從拋物面到相控陣：機載雷達天線發展簡史

隨著戰爭需求的變化和科技的進步，空戰的「黃金含量」越來越高。戰鬥機機載雷達的發展就是一個典型的例子。從外觀上看，雷達設備「演進」最直觀的部分就是天線的變化。下面我們簡單談談機載雷達天線的發展歷程。

機載雷達從早期簡單的空中搜索和測距功能發展到如今不僅具備大範圍搜索、追蹤和火控制導能力，還具備地面勘測測繪、合成孔徑雷達成像等多種功能。一般來說，機載雷達需要具備高增益（提高偵測距離）、窄波束（提高角度測量精度）和低旁瓣（抗干擾）等特性的天線。為了實現高增益和窄波束，最簡單的方法是使用定向天線，例如八木天線和拋物面（單反射器）天線。八木天線體積較大，而拋物面天線比八木天線更容易實現低旁瓣。因此，冷戰後早期的機載雷達普遍採用拋物面天線。

拋物面天線（單反射器天線）。這種天線採用較大的拋物面作為主反射面，並在主反射面正前方中心位置設定一個喇叭作為饋源（前饋）（喇叭也可以偏離中心位置，稱為偏置饋源）。其工作原理與光學中的拋物面鏡非常相似。當天線在輻射模式時，喇叭輻射的球面波照射到拋物面上，拋物面將入射的球面波轉換為平面波，使其輻射到自由空間。當天線工作在接收模式時，主反射面會聚集在自由空間中傳播的平面波（即球面波），並將其「返回」到饋源。這種天線在X波段及以下頻段加工難度不高，結構簡單，成本低廉。然而，其缺點也很明顯。通常情況下，拋物面天線在焦距比（喇叭口到反射面的距離與主反射面尺寸之比）較高時容易獲得高性能，但此時天線的整體高度和體積也較大。尤其當天線整體旋轉掃描時，會佔用機頭的大量空間，因此其掃描角度也相對受限。為了解決這些難題，一種名為「卡塞格林式」的雙反射面天線應運而生。

拋物面天線的基本組成與工作原理圖

拋物面天線的基本組成與工作原理圖

SL1雷達（仿製蘇聯РП-1/5型）的天線，配備於J-5A全天候型戰鬥機上。

卡塞格倫天線。這是一種在單反射器天線基礎上改進的天線。與單反射器天線相比，增加的副反射器可以初步優化揚聲器發射的電磁波，使其分佈更理想，並將其反射回主反射器。主反射鏡隨後將成形的球面波轉換為平面波，並將其輻射到自由空間。其優點在於可提高天線孔徑的效率，增加增益，大幅降低焦距比，減少天線的整體輪廓，進而縮小天線尺寸。由於接收器和饋線也位於主反射器表面，因此更有利於系統佈線佈局，並降低系統雜訊。然而，副反射鏡的引入也會帶來主反射器屏蔽效應增強的問題，進而降低天線的整體增益並增加旁瓣電平。

卡塞格倫天線的基本組成和工作原理

蘇-15截擊機的「鷹」雷達（РП-11）

蘇-15截擊機的「鷹」雷達（РП-11）

為了解決副反射鏡遮蔽問題，一種名為倒置卡塞格林天線的天線被提出並廣泛應用於機載雷達。倒置卡塞格林天線，又稱為變形卡塞格林天線，是在卡塞格林天線的基礎上，將副反射器的位置改為極化柵格拋物面，主反射面的位置改為極化扭曲板。 （實際上，倒置卡塞格林天線的主反射面和副反射面的位置與普通卡塞格林天線明顯不同。）其工作原理與卡塞格林天線截然不同：位於極化扭曲板上的喇叭饋源發射水平線極化電磁波，這些電磁波幾乎完全被前方的極化柵格反射回來，將球面波轉換為平面波，然後照射到後方的極化扭曲板上，將水平極化波「扭曲」成垂直線極化電磁波，再從前方的極化柵格發射出去，輻射到自由空間。簡而言之，雖然倒置卡片式饋源發射的波束經過兩次反射，但它與普通卡塞格倫天線的不同之處在於，中間存在一個極化扭轉過程。位於天線前方的極化柵格僅阻擋水平極化的電磁波，對垂直線極化波幾乎沒有影響。順便一提，為了抑制地面雜波，機載雷達天線大多採用垂直線極化天線，並透過適當旋轉極化扭轉板來實現波束掃描。因此，倒置卡片式天線解決了次反射器遮蔽的問題，還可以略微偏移饋源和極化柵格的位置，進一步減少天線的整體尺寸。由於其獨特的優勢，倒置卡片式天線在第二代手機中非常流行。

