阵导引头作为国家武器发展计划中的一项重要技术内容，以保证今后10年内的武器系统先进性。俄罗斯NPP Radar MMS股份公司、玛瑙研究所和阿尔泰设计局等正在研制不同波段的多种相控阵导引头，计划用于3M80/3M82系列反舰导弹和9K331 Tor2M1系列近程防空系统。2013年，俄罗斯伊斯托克公司在莫斯科航展上展出了其最新研制出的X波段有源相控阵天线，如图2所示。该天线总功率大于1 000 W，采用砷化镓器件，每个单元输出功率为10～15W，质量约为9kg。

图2　俄罗斯伊斯托克公司展出的X波段有源相控阵天线Fig.2　X-band active electronically scanned array antenna exhibited by Russia ISTOC company

英、法、德等欧洲传统军事强国也在持续开展相控阵制导技术研究。2003年，英国奎耐特公司成功地进行了世界上首次相控阵雷达导引头天线的闭环试验。其研制的X波段相控阵导引头原理样机如图3所示，在口径80 mm下布置了19个天线单元。近年来，奎耐特公司还进一步开展了Ka波段弹体共形相控阵天线研制和成像能力验证试验。德国BGT公司和EADS公司开展了用于空空导弹的红外/相控阵雷达双模导引头研究。

图3　英国奎耐特公司研制的X波段相控阵导引头样机Fig.3　X-band active electronically scanned array seeker prototype developed by UK QinetiQ company

中国在相控阵制导技术上虽然起步相对较晚，但充分利用了后发优势，技术发展势头强劲。在国家精确制导技术预研支持下，中国航空工业在“十一五”期间通过自主创新，突破了相控阵制导关键技术，并率先应用于型号研制，利用相控阵的体制优势大幅提高了反隐身和抗干扰能力。同时，国内其他研究院所和高校等单位也都将相控阵制导技术作为重要的研究方向，投入了大量人力、物力来开展技术攻关，取得了一系列较高水平的研究成果。

3　相控阵制导系统的关键技术

相控阵制导技术是精确制导技术的重要发展方向，将在大量先进精确制导武器上得到广泛应用。相控阵制导技术工程应用需解决捷联波束稳定与跟踪技术、相控阵天线波束指向精度、相控阵天线高密度集成与散热技术和低成本T/R组件技术4项关键技术。

3.1捷联波束稳定与跟踪技术

相控阵雷达导引头的天线阵列与弹体固连，是一种全捷联导引头，弹体姿态运动会影响导引头波束在惯性空间的指向，使得导引头测量信号耦合弹体姿态运动信息，从而严重影响导弹制导系统的性能。因此，与采用机电式位标器的传统导引头相比，必须采用捷联波束稳定技术隔离导弹飞行过程中的姿态扰动和弹体变形，以保证导引头对目标的快速截获与稳定跟踪，并获得高的测角精度，这是相控阵制导技术弹载应用首先要解决的问题［17-18］。

捷联波束稳定主要有两种实现方法：角速度补偿法和角位置补偿法［19-20］。工程上需考虑天线波束跃度、捷联惯导的漂移、数据更新周期与传输延迟，以及弹体弹性变形等影响因素。

3.2相控阵天线波束指向精度

相控阵天线波束指向精度直接影响导弹制导精度。相控阵导引头的波束指向是一个开环系统，导引头无法独自获得某一时刻波束的实际指向角度。影响相控阵天线波束指向精度的因素有很多，既包括器件离散性、馈电网络的多级性和工艺复杂性等造成的T/R组件幅相不一致现象，也包括天线互耦和头罩匹配等系统问题，还存在长期储存造成的频率等参数漂移以及不同使用工况下温度等参数漂移等客观情况［21］。此外，相控阵导引头的工作带宽已经可以达到1GHz以上，使得其指向精度较难在整个角度扫描范围内达到系统指标要求，需要对其进行补偿与校准。

相控阵天线波束指向精度补偿主要是对相控阵导引头与天线罩进行联合补偿，以消除天线罩瞄准误差与天线波束指向误差对导引头测量的影响。

实时在线自校准是相控阵弹载应用的关键技术，也是相控阵制导系统设计必需考虑的问题。首先，在进行单元天线设计时就需要仔细考虑校准回路的实现方案；其次，弹载应用背景需要强调校准算法的快速性，需要对接收电路和数字处理电路进行配合设计。在天线安装和调试过程中，必须对天线单元之间的幅度和相位误差进行测试、修正和校准，以保证天线各通道的幅相一致性。

