2.2　相控阵雷达系统的主要技术指标

相控阵雷达的系统设计与其主要技术指标有密切关系，其主要技术指标大体上分为两类，一类为分配给相控阵雷达各个分系统的指标，如相控阵列天线、馈线分系统、发射机分系统、接收机分系统、信号处理和数据处理分系统、终端显示分系统、通信传输分系统、控制监测分系统、电源保障、环境控制与保障分系统等的指标；另一类为有关雷达系统方案的技术指标。

第一类技术指标主要取决于雷达要完成的任务、雷达要观察的主要目标种类。雷达技术指标体系为雷达设计师与雷达使用方所熟悉，只要考虑相控阵天线的技术特点及其带来的实现战术指标上的潜力，将机扫雷达的技术指标转移至相控阵雷达即可。这些技术指标通常都是严格的数值指标，如天线口径多少平方米，发射功率多少千瓦等。

第二类与雷达系统方案有关的技术指标则多半不以严格的数值来表示，如雷达工作波段、极化形式、天线扫描方式和发射机种类等，但这类技术指标在其选定过程中常常需要经过严格的分析、计算、反复比较，要在第一类指标中的各个单项指标之间进行折中，并多次迭代，因此这类指标虽然主要是定性指标，但它们的确定过程是离不开定量分析的，在系统设计的初期阶段尤其重要。

由于计算机技术、高速通信技术、人工智能技术等在相控阵雷达中应用日益广泛深入，相控阵雷达分系统相应增加，功能不断加强，对其技术指标的要求与提升对相控阵雷达系统的构架设计有非常重大影响。

第二类技术指标主要包括工作波段的选择、相控阵天线方案、雷达发射机的形式、信号波形和测角方式。

2.2.1　工作波段选择

正确选择工作波段是各种相控阵雷达，特别是雷达系统初步设计中的首要问题。由于影响波段选择的因素很多，因此常常需要做反复比较才能最后确定。在选择雷达工作波段时需要考虑以下五种主要因素。

1. 雷达要观察的主要目标

不同目标的雷达散射截面积（RCS）与雷达信号波长（ λ ）有关。对构成目标的一些基本形状的金属物体表面的雷达散射截面积与波长的关系是不同的 [3-5] 。在雷达视线上具有同样投影物理尺寸的不同目标，其RCS可能相差很大。

由于不同形状和尺寸的目标的RCS与雷达波长密切相关，故应将雷达方程中的 σ 看成信号频率或波长的函数，即 σ 应表示为 σ （ f ）或 σ （ λ ）。

为了正确选定波长，针对设计中的相控阵雷达要观察的主要目标，需要做目标RCS的电磁仿真计算，必要时还应进行模型测试。

以下将文献[5]列出的一些基本几何形状金属体的RCS与雷达信号波长的关系作为例子来说明目标RCS对相控阵雷达波长选择的影响。

1）金属球

对金属球，其半径为 a ，则当 a ≪ λ （在瑞利区）时，有

当 a > λ （在光学区）时

而在瑞利区与光学区之间，即在谐振区，存在反射波与爬行波之间的干涉，其反射波决定的RCS为 σ o ，其爬行波决定的RCS为 σ c ，即

在谐振区的RCS的最大值或最小值为

由式（2.13）至式（2.16）可以看出，若雷达要观察球形目标，其半径的大小对雷达波长的选择有影响。例如，若要观察半径很小的球形目标，如果选择很低的雷达工作频率，即很长的波长（ λ ），则因该类目标的RCS与波长的4次方成反比，RCS将很小。

2）平板目标

面积为 A 的任意形状的大型平板目标的RCS，与其法线和雷达视线之间的夹角有关，在法线方向时，可得其最大值为

对需要进行拦截效果评估的雷达，由于要观察的碎片目标的RCS与波长平方成反比，因此选用较短波长，如选用X波段与毫米波波段是有利的。

3）圆锥目标

对半锥角为 α 的无限锥体，在其轴线方向的RCS为

σ = λ 2 tan 4 α /（16π）

（2.18）

4）圆柱体

对半径为 a 长度为 L 的圆柱体，当其尺寸大于雷达信号波长时，若其轴线与雷达视线垂直，则其RCS为

若雷达视线与圆柱体轴线之间的夹角的 θ ，且（4π a sin θ ）/ λ ≫1 时，则其RCS为

5）导弹目标

不同形状导弹目标的RCS已有多种仿真计算软件，文献[5]中对某些通用导弹（Generic Missile）模型给出了一些RCS的实测值与计算公式。例如，对长1m、直径为1/8m的导弹模型在频率为4～17GHz时，可得到不同极化情况下其头部的RCS值，即

