浅析地基反导预警雷达中的X波段相控阵天线

马 静，孙 磊，刘明罡

(1. 南京电子技术研究所, 南京 210039； 2. 天线与微波技术国防重点实验室， 南京 210039)

·天馈伺系统·

浅析地基反导预警雷达中的X波段相控阵天线

马 静1，2，孙 磊1，2，刘明罡1，2

(1. 南京电子技术研究所, 南京 210039； 2. 天线与微波技术国防重点实验室， 南京 210039)

基于地基预警雷达的中段反导任务需求，首先，介绍了当前美国两类典型的X波段相控阵天线的系统架构、天线规模、扫描范围等特点；然后，从应用场景和波瓣性能分析比较了二者的区别；最后，介绍了一个采用高密度集成、大范围电扫体制的X波段相控阵天线工程实例。

地基反导预警雷达; X波段相控阵天线; 阵面排列; 子阵

0 引 言

导弹防御作战中，地基反导预警雷达是反导预警系统的重要组成部分。地基反导预警雷达主要由以下两部分组成：早期预警相控阵雷达和多功能相控阵雷达。前者的主要任务是在预警卫星的信息支援下，担负目标警戒和早期预警任务，并预测弹道，为后者提供目标指示和引导信息，确保对目标跟踪探测的连续性和稳定性。后者的主要任务是对多批目标进行截获、跟踪、落点预报、分类识别，为末段拦截武器提供精确的目标指示信息，并做拦截效果评估。

其中，早期预警雷达需要大范围的搜索警戒区域，远距离的探测威力，所以，多选用低频段(P或L波段)相控阵天线。如：美国的AN/FPS-115“铺路爪”雷达和丹麦“眼镜蛇”雷达[1-3]。

而多功能相控阵雷达承担了中段、末段反导任务，需要更小的分辨率用于精密跟踪测量，更大的瞬时带宽用于成像识别，所以，多选用X波段多功能相控阵天线。如：美国的“萨德”(THAAD)系统中的AN/TPY-2雷达和GBR-P雷达[4-5]。

本文首先概述了X波段相控阵天线在地基反导预警雷达中的军事需求；然后，分析比较了美国反导预警雷达中两类典型的X波段相控阵天线；最后结合一个工程实例，介绍了X波段相控阵天线在设计中应用的关键技术。

1 X波段相控阵天线在地基反导预警雷达中的需求背景

弹道导弹是现代高技术战争中的重要作战武器，具有射程远、速度快、精度高等优点，在现代战争中发挥着举足轻重的作用。有矛必有盾，潜在的军事威胁越发凸显出弹道目标探测的迫切性和重要性。

弹道导弹防御由天基红外卫星系统和远程预警雷达系统提供预警信息，地基雷达在预警信息引导下搜索并捕获目标，对目标进行跟踪、分辨、识别、杀伤评估，并为低层拦截提供目标指示信息。典型的反导防御系统工作流程，如图1所示。

从整个防御作战过程不难看出，多功能相控阵雷达是反导防御系统中广义上的跟踪制导火控雷达，是拦截弹能对来袭导弹进行成功拦截的决定性因素。为了实现最佳的拦截效果，多功能相控阵雷达天线需要完成诸如跟踪、成像、识别、评估等多项功能，而所有这些处理都是以截获目标为前提的。

雷达天线对目标的探测截获过程实际上是反导预警系统中两部分雷达设备(早期预警雷达和多功能相控阵雷达)的交接班过程。这两部分设备在整个反导防御过程中的处理时间基本上是串行的，同时又是紧密相关，互为补充的。早期预警雷达可以较早的发现和跟踪来袭导弹，但其探测精度不足以直接对拦截弹进行制导；而多功能相控阵雷达虽然能够提供高精度制导信息，但却无法早期截获目标，缺乏大范围的自主搜索能力。

