隨著戰(zhàn)爭(zhēng)的需求變化與科技的進(jìn)步，空戰(zhàn)的“含金量”也越來越高。戰(zhàn)機(jī)機(jī)載雷達(dá)的發(fā)展就是個(gè)典型例子。而從外觀上而言，雷達(dá)設(shè)備的“進(jìn)化”最直觀的部分就是天線的變化。[敏感詞]簡(jiǎn)單講講機(jī)載雷達(dá)天線的發(fā)展。

機(jī)載雷達(dá)從早期的簡(jiǎn)易對(duì)空搜索和測(cè)距功能演化到現(xiàn)在不僅要兼顧大區(qū)域范圍內(nèi)的搜索、跟蹤以及火控制導(dǎo)甚至還要對(duì)地測(cè)繪，sar成像等實(shí)現(xiàn)多功能。一般而言，機(jī)載雷達(dá)要求天線具有高增益（便于增加探測(cè)距離）、窄波束（利于增加測(cè)角精度）、低副瓣（抗干擾）等特點(diǎn)。而實(shí)現(xiàn)高增益，窄波束。最簡(jiǎn)單的就是使用定向天線，比如八木天線和拋物面（單反射面）天線。八木天線尺寸過大而且拋物面天線相比八木天線，更容易實(shí)現(xiàn)低副瓣，因此冷戰(zhàn)后早期的機(jī)載雷達(dá)普遍采用拋物面天線的形式。

拋物面天線（單反射面天線）。這種天線采用一個(gè)較大尺寸的拋物面作為主面，主面前方中心位置一個(gè)喇叭作為饋源（正饋），（喇叭也可偏離中心位置，稱為偏饋）。其工作原理與光學(xué)里的拋物面鏡頗為類似。工作原理是，當(dāng)天線工作在輻射模式時(shí)，由喇叭輻射出去的球面波打在拋物面上，拋物面把喇叭入射的球面波變換為平面波，使之輻射到自由空間中去。當(dāng)工作與接收模式時(shí)，主反射面將自由空間中傳來的平面波匯聚稱為球面波，并使之“打回”饋源喇叭處。該形式的天線在x波段及以下加工并不困難，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本也不高。但是缺點(diǎn)也很明顯，由于通常拋物面天線在焦徑比（喇叭到反射面的距離與主反射面尺寸之比）較高時(shí)，易實(shí)現(xiàn)高性能，因而天線的整體剖面較高，體積較大。特別是當(dāng)天線整體旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，會(huì)大大占用機(jī)頭空間，因此其掃描角度也較為受限。為了解決這些困難，一種名為“卡塞格倫（Cassegrain）”形式的雙反射面，應(yīng)運(yùn)而生。

卡塞格倫天線。是一種在單反射面天線形式上改進(jìn)而來的天線。相比單反射面天線，增加的副反射面可以初步優(yōu)化喇叭發(fā)射出來的電磁波，并使之呈一個(gè)更為理想的分布，反射回主反射面，主反射面再將該整形后的球面波變成平面波，并使之輻射到自由空間中去。這樣的優(yōu)點(diǎn)是能提高天線口徑效率，提高增益，大大降低了焦徑比，降低天線整體的剖面，減小體積。接收機(jī)和饋線也變?yōu)橹髅嬷螅谙到y(tǒng)的走線布置并降低系統(tǒng)噪聲。但副反射面的引入也會(huì)帶來對(duì)主面遮擋增加的問題，這會(huì)反過來降低天線整體的增益和抬高副瓣電平。

Cassegrain天線基本構(gòu)成及工作原理

 