从观察弹头目标角度考虑，选用较长的雷达信号波长有利。

从上述几个基本几何形状金属体的RCS与波长的关系可以看出，一个复杂目标的RCS与雷达信号波长的关系是复杂的。这在一定程度可以说明，在弹道导弹防御（BMD）、空间监视系统中采用的雷达覆盖了很宽的波段。例如，美国海军的空间早期监视系统（Navspasur）中的长基线收/发分置相控阵雷达即采用VHF波段；又如，Bmews中的AN/FPS-115（Pave Paws）相控阵雷达及超远程空间监视相控阵雷达AN/FPS-85，美国“赛其”反弹道导弹系统（Safeguard ABM System）中的边界截获（PAR）相控阵雷达，均采用UHF波段；采用L波段的例子有用于导弹试验情报收集、空间目标跟踪与洲际弹道导弹（ICBM）预警、空间碎片观测的AN/FPS-108超远程相控阵雷达；在S波段有“赛其”反导系统中的导弹制导雷达，亦称导弹场地雷达（MSR）及“朱迪眼镜蛇”（Cobra Jude）舰载导弹观测雷达；在C波段和X波段的相控阵雷达有大家熟悉的反导系统中高层空中防御（THAAD，萨德）系统及NMD中的XBR大型相控阵雷达 [6] 。

2. 雷达测量精度和分辨率要求

在同样天线口径尺寸条件下，采用较短的信号波长，可以获得更高的角度测量精度和角度分辨率。

为了提高测量精度，识别目标，要求相控阵雷达具有高的距离分辨率，对目标进行一维或二维成像必须采用大的瞬时信号带宽。瞬时信号带宽（Δ f ）越大，雷达工作频率（ f o ）也应越高，否则由于相对信号带宽Δ f / f o 的增加，会给雷达设计带来一些需要费力克服的困难。在L和S波段的相控阵雷达中，瞬时信号带宽已可分别做到200MHz和500MHz以上；但在X波段，瞬时信号带宽则可做到1GHz甚至2GHz以上。

3. 雷达的主要工作方式

如果相控阵雷达以空域监视为主，即主要工作方式为搜索工作方式时，雷达探测距离主要取决于发射天线辐射的平均功率与接收天线口径面积的乘积（ P av A r ）；而对以跟踪方式为主的相控阵雷达，跟踪距离与发射天线增益有关，即取决于（ P av G t A r ），搜索与跟踪的不同要求在一定程度上也影响雷达工作波段的选择。

如果相控阵雷达以对远区目标进行搜索为主，它承担的任务是向别的具有更高测量精度的雷达如火控雷达、导弹制导雷达等提供引导数据，则根据增大雷达作用距离的要求，波长选择要考虑的主要因素是 σ （ λ ）的大小。如果相控阵雷达主要完成跟踪任务，它可以接收其他雷达或传感器提供的引导数据，则选用较短的波长是有利的，因为在同样大小天线口径条件下，提高信号频率可以提高雷达发射天线的增益（ G t ），相应地可增大跟踪作用距离，提高测量精度。这就是为什么大多数火控雷达、导弹制导雷达都工作在较短波长的原因。

对担任搜索任务为主的相控阵雷达，由于监视空域大，作用距离远，要处理的目标数量多，宜选用较低的雷达工作频率。例如，目前国际上多数空间目标监视相控阵雷达，由于其作用距离均在几千千米以上，因此，多采用UHF波段和L波段，以便充分利用加大天线阵面口径的方法来增加雷达的作用距离，而同时在加大天线阵面口径后，天线单元总数还控制在允许的范围之内。已公开报道的苏联的大型空间监视相控阵雷达，多采用VHF波段。由于选用更长的雷达信号波长，当相控阵天线阵面口径接近100m×100m时，其天线单元总数却没有明显增加。