翻轉卡片式天線的工作原理是：前方的水平條是極化柵格，後方以45度角佈置有極化扭曲片。

米格-21BIS戰鬥機所配備的藍寶石-21雷達採用的是倒置卡片式天線。請注意，此天線未安裝極化柵格。

「旋風」戰鬥機AI-24雷達系統中使用的倒置卡塞格林天線

米格-25「旋風」A型雷達使用的倒置卡片天線沒有安裝極化柵格。

蘇-27 n001 雷達使用的倒置卡片天線也值得注意，其極化柵格表面沒有安裝。

蘇-27戰鬥機n001雷達使用的倒置卡片天線。請注意，該天線已安裝完整，並帶有極化柵格。

上述天線的基本工作原理皆基於反射面的形式，差異在於單反射面或雙反射面、是否有極化扭曲等細節。透過控制揚聲器與主反射面的距離、調整照射錐度等，可以輕鬆實現高增益和低旁瓣，並在早期階段獲得令人滿意的性能。然而，雖然基於反射面形式的天線加工要求不高（X波段相對較好，但高頻段難度急遽增加），成本也尚可接受。但是，隨著機載雷達性能的提升，對天線部分也提出了新的要求，例如更大的掃描角度、更低的旁瓣以及實現波束整形等。翻轉式天線的固有缺陷包括：始終存在能量洩漏（導致孔徑效率降低和增益損失）、掃描過程中嚴重的波束畸變（主瓣​​增益降低、主波束變寬、旁瓣增大），以及天線重量過重等問題。因此，人們普遍認為，當時旨在奪取制空權的第三代戰機——米格-29和蘇-27——早期使用的倒置卡塞格倫天線顯得有些落後。

我們知道，為了滿足機載雷達對高增益、窄波束和低旁瓣的要求，早期由於拋物面天線結構簡單而被廣泛應用。還有一種結構稍微複雜但效能更優的天線，那就是平面陣列天線。平面陣列天線是一種典型的陣列天線，它將數十個、數百個甚至數千個小型單元天線按照一定的規則和間距均勻地排列在陣列表面上。單一單元天線可能波束很寬、增益很低，但依靠天線陣列上眾多單元天線的協同工作，可以實現極高的增益、極窄的波束，甚至超低的旁瓣（之後還可以升級為平面相控陣）。因此，由於其優異的性能，平面陣列天線迅速取代了反射面天線，成為各種第三代、第三代改良型和第四代機載雷達系統的主流。如今，先進的機載雷達和相控陣雷達幾乎都採用了平面陣列天線。

常見的平面陣列天線包括波導（平板）縫隙陣列、開放式波導陣列、偶極子陣列、維瓦爾第天線陣列、微帶貼片天線陣列等。

波導縫隙陣列是一種常見的微波傳輸結構。它在波導表面開有狹縫（縫隙），使這些狹縫能夠作為天線輻射電磁波。這種結構具有饋電結構匹配性佳、功率容量大的優點。機載波導縫隙陣列看起來像是在一塊平板上切割出來的，因此有時也被稱為平面縫隙陣列。

