从抛物面到相控阵：机载雷达天线发展简史

随着战争需求的变化和科技的进步，空战的“黄金含量”越来越高。战斗机机载雷达的发展就是一个典型的例子。从外观上看，雷达设备“演进”最直观的部分就是天线的变化。下面我们简要谈谈机载雷达天线的发展历程。

机载雷达从早期简单的空中搜索和测距功能发展到如今不仅具备大范围搜索、跟踪和火控制导能力，还具备地面勘测测绘、合成孔径雷达成像等多种功能。一般来说，机载雷达需要具备高增益（提高探测距离）、窄波束（提高角度测量精度）和低旁瓣（抗干扰）等特性的天线。为了实现高增益和窄波束，最简单的方法是使用定向天线，例如八木天线和抛物面（单反射器）天线。八木天线体积较大，而抛物面天线比八木天线更容易实现低旁瓣。因此，冷战后早期的机载雷达普遍采用抛物面天线。

抛物面天线（单反射器天线）。这种天线采用较大的抛物面作为主反射面，并在主反射面正前方中心位置设置一个喇叭作为馈源（前馈）（喇叭也可以偏离中心位置，称为偏置馈源）。其工作原理与光学中的抛物面镜非常相似。当天线工作在辐射模式时，喇叭辐射的球面波照射到抛物面上，抛物面将入射的球面波转换为平面波，使其辐射到自由空间。当天线工作在接收模式时，主反射面会聚自由空间中传播的平面波（即球面波），并将其“返回”到馈源。这种天线在X波段及以下频段加工难度不高，结构简单，成本低廉。然而，其缺点也很明显。通常情况下，抛物面天线在焦距比（喇叭口到反射面的距离与主反射面尺寸之比）较高时容易获得高性能，但此时天线的整体高度和体积也较大。尤其当天线整体旋转扫描时，会占用机头的大量空间，因此其扫描角度也相对受限。为了解决这些难题，一种名为“卡塞格林式”的双反射面天线应运而生。

抛物面天线的基本组成和工作原理图

抛物面天线的基本组成和工作原理图

SL1雷达（仿制苏联РП-1/5型）的天线，配备于J-5A全天候型战斗机上。

卡塞格伦天线。这是一种在单反射器天线基础上改进的天线。与单反射器天线相比，增加的副反射器可以初步优化扬声器发射的电磁波，使其分布更加理想，并将其反射回主反射器。主反射器随后将成形的球面波转换为平面波，并将其辐射到自由空间。其优点在于可以提高天线孔径的效率，增加增益，大幅降低焦距比，减小天线的整体轮廓，从而缩小天线尺寸。由于接收器和馈线也位于主反射器表面，因此更有利于系统布线布局，并降低系统噪声。然而，副反射器的引入也会带来主反射器屏蔽效应增强的问题，这反过来会降低天线的整体增益并增加旁瓣电平。

卡塞格伦天线的基本组成和工作原理

苏-15截击机的“鹰”雷达（РП-11）

苏-15截击机的“鹰”雷达（РП-11）

为了解决副反射器遮挡问题，一种名为倒置卡塞格林天线的天线被提出并广泛应用于机载雷达。倒置卡塞格林天线，又称变形卡塞格林天线，是在卡塞格林天线的基础上，将副反射器的位置改为极化栅格抛物面，主反射面的位置改为极化扭曲板。（实际上，倒置卡塞格林天线的主反射面和副反射面的位置与普通卡塞格林天线明显不同。）其工作原理与卡塞格林天线截然不同：位于极化扭曲板上的喇叭馈源发射水平线极化电磁波，这些电磁波几乎完全被前方的极化栅格反射回来，将球面波转换为平面波，然后照射到后方的极化扭曲板上，将水平极化波“扭曲”成垂直线极化电磁波，再从前方的极化栅格发射出去，辐射到自由空间。简而言之，虽然倒置卡片式馈源发射的波束经过两次反射，但它与普通卡塞格伦天线的不同之处在于，中间存在一个极化扭转过程。位于天线前方的极化栅格仅阻挡水平极化的电磁波，对垂直线极化波几乎没有影响。顺便一提，为了抑制地面杂波，机载雷达天线大多采用垂直线极化天线，并通过适当旋转极化扭转板来实现波束扫描。因此，倒置卡片式天线解决了次反射器遮挡的问题，还可以略微偏移馈源和极化栅格的位置，进一步减小天线的整体尺寸。由于其独特的优势，倒置卡片式天线在第二代手机中非常流行。

翻转卡片式天线的工作原理是：前方的水平条是极化栅格，后方以45度角布置有极化扭曲片。

米格-21BIS战斗机所配备的蓝宝石-21雷达采用的是倒置卡片式天线。请注意，该天线未安装极化栅格。

“旋风”战斗机AI-24雷达系统中使用的倒置卡塞格林天线

米格-25“旋风”A型雷达使用的倒置卡片天线没有安装极化栅格。

苏-27 n001 雷达使用的倒置卡片天线也值得注意，其极化栅格表面没有安装。

苏-27战斗机n001雷达使用的倒置卡片天线。请注意，该天线已安装完整，并带有极化栅格。

上述天线的基本工作原理均基于反射面的形式，区别在于单反射面或双反射面、是否存在极化扭曲等细节。通过控制扬声器与主反射面的距离、调整照射锥度等，可以轻松实现高增益和低旁瓣，并在早期阶段获得令人满意的性能。然而，虽然基于反射面形式的天线加工要求不高（X波段相对较好，但高频段难度急剧增加），成本也尚可接受。但是，随着机载雷达性能的提升，对天线部分也提出了新的要求，例如更大的扫描角度、更低的旁瓣以及实现波束整形等。翻转式天线的固有缺陷包括：始终存在能量泄漏（导致孔径效率降低和增益损失）、扫描过程中严重的波束畸变（主瓣增益降低、主波束变宽、旁瓣增大），以及天线重量过重等问题。因此，人们普遍认为，当时旨在夺取制空权的第三代战机——米格-29和苏-27——早期使用的倒置卡塞格伦天线显得有些落后。