图1 反导防御系统工作流程示意图

反导防御作战的交接班过程就是通过多功能相控阵跟踪制导雷达对引导目标的探测截获来实现的。如果对目标的跟踪过程是一个闭合回路的话，那么上述交接班过程就是将前后两部分雷达系统的闭环进行交联，实现信息的传递和角色的过渡。从这个意义上来说，多功能相控阵跟踪制导雷达在整个反导防御系统中起着承上启下的关键作用。

多功能相控阵雷达的主要任务是精确跟踪、识别和制导，为了实现这一目的，雷达的测量精度要求很高。因此，天线波束宽度要设计的极窄，以满足测角精度和距离分辨率的要求。同时，要具有一定带宽的瞬时宽带工作能力。

综上所述，反导预警系统中的多功能相控阵雷达一般采用X波段相控阵，以较大的电口径获得较窄的波束宽度；以较小的相对频带宽度获得满足成像识别要求的绝对频带宽度。

目前，美国在反导防御系统研究领域处于领先地位。经过数十年的研究试验，围绕弹道导弹中段、末段防御拦截任务，美国导弹防御地基雷达(GBR)中的X波段相控阵天线，已经形成两大体制系列。

2 美国GBR雷达中的X波段相控阵天线

美国GBR雷达中X波段相控阵天线可分为两大体制系列，即机动式大范围电扫体制和固定式小范围电扫体制。这两大体制的典型代表就是：“萨德”(THAAD)相控阵天线和GBR-P相控阵天线。

2.1 THAAD相控阵天线

THAAD系统的AN/TPY-2相控阵雷达中采用了X波段固态多功能相控阵天线，如图2所示。针对末段高层雷达与弹道导弹相对角度变化大的特点，该天线设计的扫描区域很大。工作中心频率为9.5 GHz，电扫范围为±53°。

图2 THAAD系统中的X波段相控阵天线

该天线主要由天线阵面和移动装置两部分组成。阵面口径约9.2 m2，采用满阵形式排布单元，每个天线单元对应一路有源通道，单元数目为25 344个。天线可由C-5或C-17运输机运输。

天线阵面分成72个子阵，每个子阵含352个有源通道。一个子阵又由11个T/R组合(T/R EA)、一个子阵级组件(SAM)和一个交流/直流(AC/DC)变换器组成。其中，单个T/R组合含有32路有源T/R通道与辐射单元、8个电源变换器、4个由专用集成电路(ASIC)和随机存取存储器(RAM)组成的波束控制器。

该雷达系统包含两类波束形成网络，分别为：子阵内的T/R单元级波束形成网络、子阵间和差波束形成网络，如图3所示。在天线系统中为了形成低副瓣就必须对和差通道进行加权，其接收和通道采用两级加权的方式，即在T/R组件内通过预置衰减器的衰减量加上子阵间的馈线网络衰减值一起形成和波束所需的泰勒分布。而差通道采用子阵间的馈线加权形成差波束所需的贝利斯分布，其子阵内的幅度分布等同于和通道分布。

图3 THAAD天线波束形成网络示意图

THAAD系统从1990年正式提出，1992年开始研制一套演示验证系统和两套试验评估系统，到2006年底已经参与了多次全系统试验，并成功验证了雷达功能。美国从2008年以后已正式部署THAAD雷达系统。

近年来，又出现了升级版的前置X波段雷达-可移动式(FBX-T)，在原有基础上增加了信号带宽，从500 MHz提升到1 GHz，天线口径从9.2 m2增加到10.2 m2，单元数也增至30 464个，并且方位机械可转动，旋转范围为-178°～+178°。目前，已经在日本部署了两部，有报道称今后计划在韩国和土耳其各部署一部。

2.2 GBR-P相控阵天线

GBR-P雷达是一部占地很大的特殊雷达，相当于验证型的GBR样机，安装于夸贾林靶场，如图4所示。

图4 GBR-P雷达照片

该雷达的天线阵面为八角形状，近似圆形口径排布，含有16 896路有源收发通道，其有效天线口径约12 m2。阵面具备机械转动加电扫描功能，机械转动的方位范围为±178°、仰角范围为0～90°；电扫方位角和仰角范围同为±12.5°。