蘇15截?fù)魴C(jī)的“鷹”式雷達(dá)（РП-11）

為了解決副反射面遮擋的問題，一種叫做倒置卡塞格倫的天線被提出來并廣泛應(yīng)用在機(jī)載雷達(dá)中。倒置卡塞格倫，也被稱為變形卡塞格倫天線。它在卡塞格倫天線的基礎(chǔ)上，將副反射面位置變?yōu)闃O化柵格拋物面，主面位置變?yōu)闃O化扭轉(zhuǎn)板。（實(shí)際上，在倒卡天線中，主、副面位置已經(jīng)與普通卡塞格倫有明顯不同。）工作原理與卡塞格倫天線有較大區(qū)別：位于極化扭轉(zhuǎn)版處的喇叭饋源，發(fā)出的水平線極化電磁波被前方的極化柵格幾乎全反射回來，并將該球面波變?yōu)槠矫娌ǎ蛟诤竺娴臉O化扭轉(zhuǎn)板上，將水平極化波“扭轉(zhuǎn)”為垂直線極化電磁波，從前方的極化柵格中透射出去，輻射到自由空間中。簡(jiǎn)而言之，倒卡饋源發(fā)出的波束雖然也經(jīng)過兩次反射，但是不同于普通卡塞格倫天線，它中間有個(gè)極化扭轉(zhuǎn)的過程。位于天線前方的極化柵格只對(duì)水平極化電磁波有遮擋，對(duì)垂直線極化波幾乎無影響。這里順便提一下，為了對(duì)抗地雜波，機(jī)載雷達(dá)天線多為垂直線極化天線。它通過適當(dāng)旋轉(zhuǎn)極化扭轉(zhuǎn)板來實(shí)現(xiàn)波束掃描。因此，倒卡天線解決了副反射面遮擋的問題，而且還能把饋源和極化柵格稍微偏置，進(jìn)一步降低了整體天線的剖面。因其特有的優(yōu)勢(shì)，倒卡天線在二代機(jī)中很受歡迎。

倒卡天線工作原理 前部橫杠處為極化柵格。后面傾斜45度布置的為極化扭轉(zhuǎn)板

上述天線的基本工作原理都是基于反射面形式，無非是單反射面還是雙反射面，有無極化扭轉(zhuǎn)等細(xì)節(jié)上的區(qū)別。通過控制喇叭離主面的距離，調(diào)整照射錐削等等，易于實(shí)現(xiàn)高增益和較低的副瓣。在早期也能夠取得較為滿意的性能。盡管如此，利用反射面形式來工作的天線，雖然加工上要求并不算高（X波段處還算好，到了更高的頻段則難度陡增），成本也能接受。但隨著機(jī)載雷達(dá)性能的提升，對(duì)天線部分也提出了新的要求，比如更大的掃描角度，更低的副瓣以及實(shí)現(xiàn)賦形波束。倒卡天線中存在的固有缺陷包括始終會(huì)有能量溢漏（這會(huì)造成口徑效率的降低，損失增益），掃描時(shí)波束的畸變也較為嚴(yán)重（主瓣增益下降，主波束變寬，副瓣抬升），并且始終存在天線重量較大的問題。所以大家都認(rèn)為要奪取制空權(quán)的三代機(jī)：mig29和蘇27，它們?cè)缙诙际褂昧说怪每ㄈ駛愄炀€，這多少顯得寒磣。

我們知道，為了滿足機(jī)載雷達(dá)高增益窄波束低副瓣的要求，拋物面天線因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而被較早使用。還有一種形式上稍微復(fù)雜，但性能更為優(yōu)秀的天線，那就是平面陣列天線。平面陣列天線是一種典型的陣列天線。由數(shù)十到數(shù)百，甚至成千上萬個(gè)小單元天線按照一定規(guī)則，間距等，均勻布置在陣列面上。單個(gè)單元天線也許波束很寬，增益很低，但是依靠天線陣面上眾多的單元天線，協(xié)同工作，就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)很高的增益，窄波束，甚至取得超低副瓣（后期甚至可以升級(jí)成為平面相控陣）。因此，平面陣列天線因其優(yōu)異的性能很快取代了反射面天線，成為了各種三代、三代改、四代機(jī)機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)中的主流。現(xiàn)在的先進(jìn)機(jī)載雷達(dá)——相控陣?yán)走_(dá)，幾乎都是使用的平面陣列天線形式。

常見的平面陣列天線包括波導(dǎo)（平板）縫隙陣，開口波導(dǎo)陣，偶極子陣，Vivaldi天線陣，微帶貼片天線陣等等。

波導(dǎo)縫隙陣，就是在常見的微波傳輸結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)表面開縫（槽），讓小縫隙成為一個(gè)天線，將電磁波輻射出去。具有利于和饋電結(jié)構(gòu)匹配的優(yōu)點(diǎn)，且功率容量較大。機(jī)載波導(dǎo)縫隙看起來就像開在平板上的一樣，所以有時(shí)也稱為平板縫隙陣。