我们知道，为了满足机载雷达对高增益、窄波束和低旁瓣的要求，早期由于抛物面天线结构简单而被广泛应用。还有一种结构稍复杂但性能更优的天线，那就是平面阵列天线。平面阵列天线是一种典型的阵列天线，它将数十个、数百个甚至数千个小型单元天线按照一定的规则和间距均匀地排列在阵列表面上。单个单元天线可能波束很宽、增益很低，但依靠天线阵列上众多单元天线的协同工作，可以实现极高的增益、极窄的波束，甚至超低的旁瓣（之后还可以升级为平面相控阵）。因此，由于其优异的性能，平面阵列天线迅速取代了反射面天线，成为各种第三代、第三代改进型和第四代机载雷达系统的主流。如今，先进的机载雷达和相控阵雷达几乎都采用了平面阵列天线。

常见的平面阵列天线包括波导（平板）缝隙阵列、开放式波导阵列、偶极子阵列、维瓦尔第天线阵列、微带贴片天线阵列等。

波导缝隙阵列是一种常见的微波传输结构。它在波导表面开有狭缝（缝隙），使这些狭缝能够作为天线辐射电磁波。这种结构具有馈电结构匹配性好、功率容量大的优点。机载波导缝隙阵列看起来像是在一块平板上切割出来的，因此有时也被称为平面缝隙阵列。

E3使用的APY1雷达采用波导缝隙天线阵列。

F15 的 APG63 雷达使用的平板缝隙阵列有一个从外围突出的敌我识别元件天线（阵列）。

 F15 的 APG63 雷达使用的平板缝隙阵列有一个从外围突出的敌我识别元件天线（阵列）。

F-16A/B战斗机APG66雷达使用的平板缝隙阵列

与此类似的是开放式波导阵列天线。开放式波导也采用波导结构，但它并非采用开槽或缝隙，而是直接利用波导开口表面辐射电磁波。由于这种开放式波导的横截面稍大且重量较重，因此更常见于陆基或舰载雷达，而很少用于机载雷达。

上述采用波导馈电和辐射的结构有利于天线匹配，其大功率容量是其显著优势。然而，天线带宽通常受到限制，重量难以控制。因此，机载雷达系统逐渐采用了许多新型设计。

事实上，在冷战后期，为了提高机载雷达的扫描速度和性能（例如同时进行搜索、跟踪、火控、制导、地面探测等），工程师们采用了相控阵天线，至今仍被视为先进技术。相控阵天线的外观与普通平面阵列天线并无太大区别，甚至可以简单地理解为在普通机器扫描平面阵列天线的基础上改进馈电结构（后端收发器和信号处理算法当然会有很大不同）。通过在天线单元后端添加移相器，即可得到无源相控阵天线（PESA）。如果不需要移相器，只需添加收发器组件，即可得到有源相控阵天线（AESA）。对于天线工程师而言，同一天线阵列既可用于AESA，也可用于PESA。因此，平面阵列天线具有升级为相控阵天线的巨大潜力。

对于升级为AESA天线的雷达而言，它们具有更高的发射功率、更远的探测距离、更灵敏的波束扫描和更强大的波束整形功能。此外，也更容易获得-50或-60dB的平均旁瓣电平。

以F-22为例。这一代隐形战斗机的AESA雷达倾向于使用偶极子阵列（图中所示为F-22的APG-77雷达所使用的伞状偶极子阵列）。该雷达采用偶极子天线，具有宽带特性，辐射方向图宽广，易于实现大角度扫描。

F-22的APG77雷达天线

前面突出的那个部分很容易被误认为是收发器组件。严格来说，它实际上是天线的表面。收发器组件连接在天线的后面（虽然现在收发器组件通常与天线集成在一起，但这里仍然单独讨论）。

新型“阵风”战斗机使用的RBE2 AESA雷达（如下图所示）采用Vivaldi天线阵列。这种天线单元的特点是带宽特别宽，因此可以扩展整个天线阵列的带宽。

RBE2 有源电子扫描阵列

RBE2 有源电子扫描阵列

当然，有些雷达系统更为特殊。例如，下图所示的E2D预警机所使用的APY9雷达，其单元天线采用八木天线。由于其使用的超高频（UHF）频段电磁波波长较长，天线尺寸受到很大限制。为了获得更理想的窄波束和高增益，必须缩小其单元天线的波束，因此八木天线成为理想之选。作为单元天线，高增益的八木天线可以显著提高阵列的增益。但凡事皆有相对性。八木天线的窄波束极大地限制了阵列的广角扫描能力。当天线扫描角度偏离正常值较大时，增益下降和波形畸变将非常明显。因此，APY9采用机电扫描相结合的方式来弥补这些不足。

E2D APY9雷达使用的2×9单元八木天线线阵列

相控阵技术的发展将机载天线带入了一个新的阶段。

天线的发展是雷达整体技术发展的缩影。虽然我们不能仅凭天线的外观就断定雷达的性能或衡量雷达的整体性能，但工程设计往往注重系统间的协调与平衡。如果雷达系统的整体性能先进，天线的性能就不能逊色。未来，工程师们将继续攻克相控阵天线大角度扫描（将目前的扫描范围扩大到+60度）、超宽带、共孔径、共形等难题，以推动机载雷达系统的发展。

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