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有源電子掃描陣列通常稱為AESA，是一種相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。它由一組天線組成，這些天線形成一束無線電波，可以瞄準(zhǔn)不同的方向，而無需物理移動天線本身。AESA技術(shù)的主要用途是雷達(dá)系統(tǒng)。
AESA系統(tǒng)目前用于許多不同的軍事平臺，包括軍用飛機(jī)和無人機(jī)，以提供卓越的態(tài)勢感知。
ASEA技術(shù)的發(fā)展可以追溯到1960年代初，隨著無源電子掃描陣列（PESA）雷達(dá)的發(fā)展，這是一種固態(tài)系統(tǒng)，它從單個源獲取信號并使用移相器模塊選擇性地延遲信號的某些部分，同時允許其他部分無延遲地傳輸。以這種方式傳輸信號可以產(chǎn)生不同形狀的信號，有效地將信號束指向不同的方向。這稱為波束轉(zhuǎn)向。
第一個AESA系統(tǒng)是在1980年代開發(fā)的，與舊的PESA系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)勢。與使用一個發(fā)射器/接收器模塊的PESA不同，AESA使用許多發(fā)射器/接收器模塊，這些模塊與天線元件接口，可以產(chǎn)生多個不同頻率的同步雷達(dá)波束。
AESA 雷達(dá)系統(tǒng)如何工作
雷達(dá)系統(tǒng)通常通過將天線連接到強(qiáng)大的無線電發(fā)射器來發(fā)射短脈沖信號來工作。然后斷開發(fā)射器的連接，天線連接到敏感的接收器，該接收器放大來自目標(biāo)物體的任何回波。通過測量信號返回所需的時間，雷達(dá)接收器可以確定到物體的距離。然后接收器將結(jié)果輸出發(fā)送到某種顯示器。發(fā)射器元件通常是速調(diào)管或磁控管，適用于放大或產(chǎn)生窄范圍的頻率到高功率水平。要掃描天空的一部分，必須物理移動雷達(dá)天線以指向不同的方向。
從1960年代開始，引入了能夠以受控方式延遲發(fā)射器信號的新型固態(tài)設(shè)備。這導(dǎo)致了第一個實用的大型無源電子掃描陣列（PESA），或簡稱相控陣?yán)走_(dá)。PESA從單個來源獲取信號，將其分成數(shù)百條路徑，選擇性地延遲其中一些路徑，并將它們發(fā)送到單獨的天線。來自單獨天線的無線電信號在空間中重疊，并且控制各個信號之間的干擾模式以在某些方向上增強(qiáng)信號，并在所有其他方向上使其靜音。延遲可以很容易地通過電子方式控制，允許在不移動天線的情況下非常快速地控制波束。PESA可以比傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)更快地掃描大量空間。此外，由于電子技術(shù)的進(jìn)步，PESA增加了產(chǎn)生多個主動波束的能力，使它們能夠繼續(xù)掃描天空，同時將較小的波束聚焦在某些目標(biāo)上，以跟蹤或引導(dǎo)半主動雷達(dá)尋的導(dǎo)彈。PESA在1960年代迅速在船舶和大型固定炮臺上普及，隨后隨著電子設(shè)備的縮小，機(jī)載傳感器也隨之而來。
AESA是固態(tài)電子進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果。在早期的系統(tǒng)中，傳輸?shù)男盘栕畛跏窃谒僬{(diào)管或行波管或類似設(shè)備中產(chǎn)生的，這些設(shè)備相對較大。接收器電子設(shè)備也很大，因為它們使用的頻率很高。在1980年代引入砷化鎵微電子學(xué)極大地減小了接收器元件的尺寸，直到有效的接收器可以以類似于手持無線電的尺寸建造，體積只有幾立方厘米。JFET和MESFET的引入也對系統(tǒng)的發(fā)射器側(cè)產(chǎn)生了同樣的影響。它產(chǎn)生了帶有低功率固態(tài)波形發(fā)生器的放大器發(fā)射器，為放大器供電，允許任何配備如此裝備的雷達(dá)在更寬的頻率范圍內(nèi)傳輸，直到隨著每個脈沖發(fā)出的改變工作頻率。將整個組件（發(fā)射器、接收器和天線）縮小成一個大約一盒牛奶大小的“發(fā)射器-接收器模塊”（TRM），并將這些元件排列起來，從而產(chǎn)生AESA。
