浅谈有源阵和无源阵

关心军事的朋友经常能在相关新闻、论坛帖子里看到诸如某型战机装备的新型有源相控阵雷达，某型军舰的无源相控阵雷达多么先进云云。相控阵雷达，虽然最早在上个世纪中旬就提出来，但是现在才逐步完善，成为许许多多的明星战机战舰的“鹰眼”，因而也被广大军迷津津乐道。

所谓相控阵雷达，是指采用了相控阵体制的雷达。通过改变阵列天线中每一个天线的馈电相位，从而使天线阵列无需转动，就能实现波束扫描。传统的雷达，要想使雷达波束扫描起来，得给天线加一个伺服器，用机械的方式让天线转动起来。相比这种固定波束的雷达，相控阵雷达扫描周期更短，能实现波束捷变，能从容应对多目标，可靠性也更高。这种天线不动，波束扫描的方式称为电子扫描。值得一提的是，实现电扫描的方式除了控制相位，还有频率扫描、时间延迟法。很多朋友谈论的“有源（AESA）”、“无源（PESA）”相控阵，又是怎么一回事呢？这里笔者简单做做介绍并简要对比下性能。

相控阵雷达最早采用的是无源相控阵（PESA）体制。简单来讲，就是说每一个阵列天线，后面接一个移相器后，都接至一个发射机/接收机或者几个发射机/接收机。就是发射机/接收机共用的意思，如图1-1所示。比如典型的无源相控阵雷达如：苏35s使用的雪豹E，宙斯盾系统里的SPY1。

图1-1 无源相控阵雷达框图

相对而言的有源相控阵（AESA），是一种更为先进与复杂的体制。与无源阵的主要区别是，天线阵列不再共用一个或少数几个发射机，而是每一个阵元后面，都有功率放大器件（T/R组件）。简单来说相当于每一个阵元都有单独的发射机与之对应。这里的“有源”也即指功率放大器件，如图1-2所示。典型的有源相控阵系统有F22的机载APG77，052C导弹驱逐舰的舰载346型雷达。

图1-2 有源相控阵框图

有源阵多采用固态功率放大器件，无源阵则多采用电真空器件的发射机。固态器件相比电真空器件，重量轻，体积小，可靠性和可维护性高，但是电真空器件目前在较高频率上，能实现更大的功率。除此之外，在性能上还有以下区别：

1、有源阵易于获得较大的平均功率。这得益于AESA中每个天线单元都有自己的功率源，可以实现功率合成。

2、有源阵效率较高。因为多采用固态器件，消除了馈线系统的损耗，大大提高了发射机功率的有效性。一个典型的大功率发射机馈电系统的损耗大约为5dB，既只有三分之一的功率辐射到空间。而采用了固态AESA后，发射机效率大大提高。

3、有源阵可靠性更高。因为雷达系统中，大功率器件容易损毁，是个薄弱环节。现在通过功率合成技术，可将大功率发射机分割成上千个较小功率的固态器件，故障率大大降低。

4、有源阵移相更方便。由于AESA的相移在发射机上的低电平进行，而且馈线和移相器的损耗对性能没有影响。可以使用成本更低且更精确的低功率移相器。

5、有源阵的馈电能更轻更便宜。因为AESA的功率分配是在低电平进行，所以馈线输入端电压往往只有几十伏，功率也只有几十瓦。在工程上，这很容易实现。未来AESA还可能采用光纤馈电等方式，优势将更为明显。

6、有源阵更容易实现实现数字波束赋形。容易实现真正的多目标跟踪和自适应处理阵列，抗干扰性能更强。

有源阵相比无源阵，优势非常突出，所以也成为了主流发展趋势。各军事强国也纷纷积极研发自己的机载、舰载、陆基有源相控阵雷达。

实际上，有源阵与无源阵相比，结构更复杂，更加昂贵，对技术的难度要求也更高。比如有源阵每个天线后面都有的T/R组件，多采用GaAs微波集成电路的形式生产制造，对材料和工艺的要求较高。整体而言，有源阵的性能高于无源阵。但这并不意味着无源阵性能一定更差。任何武器装备的设计，都是工程项目，都应当综合考虑到各方面进而折衷处理问题，是选择有源阵还是无源阵，还得看具体情况。

这里顺带提及一个认知误区，很多网友在区分相控阵雷达和机械扫描雷达时，爱说“ESA相比PD雷达性能如何”。这里ESA指电子扫描雷达，但是PD雷达指的是脉冲多普勒雷达（Pulse Dopler），而非机械扫描雷达（MSA）。况且，脉冲多普勒雷达和相控阵雷达并非是一个矛盾体，正相反，它俩往往是一个共同体。脉冲多普勒雷达是指在信号形式上采用脉冲多普勒技术的雷达，相控阵雷达是在天线体制上定义的雷达。两者定义的范围不重合，不纯在谁比谁好的说法。现代雷达系统往往采取多体制结合，比如既采用脉冲多普勒体制，又采用相控阵体制，还可以同时采用脉冲压缩、合成孔径等体制。