3.3 相控阵天线高密度集成与散热技术

相控阵制导系统小型化是应用于精确制导武器的前提，但同时也会带来相控阵天线高密度集成与散热技术难题。采用多层共烧陶瓷基板等技术可实现T/R组件、馈电网络、低频控制以及天线辐射单元等的一体化集成［22］。相控阵导引头的一个显著特点是功率密度大、工作时间短，在较小口径内聚集了数千瓦的射频功率，但工作时间一般只需要几十秒，基本上是在相控阵天线系统刚刚达到热平衡、甚至没有达到平衡时就结束了。因此在降低相控阵天线系统温度的同时，还要解决整个天线系统温度的一致性。

通过合理设计相控阵天线结构以及优化导热结构，利用结构自身热容可以满足工作中的散热要求；借助液冷等辅助散热措施可以解决相控阵天线测试和相控阵导引头调试等较长时间使用的散热需求。但要满足更大功率相控阵的散热，还需要寻求其他解决措施。目前国内外研究采用的技术有相变材料技术、微细液体管路循环加冷板技术、压电微电机泵技术和阵面热平衡校准技术等。

3.4低成本T/R组件技术

高成本是制约弹载相控阵导引头工程应用的最大瓶颈。在相控阵天线生产成本中，T/R芯片成本所占比重最大，不仅要考虑发射功率、噪声系数、幅相控制方式、气密封装和体积尺寸等性能指标要求，还要考虑加工集成等工艺和测试等低成本制造实现技术。

为了降低T/R组件的成本，首先，需要不断提高芯片生产工艺稳定性和批产保障能力；其次，需要从电路设计和封装方案等方面开展综合优化，提高T/R组件的微组装效率［23］。因此可通过低温共烧陶瓷（LTCC）和AlN陶瓷技术，实现T/R组件的多层布线和多芯片组装（MCM），实现微波模块的小型化、重量轻和高性能。

在芯片改进方面，则需要进一步推进多功能芯片的研制，在降低芯片直接成本的同时，进一步降低微组装生产成本。此外，基于MEMS集成的工业化低成本制造技术也应开展专项研究。

4　相控阵制导系统的发展展望

相控阵制导系统正处于快速发展时期，提升潜力大，在精确制导武器上具有广阔的应用前景［24］。未来可能的技术发展方向有以下几个方面。

4.1多通道相控阵雷达导引技术

为了更好地适应复杂战场环境，提高导弹抗干扰能力，采用多通道相控阵雷达导引技术可实现更为灵活高效的数字波束形成与空时自适应处理。

需要突破弹载条件下的空时自适应处理，解决多通道信号的巨大运算量问题，加快弹用高性能多核新型信号处理平台的技术研发。

4.2大功率相控阵雷达导引技术

为了提高载机先敌脱离能力和导弹反隐身能力，需要进一步提高导弹的末制导作用距离，采用千瓦级大功率相控阵雷达导引技术是一项可行的技术途径。

需要突破大功率T/R模块制备与批生产、天线热综合设计、千瓦级弹上高效能源与电磁兼容设计以及功率管理等关键技术。

4.3双波段相控阵雷达导引技术

为了满足高性能隐身战斗机多任务制空作战需求，要求机载精确制导武器具有空空/空地多任务的攻击能力，需要发展双波段主动相控阵雷达导引技术。利用两个主动波段的复合，增强末制导系统的抗干扰能力，并进一步提高制导精度，满足不同作战任务对主动雷达特性的不同需求［25］。

需要突破双波段共口径紧凑布阵设计、双波段T/R集成与小型化设计、双波段信息融合技术以及双任务作战模式下复杂背景条件目标识别算法等关键技术。

4.4共形相控阵雷达导引技术

雷达/红外双模导引系统是未来精确制导技术重要的发展方向，能够从体制上很好地解决导弹的抗干扰、反隐身和多用途等问题。共形相控阵雷达导引技术是解决雷达/红外双模导引系统共口径设计难题的关键［26-27］。英国奎耐特公司研制的Ka波段弹体共形相控阵天线样机如图4所示。

需要突破共形阵列天线设计、共形天线校准、基于数字波束形成的角跟踪技术以及紧凑结构一体化设计等方面的难题。

4.5双/多目标制导跟踪技术

图4　英国奎耐特公司研制的Ka波段有源电子扫描阵列天线样机Fig.4　Ka-band active electronically scanned array seeker antenna prototype developed by UK QinetiQ company