與PESA相比，AESA的主要優(yōu)勢是不同模塊能夠在不同的頻率上運行。與PESA不同，PESA中的信號由少量發(fā)射器以單個頻率生成，而在AESA中，每個模塊都會產(chǎn)生并輻射自己的獨立信號。這使得AESA能夠同時產(chǎn)生許多“子波束”，由于不同的頻率，它可以識別這些子波束，并主動跟蹤更多的目標(biāo)。AESA還可以同時產(chǎn)生由許多不同頻率組成的波束，使用來自多個TRM的組合信號的后處理來重新創(chuàng)建顯示，就好像發(fā)送了單個強(qiáng)大的波束一樣。但是，這意味著每個頻率中存在的噪聲也會被接收和添加。
AESA的優(yōu)勢
1. 抗電子干擾 -AESA系統(tǒng)的主要優(yōu)點之一對電子干擾技術(shù)的高度抵抗力。?雷達(dá)干擾通常是通過確定敵方雷達(dá)廣播的頻率，然后以相同頻率發(fā)射信號以混淆它來完成的。隨著時間的推移，工程師們開發(fā)了一種通過設(shè)計雷達(dá)系統(tǒng)來抵消這種形式的干擾的方法，該系統(tǒng)可以隨著每個脈沖改變其頻率。但隨著雷達(dá)的進(jìn)步，干擾技術(shù)也在進(jìn)步。除了改變頻率外，AESA系統(tǒng)還可以在寬帶上分配頻率，甚至在單個脈沖內(nèi)，這種雷達(dá)技術(shù)稱為“啁啾”。這種特性的組合使得干擾AESA系統(tǒng)比其他形式的雷達(dá)要困難得多。
2. 低攔截 -AESA 系統(tǒng)被敵方雷達(dá)警告接收器 （RWR） 攔截的可能性也很低。RWR允許飛機(jī)或車輛確定來自外部來源的雷達(dá)波束何時擊中它。在這樣做的過程中，它還可以確定光束的原點，從而確定敵人的位置。AESA 系統(tǒng)在克服 RWR 方面非常有效。由于上面提到的“啁啾”頻率變化如此之快，并且完全是隨機(jī)的序列，因此RWR很難判斷AESA雷達(dá)波束實際上是否是雷達(dá)信號，或者只是世界各地發(fā)現(xiàn)的環(huán)境“白噪聲”無線電信號的一部分。
3. 提高可靠性 -使用 AESA 系統(tǒng)的另一個好處是每個模塊獨立運行，因此單個模塊中的故障不會對整體系統(tǒng)性能產(chǎn)生任何重大影響。AESA 技術(shù)也可用于創(chuàng)建飛機(jī)和其他裝備系統(tǒng)之間的高帶寬數(shù)據(jù)鏈路。
4. 多模式功能 -?該雷達(dá)技術(shù)還支持多種模式，使系統(tǒng)能夠承擔(dān)各種任務(wù)，包括：
實波束映射
合成孔徑雷達(dá) （SAR） 測繪
海面搜索
地面移動目標(biāo)指示和跟蹤
空對空搜索和跟蹤
AESA 雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)
與大多數(shù)技術(shù)一樣，制造商在AESA雷達(dá)技術(shù)的開發(fā)過程中面臨著一些挑戰(zhàn)。最常見的挑戰(zhàn)包括電源、冷卻、重量和價格。
幸運的是，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，已經(jīng)取得了進(jìn)步（并且還在繼續(xù)進(jìn)步）。例如，這些雷達(dá)的重量在過去幾年中減少了一半以上，同時尺寸也減小了。這使得AESA可以安裝在飛機(jī)機(jī)頭以外的區(qū)域。雷達(dá)將能夠朝多個方向定向，并提供更廣闊的視野。
