作者：梅增楊? 班級：1402019 學號：14020199039

【嵌牛導讀】：雷達技術面對的挑戰(zhàn)和技術新發(fā)展

【嵌牛鼻子】：雷達 挑戰(zhàn) 技術發(fā)展

【嵌牛提問】：雷達將面對哪些新挑戰(zhàn)也糊，又怎樣的新發(fā)展

【嵌牛正文】：眾所周知，雷達是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)現(xiàn)目標和瞄準攻擊的不可或缺的最主要手段。在二戰(zhàn)中發(fā)揮了重要作用吼畏。戰(zhàn)后，雷達界的專家總結了涉及雷達技術的幾乎全部內(nèi)容，出版了有28分冊的“雷達手冊”猬仁，雷達界也有相當一部人認為“雷達已經(jīng)達到了非常成熟的階段帝璧。”然而湿刽，近二十多年來世界上發(fā)生多次局部高技術戰(zhàn)爭的烁，使我們更清楚地認識到：雷達觀察的目標發(fā)生了重大變化，雷達工作的電磁環(huán)境嚴重惡化诈闺，并對雷達的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響渴庆。隨著微波、計算機雅镊、半導體技術和大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展襟雷，也使雷達技術發(fā)生了革命性躍進。

一仁烹、使用環(huán)境的新挑戰(zhàn)

在過去的幾次局部高技術戰(zhàn)爭中耸弄，美國等西方國家在一開始就使用了大量的超低空飛行的巡航導彈和雷達截面積很小的隱形飛機，給對方的防空設施進行精確打擊和幾乎徹底的摧毀卓缰。超低空飛行的巡航導彈雷達截面積RCS小叙赚，地面雷達因為有觀察死角很難遠距離發(fā)現(xiàn)并及早預警；又因為有很強的地面雜波背景和相對地面車輛高得多的飛行速度僚饭，使得空中老式靠機械轉(zhuǎn)動掃描的雷達也很難發(fā)現(xiàn)并進行有效的跟蹤預警。

表1胧砰、各國三四代戰(zhàn)機雷達截面積RCS比較

圖1鳍鸵、美F-22四代機（可在400km發(fā)現(xiàn)像F-16的目標）

圖2、去年首飛成功的美艦載隱形無人作戰(zhàn)飛機X-47B

美國的第四代空中優(yōu)勢F-22猛禽戰(zhàn)斗機尉间，是根據(jù)美國空軍“全球到達偿乖，全球力量”的戰(zhàn)略思想設計的，要求它能在未來空空哲嘲、空地戰(zhàn)場威脅環(huán)境中奪取空中優(yōu)勢贪薪，確保美軍能同時打贏兩場大規(guī)模局部戰(zhàn)爭。美國空軍希望憑借少量的先進的F-22抗擊大量技術相對落后的敵機眠副，取得制空權画切。美國稱其為制空（Air

Dominance）戰(zhàn)機。F-22的正面雷達反射截面積僅為0.0065平方米囱怕，比一般的像F-15C/Su27第三代戰(zhàn)斗機的正面雷達反射截面積小1000倍霍弹，生存能力比目前的常規(guī)飛機提高18倍，作戰(zhàn)效能是F-15戰(zhàn)斗機的3倍娃弓。2011年2月美國的隱形艦載無人戰(zhàn)斗機X-47B首飛成功典格，它能在空中持續(xù)飛行30個小時，作戰(zhàn)半徑超過一千公里台丛。

根據(jù)英國的計算機仿真和美國的實戰(zhàn)對抗演習耍缴，F(xiàn) -22可以在400km之外發(fā)現(xiàn)像Su27這樣的三代機，在對方毫不知情的情況下發(fā)起“首先發(fā)現(xiàn)，首先射殺”的超視距攻擊防嗡。這些低截獲概率LPI隱形目標的出現(xiàn)也給雷達提出了極大的挑戰(zhàn)变汪。

表2、F/A-22與第三代戰(zhàn)機對抗仿真及實戰(zhàn)演習結果

除了雷達截面積很小截獲概率很低的隱形目標外本鸣，雷達的使用環(huán)境嚴重惡化疫衩，戰(zhàn)場上會遇到很強的電磁干擾。特別是去年的利比亞戰(zhàn)爭中荣德，美國派出了它們最先進的

“咆哮者”電子戰(zhàn)攻擊機EA-18G闷煤，它大顯身手，實施了強大的有針對性的全頻譜干擾涮瞻，讓利比亞的雷達全部成了瞎子鲤拿，雷達、電子設備全部失靈署咽，地面導彈毫無還手之力近顷，成為名副其實的靶子！