4. 雷达的研制成本、研制周期与技术风险

降低成本是推广相控阵雷达应用的关键。考虑到相控阵雷达较机扫雷达复杂，在相控阵雷达的预先设计阶段，必须充分考虑研制和生产的现实条件，而不应盲目追求个别分系统的先进指标。在这方面要考虑的一个重要问题是采用何种类型的高功率发射机及高功率发射机中的关键器件，以实现高功率、高效率和低成本的相控阵发射组件。

5. 电波传播及其影响

与机扫雷达一样，波长选择时必须考虑电波传播的影响。电波传播过程中的衰减与频率密切相关。电波传播损耗和折射引起的测量误差，特别是在低仰角传播时的测量误差，都与信号工作频段相关。

对用于TMD/NMD及空间目标监视的远程/超远程相控阵雷达来说，由于其发射和接收信号均要通过电离层，而电离层对电波的衰减与信号频率有关，因此在波长选择时也应加以考虑。

2.2.2　相控阵天线方案

相控阵雷达与机扫雷达相比的特殊性和复杂性在很大程度上反映在相控阵天线上，因而相控阵天线形式的选择对相控阵雷达系统设计有重大影响。相控阵天线方案的选择，有以下几个方面值得注意。

1. 天线扫描范围

一维相扫战术三坐标雷达一般采用窄波束在仰角上进行相扫，而在方位上进行机扫，这时仰角相扫范围便是一个主要指标，如一般三坐标雷达要求仰角波束覆盖0°～30°。减少仰角相扫范围，可以拉大一维相扫平面相控阵天线中各个行天线线阵之间的间距，这有利于降低天线质量与生产成本，并可减小天线阵面的风阻系数。

对二维相扫的平面相控阵雷达要注意区分方位与仰角上扫描范围的要求。对安装在方位上可转动或方位与仰角上均能转动的平台上的相控阵天线，可以考虑降低对相扫范围的要求，这有利于降低相控阵雷达的成本。

对主要用作多目标跟踪的二维相扫的雷达，如靶场多目标精密跟踪测量雷达，首先要确定在多大的空域（是全空域还是有限域）内实现相扫，并确定相控阵天线的机扫范围。能用较小的有限相扫天线，便不一定要用大空域相扫天线。这可降低阵面内天线单元的数目，从而大大降低这类相控阵雷达的成本。

2. 馈电方式

相控阵天线有强制馈电和空间馈电两种馈电方式。

强制馈电采用波导、同轴线和微带线进行功率分配，将发射机产生的信号功率传送到阵面每一个天线单元上；接收时，功率相加网络将各天线单元接收的目标回波信号传送到接收机。空间馈电方式亦称光学馈电方式，该方式可实现在空间进行信号功率的分配与相加功能。采用光纤传输收/发信号也属于强制馈电的方式。

3. 馈相方式

馈相方式主要指采用何种方式实现各天线单元通道之间的信号相位调制或时间调制。实现移相器的方案很多，但主要有半导体开关二极管（PIN管）实现的数字式移相器和铁氧体器件实现的移相器。近年来随着微电子机械（MEM）技术的发展，以各种MEM开关实现的移相器得到广泛重视，并已有了相应演示验证系统的研制项目。

4. 有源相控阵天线与无源相控阵天线

在相控阵天线方案的选择中，应认真考虑的一个重要问题是选择有源相控阵天线还是无源相控阵天线。

有源相控阵天线的每一个天线单元通道上均有一个发射机（功率放大器）、低噪声放大器或发射/接收组件（T/R组件），它们给相控阵雷达带来一些新的优点：

（1）降低相控阵天线中馈线网络即信号功率分配网络（发射时）与信号功率相加网络（接收时）的损耗；

（2）降低馈线系统承受高功率的要求；

（3）易于实现共形相控阵天线；

（4）有利于采用单片微波集成电路（MMIC）和混合微波集成电路（HMIC），可提高相控阵天线的宽带性能，有利于实现频谱共享的多功能天线阵列，为实现综合化电子信息系统（包括雷达、ESM和通信等）提供可能条件；