GBR-P天线阵面由8个超级子阵组成，每个超级子阵又分为48个子阵，如图5所示。子阵内包括固态收发模块、子阵控制模块、喇叭辐射单元、极化器、子阵电源、子阵波束形成网络。

天线正面的每个辐射喇叭单元与背面的固态收发模块一一对应，并且通过盲插匹配连接器互联，其目的是为了便于从天线阵列背面维护、拆卸收发模块。

GBR-P相控阵天线的设计是非常有特色的，它采用了大单元间距非周期排列形式。这样的优点在于：同样扫描角度下，阵面所需的单元数要比按照规则满阵排列的单元数少，对于大型固态有源相控阵来说不仅成本显著降低，还意味着结构实现方便、电站需求低、系统热耗小等优点。

与此同时，它的不足也是显而易见的：电扫范围窄、扫描增益下降快、接收波束很难实现低副瓣、周期性栅瓣无法避免只能尽量抑制。

该天线设计中有两个需要注意的关键技术：高效辐射喇叭单元设计技术和非周期旋转栅瓣抑制技术。

为了实现最佳的口面利用效率和栅瓣抑制，辐射单元不能采用普通的角锥喇叭形式，因为普通的角锥喇叭是基模激励的，单元H面方向图零点位置与阵列栅瓣位置不重合，即使在不扫描的时候也会出现很高的栅瓣。虽然可以通过介质加载的方式来改变H面单元波瓣形状，但是，介质加载后又会增加损耗，导致单元辐射效率降低。所以，估计其单元采用隔板喇叭的方式，在H面形成双余弦分布的电场，使第一零点位置与栅瓣重合，以达到抑制栅瓣的作用。但是，扫描后栅瓣位置发生变化，无法再通过单元波瓣零点抑制栅瓣，栅瓣电平会随着扫描角增加而抬高，天线的扫描增益也会随之迅速下降。

通过非周期排列布局，可以降低栅瓣电平。如果采用单元级随机，全阵非周期化，首先，工程实现尤其是结构实现困难；其次，也会导致天线波束的副瓣电平升高、增益下降。所以，GBR-P相控阵天线整个阵面是非周期的，但是其8个超级子阵内部仍然是周期性排列，只是在超级子阵间进行了旋转、错位、非周期化。这样可以在抑制一定栅瓣的情况下，适度降低设计与制造难度。

通过仿真推测，其栅瓣电平相对于主瓣约有-12dB左右的抑制效果，非周期化后的阵因子方向图如图6所示[6]。

与GBR-P体制类似的还有海基X波段雷达(SBX)，放置在一个钻井平台上，在海面上可移动部署，已经应用于美国中段反导系统。

2.3 二者比较分析

THAAD是一部用于战区高层反导的用户作战评估雷达，雷达按照实战需求进行设计，作用距离设计为500 km(0.1 m2目标)。该相控阵天线采用了满阵设计，扫描范围大、副瓣电平低。

GBR-P是一部验证型的试验样机，采用了有限扫描的方案，牺牲了电扫范围，换取了大威力和低成本的优点，而其对全空域的扫描覆盖，是通过机械扫描补偿的。在小角度扫描范围内作用距离远，测量精度高，但天线副瓣电平高，抗干扰能力较差。

表1比较了二者一些主要参数比较，由于许多资料上对美国THAAD(或FBX-T)和GBR-P雷达的参数说法不一，表中参数的选择参照了比较常见的报道[7-8]。

表1 美国反导雷达天线主要参数比较

美国反导系统中所需的X波段相控阵天线规模都十分庞大，大单元非周期排列相控阵通过牺牲扫描性能来降低成本。但近年来有报道称美国已放弃GBR-P雷达的部署计划；而SBX雷达从2005年投入使用到2013年为止仍处于“有限的测试支持状态”。洛杉矶时报的调查发现，尽管它确实能到截获到远方目标，但它的探测范围极为狭窄，因此，基本无法应付专家们认为最有可能的攻击方式：一连串混杂着诱饵的导弹。