圖3宁否、美國新研發(fā)并投入現(xiàn)役窒升、裝有能精確瞄準定位全頻譜干擾的EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機

新的超低空高速飛行帶有強地雜波背景的巡航導彈和雷達截面積很小的低截獲概率LPI的隱形目標，以及日益惡化的強電子干擾的作戰(zhàn)環(huán)境慕匠，使老式的機械掃描MSA雷達無法滿足這些作戰(zhàn)使用要求饱须，并將在不久的將來逐步退出歷史舞臺。

二台谊、未來雷達的發(fā)展趨勢——有源電掃相控陣AESA雷達

從上面的雷達要探測的目標和作戰(zhàn)環(huán)境的變化來看蓉媳，要求未來的雷達必須具有很強的電子對抗能力，在惡劣的電磁干擾環(huán)境仍然能正常工作（圖4）锅铅；對于機載雷達要求對空和對地都能工作酪呻，并能在大空域搜索的同時對多個目標進行有效跟蹤；要求雷達能多任務盐须、多功能（合成孔徑成像SAR,

逆合成孔徑成型ISAR, 地面動目標GMTI, 空中動目標AMTI,

高分辨率玩荠，低截獲LPI目標探測，火控贼邓，敵我識別姨蟋，電子對抗支持等）（圖5）。老式機械掃描MSA雷達很難滿足這些苛刻的使用要求立帖，并將不久的將來逐步被邊緣化眼溶。

圖4、有源相控陣AESA天線的自適應波束置零的功能可以有效對抗人為的干擾晓勇。并且已經(jīng)由英法德三國的AMSAR AESA樣機得到了驗證堂飞。

圖5灌旧、新一代的全球鷹能對空對地同時工作；搜索的同時跟蹤多目標绰筛；多功能：SAR/ISAR/GMTI/AMTI;高分辨率枢泰；支持電子對抗和敵我識別等。

美國雷神公司最早裝備F-15C的APG-79有源電掃相控陣AESA雷達已經(jīng)工作了5年多超過15,000小時仍然沒有出現(xiàn)故障铝噩；該公司聲稱在10~20年內(nèi)基本上不需要維修衡蚂。著名的生產(chǎn)F-22相控陣雷達APG-77的若斯洛普-格魯曼航電開發(fā)部主任也說：“APG-77的雷達天線罩可以密封起來！”這些已經(jīng)投入使用的AESA雷達實際運行也充分證明了AESA的高可靠性能骏庸。而相比之下毛甲，老式的機械掃描雷達MSA和集中發(fā)射的無源相控陣ESA雷達也因高壓密封充氣饋電、平臺機械掃描轉(zhuǎn)動的磨損等故障多發(fā)因素具被，平均無故障時間MTBF只有60~300小時玻募。實踐已經(jīng)證明AESA與老式的MSA和ESA相比，可靠性具有明顯的優(yōu)勢一姿。

老式的無源相控陣ESA的移相調(diào)整發(fā)射時是在高功率電平移相衰減后在發(fā)射出去七咧，除影響雷達的探測距離外，移相器產(chǎn)生的熱量的散熱設計也成了一個大問題叮叹；在接收時艾栋，微弱的回波信號是首先經(jīng)過移相衰減，使得雷達接收機的靈敏度大大降低蛉顽，對雷達的性能產(chǎn)生不利影響蝗砾。而有源電掃相控陣AESA的移相調(diào)整在發(fā)射時是在低功率電平移相，然后在經(jīng)過功率放大后直接發(fā)射出去蜂林，對雷達的性能影響不大；接收時拇泣，微弱的回波信號是首先進入低噪聲放大器進行放大后噪叙，才由移相器移相，對接收機的靈敏度幾乎沒有什么影響（圖6）霉翔。所以從雷達系統(tǒng)能量的運用上AESA也具有它固有的優(yōu)勢睁蕾。

圖6、AESA與ESA比較

綜上所述债朵，就AESA來說子眶，無論從理論上還是實踐上，美國防部2001年3月的專家組報告得出的結論是：“經(jīng)過上世紀九十年代美國防部DARPA項目的支持序芦，X波段有源電掃相控陣AESA的技術已經(jīng)相當成熟了臭杰。AESA能使雷達的基本能力提高10~30倍，并有高的距離分辨率谚中、抗干擾能力和波束捷變靈活的極大好處渴杆。新的設計簡化了制造寥枝，并支持高可靠和低維護成本的目標，這樣就使服務期的費用更低磁奖。美國防部專家任務組極其深刻地感受到這些進步囊拜，得出結論：未來美國不可能再采購任何不采用有源電掃相控陣技術AESA的機載（甚至地面、艦船）雷達系統(tǒng)比搭」邗危”法德意大利等國的雷達界也認為下一代的陸地、艦船身诺、空中和空間的雷達幾乎全部是有源相控陣AESA雷達系統(tǒng)蜜托；這已成了國際上雷達界的共識。