E3所使用的APY1雷達採用波導縫隙天線陣列。

F15 的 APG63 雷達使用的平板縫隙陣列有一個從外圍突出的敵我識別元件天線（陣列）。

 F15 的 APG63 雷達使用的平板縫隙陣列有一個從外圍突出的敵我識別元件天線（陣列）。

F-16A/B戰鬥機APG66雷達所使用的平板縫隙陣列

與此類似的是開放式波導陣列天線。開放式波導也採用波導結構，但它並非採用開槽或縫隙，而是直接利用波導開口表面輻射電磁波。由於這種開放式波導的橫截面稍大且重量較重，因此更常見於陸基或艦載雷達，而很少用於機載雷達。

上述採用波導饋電和輻射的結構有利於天線匹配，其高功率容量是其顯著優勢。然而，天線頻寬通常受到限制，重量難以控制。因此，機載雷達系統逐漸採用了許多新型設計。

事實上，在冷戰後期，為了提高機載雷達的掃描速度和性能（例如同時進行搜索、追蹤、火控、導引、地面探測等），工程師們採用了相控陣天線，至今仍被視為先進技術。相控陣天線的外觀與普通平面陣列天線並無太大區別，甚至可以簡單地理解為在普通機器掃描平面陣列天線的基礎上改進饋電結構（後端收發器和訊號處理演算法當然會有很大不同）。透過在天線單元後端添加移相器，即可得到被動相控陣天線（PESA）。如果不需要移相器，只需增加收發器組件，即可取得主動相控陣天線（AESA）。對天線工程師而言，同一支天線陣列既可用於AESA，也可用於PESA。因此，平面陣列天線具有升級為相控陣天線的巨大潛力。

對於升級為AESA天線的雷達而言，它們具有更高的發射功率、更遠的探測距離、更靈敏的波束掃描和更強大的波束整形功能。此外，也更容易獲得-50或-60dB的平均旁瓣電平。

以F-22為例。這一代隱形戰鬥機的AESA雷達傾向於使用偶極子陣列（圖中所示為F-22的APG-77雷達所使用的傘狀偶極子陣列）。該雷達採用偶極子天線，具有寬頻特性，輻射方向圖寬廣，易於實現大角度掃描。

F-22的APG77雷達天線

前面突出的部分很容易被誤認為是收發器組件。嚴格來說，它實際上是天線的表面。收發器組件連接在天線的後面（雖然現在收發器組件通常與天線整合在一起，但這裡仍然單獨討論）。

全新「陣風」戰鬥機使用的RBE2 AESA雷達（如下圖所示）採用Vivaldi天線陣列。這種天線單元的特點是頻寬特別寬，因此可以擴展整個天線陣列的頻寬。

RBE2 主動電子掃描陣列

RBE2 主動電子掃描陣列

當然，有些雷達系統更為特殊。例如，下圖所示的E2D預警機所使用的APY9雷達，其單元天線採用八木天線。由於其使用的超高頻（UHF）頻段電磁波波長較長，天線尺寸受到很大限制。為了獲得更理想的窄波束和高增益，必須縮小其單元天線的波束，因此八木天線成為理想選擇。作為單元天線，高增益的八木天線可以顯著提高陣列的增益。但凡事皆有相對性。八木天線的窄波束大大限制了陣列的廣角掃描能力。當天線掃描角度偏離正常值較大時，增益下降和波形畸變將非常明顯。因此，APY9採用機電掃描相結合的方式來彌補這些不足。

E2D APY9雷達所使用的2×9單元八木天線線陣列

相控陣技術的發展將機載天線帶入了一個新的階段。

天線的發展是雷達整體技術發展的縮影。雖然我們不能只憑天線的外觀就斷定雷達的性能或衡量雷達的整體性能，但工程設計往往注重系統間的協調與平衡。如果雷達系統的整體性能先進，天線的性能就不能遜色。未來，工程師將繼續攻克相控陣天線大角度掃描（將目前的掃描範圍擴大到+60度）、超寬頻、共孔徑、共形等難題，以推動機載雷達系統的發展。

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