AESA雷達(dá)及其未來
正如Breifly所提到的，隨著AESA技術(shù)的進(jìn)步，它已經(jīng)變得更小，更實惠。這使得許多國家能夠?qū)ESA納入地面、海上和空中的遺留系統(tǒng)中。
認(rèn)知雷達(dá)：AESA技術(shù)的發(fā)展與信號處理的改進(jìn)齊頭并進(jìn)。這反映了非軍事領(lǐng)域的電子創(chuàng)新;由于軟件的改進(jìn)，您的手機(jī)今天可以執(zhí)行比十年前更多的任務(wù)。軟件創(chuàng)新以驚人的速度移動將對雷達(dá)領(lǐng)域產(chǎn)生影響，特別是在人工智能（AI）領(lǐng)域。關(guān)鍵是機(jī)器能夠從其近期和遙遠(yuǎn)的過去的操作中吸取教訓(xùn)，并將其應(yīng)用于當(dāng)前環(huán)境。所謂的“認(rèn)知雷達(dá)”可以適應(yīng)人工智能的元素。
氮化鎵后：隨著氮化鎵（GaN）的出現(xiàn)，在AESA領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，氮化鎵是一種非常堅硬的半導(dǎo)體，越來越多地用于TR模塊結(jié)構(gòu)。它高度耐熱，因此能夠處理高功率傳輸，與使用砷化鎵 （AsGa） 的傳統(tǒng) AESA T/R 模塊相比，它提高了雷達(dá)性能。下一個神奇的材料要么滿足使當(dāng)前基于技術(shù)的系統(tǒng)“不足”的要求，要么大大降低制造成本，從而為行業(yè)投資創(chuàng)造了“節(jié)省開支”的理由。
小型化：摩爾定律假設(shè)單個芯片上的晶體管數(shù)量每兩年翻一番。這使得電子產(chǎn)品可以在占用更少空間的同時做更多的事情，這也是今天的手機(jī)不再類似于 1980 年代的盒子狀結(jié)構(gòu)的原因。摩爾定律幫助雷達(dá)工程師將執(zhí)行雷達(dá)功能的電子設(shè)備塞進(jìn)各個 TR 模塊上。小型化的驅(qū)動力將繼續(xù)在雷達(dá)設(shè)計中，認(rèn)為電子產(chǎn)品正在進(jìn)入納米技術(shù)領(lǐng)域。這可能提供了將電子設(shè)備安裝到不斷縮小的空間中的能力，并有助于進(jìn)一步減少雷達(dá)的物理足跡。例如，AN/SPY-1雷達(dá)的總重量為65，733kg：在雷達(dá)設(shè)計中智能使用納米技術(shù)可以幫助顯著減小尺寸和重量，不僅適用于軍艦，也適用于整個平臺。
成本：資金是國防采購中一個長期存在的問題：設(shè)備似乎很少變得更便宜，國防預(yù)算總是面臨壓力。需要關(guān)注制造成本和AESA雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)性能。客戶總是在詢問他們聽說過的最新技術(shù)，實際上他們真正想要的是現(xiàn)成的成熟產(chǎn)品，不需要開發(fā)。目標(biāo)是將這兩個屬性結(jié)合起來。這需要一個路線圖，提供定期的技術(shù)更新和支持這項投資的收入來源。
延長持續(xù)時間：2016年，雷神公司在美國陸軍協(xié)會的冬季貿(mào)易展上首次將其基于硝酸鎵（GaN）的AESA升級到愛國者空中和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，成為國防科技界的頭條新聞。自首次亮相以來，該系統(tǒng)已成功完成1000個運行小時。通過將兩個面向相反方向的升級系統(tǒng)配對，它們可以覆蓋完整的 360 度范圍。
AESA 代表有源電子掃描陣列，而 PESA 代表無源電子掃描陣列。
PESA雷達(dá)
