国外相控阵雷达导引头技术发展研究

摘 要： 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。 本文介绍了美国、 俄罗斯、 欧洲、 日本、 印度、 韩国、 以色列等国家的相控阵雷达导引头技术研究应用情况， 通过对国外发展情况的分析和总结， 提出一些有利于雷达导引头研制的启示和建议。

关键词： 导弹； 雷达导引头； 有源相控阵； 氮化镓技术

中图分类号： TJ765 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2018）03-0011-07

目前， 有源相控阵（AESA）已经成为机载雷达应用的尖端技术， 弹载AESA的很多技术也已接近或达到实用标准， 美国、 日本、 俄罗斯和欧洲均已开始具体应用项目的研究。

1 国外研究及应用情况

随着微电子及微机械技术的发展， 美国、 日本、 俄罗斯、 欧洲在导弹相控阵雷达导引头技术方面取得了明显进步。 印度、 韩国、 以色列等国也开始相关领域的研究。

1.1 美国

1.1.1 新一代空空导弹多波段多模雷达导引头

在2014年美国海空技术展上， 洛克希德·马丁公司推出了一款新型空空导弹， 其外形与AIM-120空空导弹相似。 据称， 该导弹采用先进的多波段多模有源相控阵（AESA）雷达导引头， 融合了宽频带被动高精度射频接收器和双波段有源相控阵主动导引头。 这种双波段有源相控阵主动导引头可工作在C波段和Ka波段。 C波段导引头改进了导弹的远距离截获和跟踪能力， 而Ka波段导引头则为导弹飞行末段提供高分辨率图像。 作战时， 导弹能够探测40 km以外的雷达截面积为0.1 m2的目标。 打击地面防空雷达时， 导弹能够在敌方雷达关机状态下对防空雷达进行成像识别末段导引。 目前该导弹已进行了一系列飞行试验， 飞行试验演示了新型导弹的技术成熟稳定性， 洛克希德·马丁公司正在进行风险降低工作， 以确保导弹系统是经济可承受的， 并具有显著的性能优势， 可以满足作战需要[1]。

1.1.2 “战斧”Block Ⅳ巡航导弹被动/主动导引头

自2013年11月起， 雷神公司就开始自主投资研发一款被动/主动导引头， 准备将其集成到“战斧”Block Ⅳ巡航导弹上。 被动导引头安装在头锥的位置， 能對目标进行识别和测向。 主动导引头则被安装在头锥下方， 可提高导弹在GPS信号受到干扰时的目标捕获能力。 雷神公司倾向于采用基于有源相控阵（AESA）技术的主动毫米波导引头[2-3]。 雷神公司计划为“战斧”Block Ⅳ导弹配备的新型多模导引头见图1。

2015年， 雷神公司进行系留飞行试验， 演示了“战斧”Block Ⅳ导弹多模导引头发射主动雷达波以及接收目标反射电磁波的能力。 测试中， 安装了主动和被动雷达天线以及新型模块式多模处理器的“战斧”Block Ⅳ导弹头部被安装到T-39飞机上。 后者以不同的高度模拟导弹的飞行轨迹进行亚音速飞行。 多模导引头和多功能处理器在复杂、 密集电磁环境下操纵主动雷达照射地面以及海上的固定和移动目标。 这是使该导弹具备打击地面和海上移动目标的关键一步[4]。

1.1.3 “以商用进度开发阵列”（ACT）项目

美国国防预先研究计划局（DARPA）正在进行“以商用进度开发阵列”（ACT）项目， 旨在减少开发相控阵的一次性费用（通常达到成本的40%）， 并能快速引入新技术。 雷神公司从DARPA获得了ACT项目第1阶段的2份合同， 为有源相控阵（AESA）的快速升级和广泛部署开发适应性强且可重新配置的通用电子系统。 ACT项目包括两个技术领域。 TA1重点是实现数字接收/激励和数字波束形成， 并开发出通用模块。 TA2重点是研制出可赋予AESA雷达或干扰机“特性”的辐射元， 并使其能够重新配置[5]。 ACT通用模块如图2所示。

引头技术发展研究雷神公司正在研发的数字通用模块， 占阵列核心功能的80%～90%， 可实现一系列广泛的应用， 能构成从S波段到X波段的可重构可调谐的射频孔径， 形成多样化的特性[6]。 雷神公司透露， 通用模块旨在以最佳的效费比和最优的适应性进行数字波束生成。 ACT项目的开展， 使AESA阵列在不同部分可同时产生多个不同用途的数字波束。 通用模块打破了系统分类的惯例， 不再将一个阵列仅仅限于雷达或电子战。 随着模拟的相控阵越来越多地转向数字相控阵， 将实现软件定义射频传感器， 从而对每个辐射元进行数字控制。 ACT技术使数字射频阵列可直接进行射频采样， 为系统省掉许多组件， 当前射频采样速度达到60 Gbps， 功耗已大量减少[5-6]。

DARPA准备开发不需要改变设计就可以重新配置从而在不同带宽、 不同波段和不同扫描角度工作的机载辐射组件， 雷神公司目前已经按照系统需求的带宽、 极化方式、 频率， 为天线阵列重新设计了辐射器[6]。

1.1.4 氮化镓（GaN）技术

有源相控阵（AESA）雷达的射频器件会生成大量的热， 从而导致热管理问题。 航空电子设备常规的气冷方式无法解决AESA雷达散热问题， 尤其是当采用砷化镓技术时。 因此液冷成为公认的解决方案， 其可使冷却通道直接位于T/R模块或MMIC之下。 但是， 液冷系统存在造价昂贵、 体积庞大、 可靠性低且难以维护等缺点。 基于氮化镓的T/R模块能工作在比砷化镓更高的温度下， 因此气冷再次成为一种切实可行的解决方案[7]。

雷神公司在2013年3月完成了美国国防部办公室（OSD）为期3年的Title Ⅲ氮化镓项目。 OSD期望通过该项目推动氮化镓技术的发展， 以期提供可工业生产、 高度可靠且经济可承受的热管理解决途径。 在氮化镓的开发过程中， 雷神公司密切关注13个关键性能参数， 它们涵盖从产量、 成本到产品性能的诸多方面。 通过该项目， 雷神公司氮化镓的生产已提高了至少300%， 单片微波集成电路的成本至少改善了75%。 2014年， 雷神公司在美国“爱国者”防空反导雷达系统上成功演示了有源相控阵和氮化镓技术原型。 该技术能在未来实现360°感知覆盖， 还可扩展防御范围， 并减少探测、 识别和消除威胁的时间。 相关工作使得雷神公司成为第一家在氮化镓处理方面达到8级制造成熟度的制造商[8-9]。