为了应对未来复杂的战场环境，适应战场态势的不确定性，在精确制导武器攻击过程中，攻击目标的同时还要求导引头能够始终保持对另一个目标的探测和跟踪。当战场态势发生变化时，可根据要求更换攻击目标。

利用相控阵天线波束快速切换能力，可以分时探测两个目标，给出两个目标的测量信息。通过目标优选算法锁定威胁最大或杀伤效能最高的一个目标进行制导攻击［28-29］。

4.6制导引信一体化技术

传统导弹的制导系统和引信系统都是独立工作的。制导系统负责导引并控制导弹飞到目标附近，而引信负责在近距离探测目标并适时起爆战斗部。相控阵雷达导引技术为二者功能的合二为一提供了可能。采用制导引信一体化技术后，导弹上传统的近炸引信不复存在，导引头将替代其近感探测功能，引信软件也将与弹载飞行控制等软件集成。这样不仅能减小导弹的重量，而且与传统引信相比，还能利用更为丰富的目标信息，从而对引信起爆时间和方位等进行预测估计，达到精确引炸的目的。

需要突破导引头和引信的兼容设计、基于相控阵天线的引信前向探测技术以及多通道相控阵波束控制与波形捷变技术等，还需要开展大量的引信动态试验。

4.7相控阵制导所需的基础技术

为了使相控阵制导技术更好地实现弹载应用，尚需要加强一些基础技术研究，主要包括：①第三代半导体技术与低成本制造集成。加强芯片型谱的规划建设，推动第三代半导体技术的快速成熟与应用，加大在高效集成工艺和自动化测试等方面的研发投入，进一步降低制造成本。②天线阵列的热设计，需要加强新材料研制与应用、热仿真与模型验证方法设计等。③阵列信号处理技术。需要加速弹载高性能多核处理平台研制，开展数字波束形成（DBF）和空时自适应处理（STAP）等算法设计以及简化应用。④电磁场理论与计算。需要开展相控阵天线电磁场特性研究，包括互耦特性研究、大型阵列综合、多波段阵列兼容设计、弹体共形天线或智能蒙皮技术研究等。

5　结束语

相控阵制导技术是一项改变战场“游戏规则”的革命性技术，是隐身时代导弹精确制导技术的新的技术高地，是近10年来和未来20年内国际上雷达制导技术研究的重点和持续热点。环顾国内外，相控阵制导技术在体制上已取得重大突破，正在驶入工程化应用的快车道［30-31］。

综合判断，中国整体处于技术研究的第一方队，并且应用上有可能超前。但同时要清醒地认识到，为进一步发挥相控阵雷达制导的技术优势，国内尚需要在多通道相控阵技术、双波段相控阵技术、共形相控阵技术、第三代半导体芯片开发以及低成本制造等方面进一步加强研究，加大投入，巩固中国在相控阵制导技术领域的领先地位，推动中国精确制导武器性能的持续提升。

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樊会涛男，博士，中国工程院院士，研究员。主要研究方向：飞行器总体设计。

Tel：0379-63383868

E-mail：fanhuitao1962@163.com

Development and outlook of active electronically scanned array guidance technology

FAN Huitao1，2，*，YAN Jun1，2
1.China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China
2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons，Luoyang 471009，China

Active electronically scanned array guidance is a new technology which is going to change the game rules of battlefield.lt has some striking systematic advantages in anti-stealth and anti-jamming aspects.For the recent 20 years，active electronically scanned array guidance has become a research hotspot in precision guidance technology worldwide and has been applied to the domestic and foreign development of certain missile.Firstly，an analysis of the technical features of active electronically scanned array guidance system is given；Secondly，the development of active electronically scanned array guidance technology at home and abroad is concluded，and also the key techniques which have to be solved in active electronically scanned array guidance system engineering application is discussed.Finally，an outlook of the possible development direction of active electronically scanned array guidance is presented.lt can be predicted that the deepening of active electronically scanned array guidance technology research and popularization will substantially enhance the performance of precision guidance weapons.

active electronically scanned array radar；guidance system；precision guidance weapon；air to air missile；strap down seeker

2015-01-16；Revised：2015-03-21；Ac cepted：2015-06-14；Published online：2015-07-03 09：40

.Tel.：0379-63383868 E-mail：fanhuitao1962@163.com

V448；TJ765

A

1000-6893（2015）09-2807-08

10.7527/S1000-6893.2015.0181

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20150703.0940.002.html