（5）采用有源相控阵天线后，有利于与光纤及光电子技术相结合，实现光控相控阵天线和集成度更高的相控阵天线系统。

有源相控阵天线虽然具有许多优点，但在具体的相控阵雷达中是否采用，要从实际需求出发，既要看雷达应完成的任务，也要分析实际条件和采用有源相控阵天线的代价，考虑技术风险及对雷达研制周期和研制生产成本的影响。

5. 实现低副瓣天线的方法

相控阵天线的副瓣性能是雷达系统的一个重要指标，它在很大程度上决定了雷达战术指标中的抗干扰与抗杂波的能力，也与雷达探测性能、测量精度等有关。

相控阵雷达天线包括成千上万甚至数百万个天线单元，在信号功率分配网络与信号相加网络中包括众多的微波器件，各天线单元之间信号的幅度与相位由于制造和安装公差、传输反射等原因难以做到一致，存在幅度与相位误差，这一幅度和相位误差还会随着相控阵天线波束的扫描而变化，给修正幅相误差带来一定困难。因此，与机械转动的天线相比，实现低副瓣/超低副瓣要求有其难度，特别是在宽角扫描情况和宽带相控阵天线中更是如此。在相控阵雷达系统设计中，正确选择天线照射函数的加权方案及幅度、相位监测与调整是完全必要的。

可采用的加权方法有幅度加权、密度加权、相位加权三种方法，也可以采用它们的混合加权方法。

2.2.3　雷达发射机的形式

相控阵雷达采用电真空器件或半导体功率器件来实现对发射功率的要求。由于相控阵天线具有用多部发射机在空间实现功率合成的优点，因此在选择相控阵雷达发射机形式的问题上，有相当大的灵活性。

在相控阵雷达系统设计之初，首先考虑的往往是在雷达作用距离等战术指标得以满足的前提下，尽量选择现有的大功率器件，确保在要求的研制周期里完成任务。如果有提供固态功率器件的条件，提高雷达系统的可靠性和可维护性，降低整个雷达发射机系统要求的初级电源，可优选固态发射机；反之，要是不具备或不完全具备大批量固态功率器件及固态发射组件的生产能力，也可考虑采用电真空器件实现的发射机。

有源相控阵天线主要采用固态功率放大器件的发射机，而无源相控阵天线则主要采用电真空器件的发射机。采用电真空器件的发射机要设法克服它的一个主要缺点——阵列中功率分配网络的损耗。这可通过采用多部发射机的方案，使每部发射机只为一个子天线阵提供信号功率，从而减少在功率分配网络中的损耗。采用多部发射机，必须保证多部发射机输出信号相位的一致性，为此要对多部发射机输出信号的相位进行监测和调整。

发射机形式的选择在很大程度上与相控阵雷达的工作波段相关。当相控阵雷达工作在C和X及Ku和Ka波段时，由于固态功率器件不能提供足够高的功率，特别是高的峰值功率，因此当作用距离远（如超过1000km）时相控阵雷达的成本会很高，这时就可能不得不选择具有高功率输出能力的电真空器件。

在选择相控阵雷达发射机类型时，与其他雷达发射机一样，发射机总效率、能提供的信号带宽、放大增益、相位噪声电平、调制方法、冷却方式、对初级电源的要求、工作寿命、可靠性、全寿命周期成本、体积和质量等中的一些指标都有可能影响对发射机形式的选择。

2.2.4　信号波形

雷达信号波形与雷达各分系统的技术指标关系密切，发射机、接收机、信号处理、终端显示均与其有密切关系。雷达信号波形的选择取决于许多因素，选择原则应在充分保证工作方式需要的前提下尽可能减少不必要的信号波形种类，使之有利于简化设计，减少不必要的软件开销，提高系统工作的可靠性。