 F15的APG63雷達(dá)使用的平板縫隙陣 外圍突出的是IFF振子天線（陣）

與此類似的還有開口波導(dǎo)陣列天線。開口波導(dǎo)也是利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，不過不是開槽開縫，而是直接利用波導(dǎo)口面輻射電磁波。因?yàn)檫@種開口波導(dǎo)形式剖面稍大，且重量過重，因此多見于陸基或者艦載雷達(dá)，機(jī)載雷達(dá)較少采用這種形式。

上面利用波導(dǎo)進(jìn)行饋電和輻射的結(jié)構(gòu)，利于做天線匹配，功率容量大是其顯著優(yōu)點(diǎn)。但是天線帶寬往往會(huì)受到限制，而且重量難以控制。后續(xù)不少新穎的設(shè)計(jì)逐漸被用在了機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)中。

實(shí)際上到了冷戰(zhàn)后期，為了讓機(jī)載雷達(dá)獲得更快的掃描速度和更強(qiáng)大的性能（比如同時(shí)實(shí)現(xiàn)搜索跟蹤火控制導(dǎo)對(duì)地探測(cè)等），工程師為機(jī)載雷達(dá)使用了相控陣天線，且至今仍被視為先進(jìn)技術(shù)。相控陣天線在外觀上和常見的平面陣列天線并沒有太大區(qū)別，甚至可以簡(jiǎn)單理解為在普通機(jī)掃平面陣列天線的基礎(chǔ)上修改饋電結(jié)構(gòu)而得到（后端發(fā)射/接收機(jī)和信號(hào)處理算法當(dāng)然會(huì)有很大變化）。天線單元后端加入移相器可以得到無源相控陣天線（PESA），不喜歡移相器加入TR組件，即可得到有源相控陣天線（AESA）。對(duì)于天線工程師而言，同一個(gè)天線陣面，即可以做AESA，也可以做PESA。因此，對(duì)于平面陣列天線而言，具有很大升級(jí)成為相控陣天線的潛力。

對(duì)于升級(jí)成為了AESA天線的雷達(dá)而言，具有更大的發(fā)射功率，更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，更為靈敏的波束掃描和更強(qiáng)大的波束付形功能。獲得個(gè)-50、-60dB的平均副瓣也更為容易。

最前方凸出的很容易被誤認(rèn)為是TR組件，嚴(yán)格來說那個(gè)其實(shí)是天線表面，TR組件是接在天線后方的（雖然現(xiàn)在TR組件一般和天線加工成一體，但這里仍然區(qū)分開來談）

陣風(fēng)新款中使用的RBE2 AESA雷達(dá)（如下圖所示），則采用了Vivaldi天線陣。這種天線單元的特點(diǎn)是帶寬特別寬，因此整個(gè)天線陣列的帶寬可以得到拓展。

當(dāng)然也有些比較特殊的。比如[敏感詞]這個(gè)采用八木天線為單元的E2D預(yù)警機(jī)使用的APY9雷達(dá)。因?yàn)橄鄬?duì)于其使用的uhf波段電磁波波長(zhǎng)長(zhǎng)，其天線尺寸非常有限，為了獲得更加理想的窄波束和高增益，它的天線單元波束就得窄下來，因此八木天線成為了一個(gè)較理想的選擇。高增益的八木天線作為單元，能夠使陣列的增益有明顯提升。但是事物總是相對(duì)的，八木天線較窄的單元波束，大大限制了陣列的寬角掃描能力。當(dāng)天線掃描角偏離法線較大時(shí)，增益的下降和波形的畸變將非常明顯。因此APY9使用了機(jī)電掃結(jié)合的方式，來彌補(bǔ)不足。

E2D APY9雷達(dá)使用的2*9單元八木天線線陣

正是相控陣技術(shù)的發(fā)展，使得機(jī)載天線進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。

天線的發(fā)展，是雷達(dá)整體技術(shù)發(fā)展的一個(gè)縮影。雖然我們并不能根據(jù)天線外觀來對(duì)雷達(dá)性能下定論，衡量雷達(dá)的總體性能，但是工程上往往注重系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和平衡性。如果一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)整體性能先進(jìn)，天線自然不能差了。工程師未來還會(huì)繼續(xù)攻克諸如相控陣天線大角度掃描（拓展現(xiàn)階段一般是±60度的掃描范圍）、超寬帶、共口徑、共形等等難題，促進(jìn)機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展。

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