郭衍莹
［前言］雷达是现代先进武器的一个关键部件，也是阻碍我国先进武器快速发展的一个技术瓶颈。今观网上发表的很多军事科普文章，内容丰富生动，但有些文章在谈及此问题时，或者概念混淆，或者叙述不准确。我是一名已退休的国防科研工作者。今就自己所知，并结合近年来我为大专院校师生、部队所作科普性讲座，简要介绍相控阵雷达和三座标雷达的一些基本概念，和这二种先进雷达的区别。欢迎与大家一起探讨。
相控阵雷达是利用电扫描的方法使天线发射的电波波束在空中无论是水平（方位）方向还是垂直（俯仰）方向都能快速搜索到目标。三座标雷达与相控阵雷达主要区别之一是在俯仰角上也用电扫描方法，而在方位角上用机械扫描方法（即转动天线）来搜索目标。而且二种雷达电扫描采用方法也有所不同：相控阵雷达用相扫法，即用可控移相器来精确改变每一天线的相位，使波束可在空中任意方向扫描。而三座标雷达大都用频扫法或延迟线法来控制天线的相位，使在俯仰角上在空中形成多个固定波束（或依次形成多波束）。相位控制扫瞄方法最先进，所以相控阵雷达被公认为当代最先进的一种雷达体制。也是现代雷达主要发展方向。
相控阵雷达的基本原理
相控阵的原理是利用光学中干涉仪原理。它可以简单形象地用图1来描述。图1-a中二个相距大约半波长的天线振子（小天线）如果馈以相位相同的电流，那么空间电波必然是指向正前方（法向）；这是由于二个振子相距半个波长，则在天线法向，电波在空中将同相相加，而水平方向相互抵消。如果改变二个振子的电流相位，那么空间电波指向就会随相位改变而上下左右变动，这就是用相控阵达到电扫描的原理。
但图1－a只有二个振子，形成的波束太宽，无法实用（作为作战火控雷达，波束要小于几度甚至一度以下）。这只要增加振子的数量，且相互间距离都在半波长左右，则波束可以做得很窄。所以相控阵雷达天线都做成面阵（方形或八角形）。上面对称地排列着成百上千个振子。改变振子相位的方法就是在每个振子后面接一个移相器，其相位即可电控。
图1－b画出一行振子情况，（也称线阵）。所以相控阵雷达一般都比较复杂，也较庞大，价格也昂贵。但它无需转动天线就能在上下左右（即方位角上和俯仰角上）快速而精确地搜索到目标，它可以用单脉冲测角法精确测出目标的角度值。而且可以同时搜索多目标，同时完成搜索、跟踪、制导导弹等多功能。当然搜索的空域也有一定限度，一般为法向的±45度到±60度。因此如需全方位（360度）搜索，就需至少另外加装二到三个天线阵，每个阵管90－120度方位。也有只有一个天线阵的，就需能在全方位转动（如俄罗斯一些武器系统）。
所谓三座标雷达，按我国科学家王小模工程院士著作和国外文献下的定义：“对指定空域内所有目标能同时测出其三个座标参数（距离、方位角、俯仰角）的雷达”。大家要注意所有和同时。因为老式机械扫描（如有抛物面天线的炮瞄雷达）也能测量和跟踪目标的三座标，但不能做到同时跟踪所有目标。
三座标雷达的基本原理
三座标雷达在俯仰方向，也是采用电扫描天线波束。但大都采用抽头延迟线法或频率扫瞄法，今分别示于图2－a和图2－b。它们都能在空间形成多个固定波束（一般4个以上，多的有一二十个），或依次形成多波束。
延迟线法可用有抽头的中频延迟线，如示意图2－a；当然也可微波延迟线。图2－a中，由接收机Ⅰ的延迟线抽头C和接收机Ⅱ的抽头D,和接收机Ⅲ的抽头E形成波束1；同理Ⅰ的抽头B和Ⅱ的抽头D和Ⅲ的抽头F形成波束2；Ⅰ的抽头A和Ⅱ的抽头D和Ⅲ的抽头C形成波束3。