三戚长、有源電掃相控陣AESA雷達的關鍵——T/R組件

有源相控陣AESA雷達是下一代先進的多功能雷達的必然發(fā)展趨勢已成為世界上雷達界的一致看法盗冷。在半導體、微波單片集成電路MMIC同廉、專用集成電路ASIC仪糖、新材料、三維立體集成和包裝技術迅速發(fā)展的推動下迫肖，AESA經(jīng)過二十多年的發(fā)展锅劝，在重量和體積大大減小的同時，性能得到了顯著提高蟆湖，成本也在不斷下降故爵，為有源相控陣AESA的在各領域的廣泛應用創(chuàng)造了條件，AESA的前景光輝燦爛隅津。

有源相控陣AESA雷達使用大量的T/R組件诬垂；像美國的F-15戰(zhàn)斗機的APG-79就需要1500個T/R組件；F-22的APG-77需要1500~1800個T/R組件伦仍；全球鷹RQ-4每部需要2000個T/R組件结窘；E-10A每部就需要高達13500個T/R組件；更有甚者充蓝，像美國的平流層飛艇ISIS的最終系統(tǒng)OS的X波段雷達就有20,300,000個T/R通道隧枫。因此，T/R組件及其相應的MMIC核心元件就成了有源相控陣AESA雷達的關鍵谓苟，常常受到出口限制官脓，所以各國的相關公司都投入了大量的人力物力，獨立研發(fā)自己的T/R組件涝焙。T/R組件的性能卑笨、重量、尺寸和成本就成了整個AESA系統(tǒng)的重要考慮因素仑撞。

有源相控陣AESA經(jīng)歷了從分離元件的磚塊式T/R組件湾趾；到體積小薄而輕集成度剛高的瓦片式T/R組件芭商。由每個T/R通道要用7~11個（移相器怔匣，衰減器再愈，放大器，開關明肮，控制電路和供電電源）MMIC芯片艺普；到只用2~3個MMIC芯片簸州；其中的多功能核心（Multifunction,

or core chip）芯片更是把移相器，衰減器歧譬，放大器岸浑，預功放推動級，開關和控制電路等都集成在一個只有大約4

瑰步？4~5mm2芯片上矢洲。用標準的Si工藝和最便宜的Si做襯底，同時把微波/射頻模擬電路的SiGe BiCMOS和控制開關的數(shù)字電路的Si

CMOS混合集成到單一芯片上缩焦，使得現(xiàn)在整個T/R組件读虏，不但使電路芯片的面積減少，還節(jié)省了采用多個MMIC芯片時的大量手工微組裝操作袁滥，從而使總的成本大大降低盖桥。

圖7、T/R組件從最初的“磚塊式”到“瓦片式”的進展

圖8题翻、德國EADS的瓦片式T/R組件：頂層③包括LNA揩徊，限幅器和環(huán)形器，以及貼片式天線(LTCC)嵌赠；中間層②包括移相器塑荒、衰減器、放大器姜挺、開關齿税、數(shù)字控制ASIC電路等(LTCC);底層①是末級功率放大器(HTCC)。尺寸：15mm初家？15mm偎窘？8mm,重<4g,

Po=4W, NF=3.5dB

標準的Si

IC工藝能把RF/微波模擬電路的SiGe BiCMOS和數(shù)字控制電路的Si

CMOS集成在單個芯片上乌助，并做出適合于低功率密度應用的單片雷達（Radar on

chip）溜在。雖然SiGe的輸出功率和噪聲性能不如GaAs和寬禁帶半導體GaN, SiC,

它的成本優(yōu)勢明顯，可以低成本高成品率的大批量生產(chǎn)他托，同時掖肋，又與未來的數(shù)字化雷達所需要的高速ADC和DAC，以及高速FPGA工藝相匹配赏参，所以SiGeBiCMOS和Si

CMOS將會成為未來AESA的后端的重要選項志笼；未來大功率開關還可能省掉笨重的鐵氧體環(huán)形器沿盅，從而使T/R組件的體積、重量和成本大大降低纫溃。美國將要在2013年進行飛行試驗平流層飛艇的樣機DS的X波段AESA的T/R組件使用SiGe