与之对应的是THAAD系统和前置式X波段相控阵天线逐渐增加全球部署。由此可见，机动部署是解决费效比的突破口，通过可移动式的前置布站来弥补雷达天线探测距离的不足，成为美国目前发展中段防御地基雷达的出发点。

3 X波段相控阵天线在工程中的实际应用

笔者曾参与设计研制了一个X波段宽带多功能相控阵雷达天线试验系统[9]。天线借鉴了THAAD相控阵天线的设计思路，采用高密度集成、大范围电扫的固态全有源相控阵体制，具备宽带宽角扫描功能，使用单脉冲三波束(和、方位差，俯仰差)跟踪测量，搜索同时形成多个波束，以提高搜索速度，其原理框图如图7所示。

图7 X波段相控阵天线试验系统原理图

天线阵面具有以下特点：X波段高密度集成、宽带宽角扫描(2 GHz工作带宽，±45°扫描范围)、大瞬时带宽(1.7 GHz)、大热流密度冷却。天线阵面有效口径约1 m2；包括3 072路有源通道，每路有源通道对应一个辐射单元；采用子阵级宽带延时满足成像识别需求。

在天线研制过程中应用了一系列关键技术，主要包括以下四点：

1)高密度有源子阵集成设计技术

X波段阵面要求安装紧凑、维护方便、结构组成需进行模块化设计。由于工作频段高，要在厘米级实现收发通道，需对天线阵面做出最优设计、精密集成、合理布局。有源子阵模块主要包括了天线单元、有源组件、射频网络、电源和波控的综合走线、驱动放大模块以及冷却管道等多个部件，实现了能量的分配、放大、辐射，信号的接收、合成，以及波束扫描控制等功能；同时，保证有源单元的供电和散热，是一个实现多种功能的复杂系统模块。

2)大瞬时带宽相控阵天线系统设计

实现宽带成像，对于相控阵天线来说，就是要解决天线在频率范围内的“波束色散”现象。在宽带大角度扫描状态下，天线波束指向随频率变化发生偏移，阵面上需要增加延时器以校正不同频率波束的指向偏移。单元级加延时的方案宽带性能最好，但是设备量大，目前，工程上几乎不可能实现[10]。试验天线以子阵为延时单位，天线波束的色散问题得到较好解决，在1.7 GHz频率带宽内扫描后各频率的波束指向均得到了修正，如图8所示。

图8 测试的宽带扫描方向图(高中低频点)

3)多功能阵面结构设计技术

天线阵面口径仅有1 m左右，内部结构单元密集而空间有限,功能模块多，在部件安装、阵面走线、冷却管网排布、阵面结构精度分配、安装精度保证和控制等方面提出了很高的要求。通过采用模块化、组合化结构设计；框架与冷却一体化设计；多模块无引线互联设计；盲插定位精度控制等一系列手段，最终实现了天线阵面的高效集成，如图9所示。

图9 装在运输平台上的X波段相控阵天线

4)天线宽带宽角扫描技术。除了合理限定单元间距以外，还要符合设计宽带宽角扫描特性的辐射单元。天线选用带状线印刷振子是考虑到印制板结构简单，电路加工精度高，易于批量生产。同时，为了准确的测量及评估天线宽带波束的带内幅频特性，在天线暗室校准测试过程中，采用了宽带喇叭做标校的比较法，较好地消除了测试系统本身对天线宽带特性的影响，准确的反映了天线最终的幅频特性，如图10所示。

图10 天线宽带扫描后的发射幅频响应

4 结束语

毋庸置疑，美国仍是目前地基反导防御系统研究较深入、反导试验较多、工程应用较广的国家。针对不同的工作任务需求采用不同体制的X波段相控阵天线。在需要远距离高精度探测的场合，采用了牺牲部分扫描特性的非周期大间距相控阵天线；在需要大范围空域扫描覆盖的场合，采用了常规满阵排列的高密度X波段相控阵天线。

不管哪种应用场景，关键是综合考虑天线的性能与造价，选取最适合的体制，达到系统费效比最佳的目的。

持续深入学习研究美国反导预警雷达中的X波段相控阵天线技术，是值得国内每位相关从业人员都长期关注的工作。

[1] HANSEN R C. Phased array antennas[M]. New York : Wiley, 1998.