1. 影响雷达信号波形选择的主要因素

雷达信号波形的选择主要受以下7种因素的影响。

（1）相控阵雷达的多功能、多工作模式。

不同信号脉冲宽度、重复频率、信号瞬时带宽、脉冲长度及不同编码方式及其相互组合后的变化，便于按雷达完成功能和工作方式的不同而进行变化，可以有效实现相控阵雷达信号能量的最佳管理。

当雷达处于搜索状态时，宜采用大时宽和较窄带宽的信号，信号瞬时带宽较窄可减少在整个搜索区内要处理的距离单元数目，有利于提高雷达回波信号的信噪比，从而减少信号处理的计算工作量。

当雷达处于跟踪状态时，采用具有大时宽带宽乘积的信号，可获得高的测距精度和距离分辨率，且信号处理所需的计算工作量，也因在一个雷达重复周期内只需处理位于较窄的跟踪波门内的回波，而不会明显增加，因而可保持与搜索状态工作时信号处理运算量的大体平衡。

（2）雷达的分辨率和测量精度。

（3）测速要求。

（4）目标识别要求。

（5）电波传播修正要求。

（6）在一个重复周期里探测多个方向目标。

（7）判别虚假目标。

2. 相控阵雷达的抗干扰能力

从提高雷达抗干扰能力角度可以将信号设计成具有低截获概率（LPI）性能的波形，这有利于推远被敌方电子情报侦察设备侦测与定位的距离。

大瞬时带宽信号、捷变频信号、频率分集信号对提高雷达抗干扰能力有重要意义。

3. 测速要求

如果对相控阵雷达有测速要求，则脉冲多普勒信号形式、连续波信号、准连续波信号形式的采用是相控阵雷达系统设计中应考虑的因素。

4. 发射机形式

如果采用高功率真空发射机，除非是专门设计的高工作比发射管，一般信号工作比均较小，即信号峰值功率与平均功率之比较大；而以固态器件实现的功率放大器，更有可能获得大工作比信号，因此有利于实现长脉冲信号。

5. 雷达作用距离要求

一般来说，对近程相控阵雷达的作用距离有严格的要求，这与远程、超远程相控阵雷达有很大不同。例如，对BMD系统、空间监视系统中的相控阵雷达来说，由于要求的雷达作用距离远，目标分布范围广，因此对远距离目标要用大时宽信号进行搜索跟踪，而对近距离目标则可用短脉冲信号。对RCS大的目标，可用脉宽较窄的信号；对RCS小的目标，则应采用宽脉冲信号。观测目标所用信号能量的调节除了改变脉冲宽度，还可通过改变重复频率，改变波束驻留时间，即改变发往同一观测方向的脉冲串长度等来实现。

2.2.5　测角方式

相控阵雷达一般都应具有多种功能，且由于作用距离远、雷达重复周期长、要观测多批目标等原因，在搜索和跟踪状态，在每一个波束位置上雷达信号驻留时间是很短的，这对远程、超视距相控阵雷达来说更是如此。以一维相扫战术三坐标雷达为例，若方位波束宽度为1°，天线在方位上的转速为10r/min，重复频率 F r = 300Hz，则按式（2.4）计算，最多只有5个脉冲。如果一维相扫只有两三个重复周期，甚至只有一个重复周期，故只能采用单脉冲测角方法，以保证高的测角精度。此外，对一维相扫战术三坐标雷达来说，当三坐标雷达的仰角波束数目不多，不能覆盖要求的仰角空域时，在每一仰角位置上照射脉冲数目也偏少，且不能像机械扫描两坐标雷达那样，可用天线方位波束形状对回波脉冲串信号的幅度调制来测角，这时也只能采用单脉冲测角方法。

单脉冲测角方法可分为相位比较法和幅度比较法两种。两种方法都可以根据测量一个脉冲回波信号在两个接收通道中的相位或幅度差异，再通过对目标角度进行内插，从而得到准确的角度参数。相位比较法和幅度比较法单脉冲测角方法在理论上具有相同的潜在测角精度，即取决于信号噪声比的测量精度 [1] 。 bcCuUPstEjCvTGrEzu79GjiyITJSuy7rXyT5qlUUiNrL1IzjnyEBymg5SEajlCUR