BiCMOS工藝使每個通道的成本已經(jīng)接近$10腰涧，使成本大大減低，為AESA的廣泛應用創(chuàng)造了條件紊浩。

四窖铡、應用前景

從雷達的發(fā)展來看，未來的先進的多功能多任務地面坊谁、海上费彼、空中和空間的軍用和民用，如繁忙的國際大機場的控管調(diào)度雷達口芍，基本上都是有源電掃相控陣AESA雷達箍铲。并且關鍵的T/R組件用量巨大，如美國的ISIS平流層傳感器系統(tǒng)的最終系統(tǒng)的X波段雷達就需要20,300,000（2030萬）個T/R通道鬓椭，一個這樣的系統(tǒng)所需要的T/R組件颠猴，按每小時生產(chǎn)1萬，每周40個小時計算膘融，就需要整整一年的時間才能生產(chǎn)出一套這樣的系統(tǒng)所需要的T/R組件芙粱。一個美國將要部署到日本的X波段遠程警戒了多達有3~4個陣面，每個陣面按5m×5m計算氧映，需要大約11萬個T/R組件春畔，4個陣面就需要大約45萬個T/R組件。另外岛都，未來的衛(wèi)星通訊系統(tǒng)人到人的視頻通訊律姨，就需要占用很寬的頻帶和很大的容量，人到人的通訊需要大量靈活多變的直接輻射波束臼疫，這也需要大量的T/R組件择份；所以未來的衛(wèi)星通訊和雷達對T/R組件的需求量是十分巨大的，有著廣泛的應用前景烫堤。

另外從西方先進國家的AESA的發(fā)展來看荣赶，使用多個昂貴的GaAs

MMIC，花大量手工操作制成的

“磚塊式”T/R組件鸽斟，到現(xiàn)在可以用標準的Si半導體集成電路工藝成品率很高和集成度更高的大批量生產(chǎn)拔创，使得每個T/R組件只需要2~3片MMIC，省掉了大量的手工操作富蓄，從而使AESA的成本大大降低剩燥，使得AESA不再是昂貴用不起的系統(tǒng)。并且立倍，如果我們能夠借鑒西方先進國家的經(jīng)驗灭红，在國內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)掌握并成熟應用的標準Si半導體集成電路工藝的基礎上侣滩，增加個別應變Si工藝設備，就可以走出一條多快好省的捷徑变擒，使我們的軍用民用了的雷達和通訊迎頭趕上世界的先進水平君珠，促進國防的現(xiàn)代化，為保衛(wèi)國家的領土完整做出貢獻娇斑。

綜上所述葛躏，AESA是未來雷達和通訊的發(fā)展的重要使能技術，具有廣泛的應用前景悠菜；其間的關鍵T/R組件包含有多項國內(nèi)尚未突破高技術難題舰攒，復應綜合科學院國家隊的研究方向力量；悔醋，一旦把這些關鍵技術難題突破摩窃，把科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，就可以對我國的軍用和民用雷達和通訊系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響和促進芬骄，產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟效益猾愿。

五、結束語

未來強電子干擾的惡劣電磁環(huán)境账阻，以及嚴重地面蒂秘、海雜波背景下的高速、隱形目標(巡航導彈)和偽裝淘太、隱蔽姻僧、欺騙CCD目標的發(fā)現(xiàn)、識別和確認蒲牧，使原來的集中發(fā)射機械掃描雷達難以適應這些新的作戰(zhàn)要求撇贺，并將逐漸被邊沿化。

有源電掃相控陣AESA雷達經(jīng)過近二十年的發(fā)展冰抢，特別是MMIC等半導體松嘶、新材料和三維立體集成、包裝技術的迅速進展挎扰，使AESA已經(jīng)相當成熟翠订；成本也在不斷下降，為AESA的廣泛使用創(chuàng)造了條件遵倦。AESA的波束靈活捷變尽超，多功能、多任務骇吭、高可靠和低的全壽命周期維護成本橙弱，系統(tǒng)能量運用合理歧寺，瓦片式TR適合未來共形隱身的設計要求等燥狰，使得AESA成為未來地面棘脐、海上、空中和空間雷達的主流已成世界雷達界的共識龙致。AESA將成為下一代先進的多功能多任務雷達發(fā)展的必然趨勢蛀缝。

對我國來說，迫切需要解決AESA中的關鍵——T/R組件目代，特別是瓦片式T/R組件及其多功能核心MMIC芯片等關鍵問題屈梁。這里有許多國際上頂尖的高新技術的難題，我們應當抓住機會榛了，不斷創(chuàng)新在讶，在此領域為國家做出重大貢獻！

本文來自中國科學院電子學研究所荊麟角老師在中國科學院科學技術前沿沙龍《微波遙感技術的最新發(fā)展》上所做特邀報告霜大。荊麟角老師簡介:男构哺，1941年生，中國科學院電子學研究所研究員战坤，主要從事微波遙感技術曙强、合成孔徑雷達成像系統(tǒng)方面的研究。