PESA雷達(dá)使用通用的共享射頻源，其中信號使用以下命令進(jìn)行修改 數(shù)控移相器模塊。
以下是PESA雷達(dá)的特點。
? 如圖-1所示，它使用單個發(fā)射器/接收器模塊。
? PESA雷達(dá)產(chǎn)生無線電波束，可以電子控制 在不同的方向。
? 這里的天線元件與單個發(fā)射器/接收器接口。這里的PESA與AESA不同，AESA使用單獨的發(fā)送/接收模塊 每個天線元件。所有這些都由計算機(jī)控制，如下所述。
? 由于使用頻率單一，極有可能 被敵方射頻干擾器干擾。
?掃描速度慢，只能跟蹤單個目標(biāo)或 一次處理單個任務(wù)。
AESA 雷達(dá)
如前所述，AESA使用電子控制陣列天線 其中無線電波束可以電子控制以指向 在不同方向上相同，無需移動天線。它被認(rèn)為是PESA雷達(dá)的高級版本。
AESA 使用許多單獨的小型發(fā)送/接收 （TRx） 模塊。
以下是AESA雷達(dá)的特點。
? 如圖-2所示，它使用多個發(fā)射器/接收器模塊。
? 多個發(fā)射/接收模塊與多個天線接口 稱為陣列天線的元件。
? AESA雷達(dá)同時產(chǎn)生不同無線電頻率的多個波束。
? 由于具有在寬范圍內(nèi)產(chǎn)生多個頻率的能力 范圍，它被敵方射頻干擾器干擾的可能性最小。
?它具有快速的掃描速率，可以跟蹤多個目標(biāo)或多個任務(wù)。
有關(guān)更多信息，請參閱 AESA 雷達(dá)框圖。
以下是現(xiàn)代PESA和AESA雷達(dá)類型之間的相似之處。
? 現(xiàn)代PESA和AESA通常都是脈沖雷達(dá)。
? 現(xiàn)代PESA和AESA都是頻率捷變和頻率跳躍的 在不同時間的不同頻率。
?兩者都可以有窄帶和寬帶模式。
? 兩者都可用于ECM，被動掃描，波束成形等。
AESA代表有源電子掃描陣列。使用這種天線的雷達(dá)被稱為AESA雷達(dá)。它也被稱為有源相控陣?yán)走_(dá)（APAR）。它由單獨的輻射元件（即天線）組成。這些天線中的每一個都配備了具有低噪聲接收器的固態(tài)發(fā)射/接收模塊， 功率放大器和數(shù)字控制增益/相位元件。
AESA 雷達(dá)工作操作
該圖描繪了AESA雷達(dá)框圖。這種類型的雷達(dá)也包含模擬波束成形 作為數(shù)字波束成形元件。天線元件陣列用于AESA雷達(dá)。
這里控制輸入信號的相位和幅度 在應(yīng)用于單個天線元件之前。因此，波束可以在方位角和仰角方向上轉(zhuǎn)向。因此，輻射圖的主瓣被射入 具有關(guān)注方向性的理想方向。
AESA雷達(dá)中使用的相控陣天線將旋轉(zhuǎn)其輻射 與機(jī)械轉(zhuǎn)向雷達(dá)類型不同，無延遲模式。發(fā)射/接收增益和定時波形的數(shù)字控制有助于 在波束轉(zhuǎn)向中。
波束的寬度取決于天線陣列中的元件數(shù)量。當(dāng)光束變?yōu)?清晰。
現(xiàn)在的AESA雷達(dá)是使用數(shù)千個單獨的元件制造的 它們是電互連的。這為我們提供了復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)，具有更好的性能，更小的尺寸和更少的 重量。
AESA 雷達(dá)的好處或優(yōu)勢
以下是AESA雷達(dá)的優(yōu)點或優(yōu)勢。
? 無延遲地旋轉(zhuǎn)圖案。
? 實現(xiàn)低旁瓣。
? 與其他雷達(dá)類型相比，天線雷達(dá)特征顯著降低。
? 與其他雷達(dá)系統(tǒng)相比，AESA雷達(dá)系統(tǒng)更可靠。
? 不需要大型高壓電源，因為所有單獨的電源 模塊以大約 40 或 60 瓦的低功率運行。
編輯：黃飛
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