所谓频率扫描就是改变馈给天线振子电流的频率同样能达到改变相位的效果。如图2－b原理图所示，由于振子间相位差等于频率乘以电流流过时间（θ＝f×Δt，Δt为电波自一振子到下一振子的时间，等于光速除以二振子间距离），频率f改变就导致振子间相位改变。频扫也可以做到多目标。但比相扫得到的波束要宽，精度较差。它是根据在哪一个波束（或二个波束）发现目标来判断目标的俯仰角。但造价相对较低。另外它与相控阵雷达不同点是水平（方位角）方向是机械扫瞄，即靠天线转动来搜索方位上的目标。所以三座标雷达主要作对空监测、搜索雷达。用于发现目标，并粗测出其座标参数，故也称对空情报雷达。而相控阵雷达用于精确跟踪目标、制导导弹以及其它多功能。
另外，早期三座标雷达天线大多为抛物面，新式的也可做成面阵，称阵列天线。它在横的方向（行向）是一根根波导管，每根波导管上等距离开一排糟（或孔），作辐射小天线，使在方位角方向的波束变窄。而在俯仰方向则采用电扫。此次我国60周年大庆阅兵式中检阅的机动雷达方阵，就是用阵列天线。如图3。
图3
二种雷达的异同
归纳起来二者的异同在于：（1）都采用了先进的电扫体制。但三坐标雷达在方位上仍保留用机械扫描；（2）相控阵雷达采用相扫法，扫描精确，波束可很窄。可用单脉冲法精确测角。三坐标雷达采用频扫法或延迟线法，在空中形成多波束，波束难以很窄；测角精度一般不很高。（3）相控阵雷达天线都为面阵；三坐标雷达天线可为抛物面，新式的也可为面阵（阵列天线）；（4）相控阵雷达为多功能雷达，主要用于武器精密制导（火控），波束要求窄。由天线理论可知，对同样的波束宽度，频率越高，天线尺寸越小。所以相控阵雷达一般说来采用微波的高端，如C波段、X波段等。三坐标雷达大都用作搜索和监控（对空情报），波束宽度不是主要矛盾（波束太窄搜索时间必然太长），倒是希望输出功率尽量大，以保证有尽可能远的搜索距离。由于大功率微波器件在频率低时更容易实现，所以三坐标雷达一般采用微波的低段，如S波段、L波段等。
图4是美国德凯特号宙斯盾驱逐舰上的相控阵雷达天线，是“四面阵”。它是该舰防空导弹系统的重要组成部分。
图5是俄罗斯光荣号导弹巡洋舰上对空导弹系统的搜索雷达天线和制导雷达天线。前者为三座标雷达，天线为阵列状。后者为相控阵雷达，天线为可旋转的单面阵。该系统是俄有名的C300地空导弹的上舰型号
有源和无源相控阵的区别
最后还要提一下，有些网上文章把有源和无源相控阵的概念有些弄混淆了，譬如说有源是无源的新一代等。有源和无源并不代表二代产品。二者主要区别是：无源相控阵雷达是将统一（或中央）大功率微波源(微波电真空器件，脉冲功率可至兆瓦级)的输出通过微波电缆或直接空间馈电分成很多路输给天线阵上每一个单元振子。它大都用于地面防空导弹系统，甚至反导系统。而有源相控阵雷达是指在每个（或一组）单元后接一个有源的接收/发射组件（半导体固态器件），这样可以大大减轻对中央微波激励源输出功率的要求。一般多用于空军作战飞机。因为在飞机上难以实现大功率微波激励源。而在地面就不是个困难。当然地面相控阵雷达为了获得更大输出功率，也可以加/发组件。但造价以及检查、维修费用都将猛增。由此可见无论有源或无源，都有一些棘手的技术问题要解决。图6是美国F15战机改装有源相控阵雷达后的情况。
参考资料
郭衍莹，张金海，徐德忠等：相控阵雷达和三坐标雷达的技术保障工程(即将出版）
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