雷达的工作原理及相控阵雷达知识科普

雷达的工作原理及相控阵雷达知识科普

相控阵雷达对於飞机的匿踪性能也相当重要，传统的机械雷达之机械结构会造成相当大的回波，使用无机械结构的相控阵雷达就能使这一影响更小。而侦查时发射的窄波束也减低了被发现的机会，并使得敌方的电战系统难以发挥功能。

相控阵雷达何以有此功效呢？在做进一步认识之前，笔者先简单介绍雷达原理及其演进。雷达是高科技产物，但其基本原理是很简单的。

雷达是一种发射电磁波，藉由解算回波之种种数据来达到探测目的的一种装置。随著年代的演进而增加新的功能，但都不脱离两个基本步骤：发射雷达波以及解算回波。

电磁波的发射，是利用正负电荷之往返震荡而发出的，在雷达上是在天线上产生正负电荷并使之震荡如图一。发出电磁波之强度分布如图二，为一＂横躺＂ 在x轴上的＂8＂字绕y轴转动後所产生的立体形状，类似红血球一般，天线指向y轴而以横躺的8字中心为中心。设由原点向任一方向画直线与此＂红血球形＂交 於p点，则原点到p点的长度代表该方向电磁波强度。也就是说在垂直於y轴之平面上电磁波最强，随著与此平面之夹角增加电磁波随之减弱，在天线方向上则没有 电磁波。以上所提对相控阵雷达原理之理解并不是那么重要，不过将有助於我们观察雷达天线的阵列情形。

当然，单一天线发射的雷达波依然是以球面扩散的，强度与距离平方成反比，所以当然不可能只用一个天线就能做成雷达啦，一定要有其他方法的，除了 增强功率外，就是让雷达波尽量平行发射啦。为了达到此目的，目前主要有抛物面雷达以及平面阵列雷达，两者都是机械扫描雷达，但後者之原理与相控阵雷达有些 相近。

抛物面雷达在抛物面焦点处安装发射天线，经抛物面反射成近乎平行波束，目前直升机雷达以及陆基防空雷达、机场雷达等多使用这种雷达。这种雷达 现在渐渐被取代，因为抛物面相当难做，一般都是用球面或椭球面来近似，不论如何进似，终究不是真正抛物面，因此就容易出现误差。此外，这种雷达只由一个天 线作收发工作，因而对单一天线性能要求就相当高，而天线故障整个雷达也就挂了。

这种雷达不是没有好处的，他能接收单一天线感测不到的强度的回波：天线有其能感测的最低电磁波强度(单位面积的功率)，若强度小於这个值，就 无法感测或被当杂波滤除。抛物面天线可将回波反射回位於焦点的天线，故此时天线接收到的强度就是抛物面接收到之雷达波强度之加成。(副图：雷达波的＂加成 ＂示意)

平面阵列雷达则是在一个平面上布上许多天线，藉由波的干涉原理来制造近平行波束，基本发射原理与相控阵雷达相近故留待稍後解释之。西方标准的第三代战机以及俄国第四代战机 (除了MiG-31)多用这种雷达，中国自行研发的歼雷十也是平面阵列雷达。

此类雷达还仰赖＂合成孔径＂技术，雷达的性能除了探测距离、资料更新率等等外，还有个很重要的，解析度。解析度不高的雷达无法精确知道敌人的位 置，只能知道敌人来袭却无法反制，因此要提高解析度，雷达的解析度与波束发散角(最外侧行进方向与中央线的夹角)有关，发散角越小解析度越高，而要降低发 散角，就要加大天线。再某些时候这是不好做的，因而有人想到能否利用相间的小天线(天线阵列)来达成相同效果，实验证明是可行的，藉由对阵列上每个天线接 收到的数据的合成处理，可以达到涵盖这些阵列的抛物面雷达的解析度。也就是说，当两天线相距d距离时，其解析度同等於以d为直径的抛物面雷达，不过接收功 率仅为2个天线之接收功率和。也因为没有抛物面将回波＂加成＂，因此对於强度小於单一天线能感测强度之最小值之回波，此种雷达是无法感应的。

不论是抛物面或平面阵列式雷达，皆属於机械扫描雷达，*机械转动天线面来改变波束方向，因此其资料更新率与机械转动周期有关，这受到机械结构等问题影响而不会太快，一般更新周期以秒计。

抛物面雷达於平面阵列雷达之比较

口径相同时，两者的解析度相同，不过抛物面雷达接收到的功率是整个面接收到的能量的加成，故能接收强度较小的回波。而平面阵列雷达接收到的功率是 每个天线的加成，其平面不可能全部都是天线，因此总功率低於抛物面雷达，且无法接收强度低於天线感测下限的回波。因为制造工艺的因素，加上相同的解析度， 因此战机上抛物面雷达渐渐被取代。就好像如果可能的话，所有的天文学家都会希望有一个直径跟地球一样大的望远镜，但那是不可能的，因此只能藉由整合分开的 小望远镜来达到要求的解析度。

关於雷达天线的指向

从观察雷达天线的方向(就是电偶极/electric dipole的方向)，可以大概知道雷达的功能。仔细 观察时，会发现目前飞机上的平面阵列雷达，其天线都是水平放置的，而像俄罗斯 X-35/Kh-35＂天王星＂反舰导弹上的平面阵列雷达之天线，就是垂直放置的。详细情形我目前也不太清楚，我猜想这是因为这些飞机雷达需要兼顾对地性 能(平面阵列雷达出现後的飞机一般都已具备对地能力)，而掠海飞行的反舰飞弹不需要下视，只要要求视野宽广即可。

前面提到电磁波的发射，以及电偶极方向与电磁波强度之关系。从那里我们可以看出水平放置以及垂直放置的天线发出电波的能量分布，并从中得到放 置方式与功能的关系。在前者，电磁波在俯仰方向上是最强的，往两侧渐渐减弱；在後者，水平方向是最强的，而往上下两侧渐渐减弱。所以说当天线水平放置时， 可以在俯仰方向维持高强度雷达波。故推测可能是为了兼顾对地处理能力而做这种布置。