[2] COLLIN R E, ZUCKER F J. Antenna theory[M]. New York: McGraw-Hill, 1969.

[3] BRENNER A R, ENDER J H G. Demonstration of advanced reconnaissance techniques with the airborne SAR/GMTI sensor PAMIR[J]. IEE Proceedings-Radar, Sonar, Navigation, 2006, 153(2): 152-162.

[4] REED E W, HENRY E C, COSBY A. THAAD system loading capacity evaluation in anticipated tactical field environments[C]// Radar 97. Edinburgh: IEEE Press, 1997: 352-355.

[5] MULCAHEY J K, SARCIONE M G. Calibration and diagnostics of the THAAD solid state phased array in a planar nearfield facility[C]// IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Boston, MA: IEEE Press, 1996: 322-326.

[6] 刘明罡. 平面天线阵方向图计算中的仿射坐标FFT方法[J]. 微波学报, 2011, 27(2): 8-12. LIU Minggang. Using the FFT in 2D affine coordinate to calculate the beam pattern of planar array[J]. Journal of Microwaves, 2011, 27(2): 8-12.

[7] SARCIONE M, MULCAHEY J, SCHMIDT D. The design, develepment and testing of the THAAD solid state phased array (formerly grovne based radar)[C]// IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Boston, MA: IEEE Press, 1996: 260-265.

[8] 费阿莉, 朱瑞平, 马 静. GBR-P天线性能分析[J]。 现代雷达, 2010, 32(2): 71-75. FEI Ali, ZHU Ruiping, MA Jing. Analysis of the performace of the GBR-P antenna[J]. Modern Radar, 2010, 32(2): 71-75.

[9] 马 静, 何炳发, 朱瑞平. 大瞬时带宽大型相控阵天线子阵延时的新设计方法[J]. 现代雷达, 2009, 31(增刊): 468-471. MA Jing, HE Bingfa, ZHU Ruiping. New design methods for subarray time-delay of large scale wideband phased array antenna[J]. Modern Radar, 2009, 31(Supplement): 468-471.

[10] 李永祯, 肖顺平, 王雪松, 等. 地基防御雷达的有源假目标极化鉴别能力[J]. 系统工程与电子技术, 2005, 27(7): 1165-1168. LI Yongzhen, XIAO Shunping, WANG Xuesong, et al. Polarization discrimination capability analysis of active multi-decoy and radar target of ground-base radar system[J]. Systems Engineering and Electronics, 2005, 27(7): 1164-1168.

马 静 男，1977年生， 硕士，高级工程师。研究方向为固态有源阵列天线、宽带相控阵、数字阵列天线。

孙 磊 男，1974年生，研究员级高级工程师。研究方向为有源相控阵阵面系统架构、宽带相控阵、数字相控阵等。

刘明罡 男，1981年生，博士。研究方向包括微波及阵列天线。

Analysis of X-band Phased Array Antenna in Early-warning System for Ground-based Radar

MA Jing1,2，SUN Lei1,2，LIU Minggang1,2

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China) (2. National Key Laboratory of Antenna and Microwave Technology, Nanjing 210039, China)

Base on anti-missile defense mission of early warning Ground-based radar, firstly, the characteristics of two X-band phased arrays in USA are introduced, include system constitution、antenna scale、scanned area; secondly, the different of the two radars' application scenarios and beam performance is analysis. Finally, a X-band phased array in engine example is given, the array uses superintegration and big electronic scanning area.

ground-based radar; X-band phased array antennas; arrangement of the array; subarray

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.013

马静 Email：markjin2000@sina.com.cn

2015-11-10

2016-01-23

TN82

A

1004-7859(2016)04-0054-06