先进战机的“千里眼”

在军事新闻报道中，我们常常听到这样的描述：某型先进战斗机配备了采用氮化镓材料的有源相控阵雷达，具备强大的探测能力和优异的综合性能。什么是有源相控阵雷达？它为何被视为衡量战斗机先进水平的关键指标？本文为您一一解读。

^{法国“阵风”战斗机的RBE2-AA机载有源相控阵雷达。}

^{俄罗斯米格-35战斗机的Zhuk-AE机载有源相控阵雷达。}

^{美国F-35战斗机的AN/APG-81机载有源相控阵雷达。}

何为“相控阵”

现代空战的胜负，很大程度上取决于机载雷达的性能，而机载雷达的性能又首先取决于雷达体制。雷达体制是指雷达工作的技术方案，打个比方：就像汽车发动机，气缸越多、排量越大，动力越足。传统机械扫描雷达与相控阵雷达的不同，正是技术方案带来的差距。

传统机械扫描雷达依靠马达带动天线来回转动，雷达发射机产生的信号通过天线向外辐射，形成一个有限角度的探测扇面。为了覆盖更广阔的空域，天线必须不停地来回摆动，就像人要看清四周需要左右摇头一样。这种机械扫描方式虽然扩大了探测范围，但弊端也很明显：设备复杂、扫描速度慢，多目标监视能力弱，难以做到全域全时监视。面对高速目标或瞬息万变的战场，传统机械扫描雷达显得“力不从心”。

相控阵雷达的出现，从根本上解决了上述问题。“相控阵”三个字精准概括其技术原理：“阵”是指多个独立的天线有规则地排列组成的天线阵列，这些天线协同工作，具备大型天线功能；“相”是指雷达波的相位，即电磁波在一个周期中所处的位置。“控”是指通过计算机对每个单元发射或接收信号的相位、幅度进行精确调节。通过控制各单元之间的相位差，利用波的干涉原理，雷达可以在空间中合成特定方向的波束，并灵活调整波束指向。整个过程无需任何机械运动，因而被称为“电子扫描”。

相比机械扫描雷达，相控阵雷达的性能优势明显。首先是响应速度。电子扫描在微秒至毫秒内可完成波束指向变化，没有机械惯性，能够瞬间完成“视线转移”。其次是多目标处理能力。一部相控阵雷达可以同时形成多个独立波束，边扫描边跟踪，极大地提升了目标容量。再次是可靠性。由于取消了沉重的机械驱动系统，不仅减轻了重量、缩小了体积，也消除了机械磨损带来的故障隐患。可以说，相控阵雷达让战斗机告别过去“摇头晃脑”的工作方式，拥有“眼观八方”的本领。

有源与无源之别

根据每个天线单元是否具有收发组件（T/R组件），相控阵雷达分为无源相控阵雷达和有源相控阵雷达。两者外观相似，但内部结构和工作原理大为不同。

无源相控阵雷达只有一套发射机和一套中央接收机，阵列中的天线单元不产生电磁波，只负责将发射机送来的信号转发出去，或将接收到的信号传回接收机，这就是“无源”：天线自身不对外发射信号。这种结构的缺点很明显，一旦发射机或接收机损坏，整部雷达就会瘫痪；信号在传输过程中有损耗，限制了雷达的整体性能。

有源相控阵雷达则完全不同。它的每个天线单元都配备独立的收发组件，每个收发组件能独立发射和接收雷达信号，这就是“有源”的涵义——每个天线单元都是一个微型雷达。这种设计优势明显：

一是极高的系统可靠性。即便部分天线单元的收发组件损坏，其余天线单元仍能正常工作，整部雷达只是性能略有下降而不会彻底失效。这就像蜻蜓的复眼结构，即便损失少量小眼也不影响整体视力。

二是灵活高效。有源相控阵雷达可以根据任务需求，动态调配阵列中的不同天线单元。例如，让一部分天线单元执行警戒监视任务，另一部分休息，从而实现长时间持续工作；也可以集中调动多个天线单元同时对同一目标进行高精度探测，满足火控探测需求；还可以将大量能量汇聚到某一个方向，实施高功率电子攻击。这种“能量管理”能力是无源相控阵雷达不具备的。

三是更优的探测性能。由于收发组件靠近天线单元，发射信号不必经过长距离传输，损耗低。另外，多个组件功率可叠加，使得总发射功率远超无源体制，这意味着更远的探测距离、更高的分辨率和更强的抗干扰能力。

氮化镓助力更强劲

相控阵雷达的核心是收发组件，而收发组件的性能，在很大程度上由制造它的半导体材料决定。最初一代相控阵雷达的收发组件采用以砷化镓材料制造，虽然有高频性能强等优势，但也存在功率受限，难以进一步提高探测距离等问题。新一代氮化镓材料的运用，极大地提升了相控阵雷达的功能上限。

通常，为了提高雷达的发射功率，需要为发射机施加更高的电场能量，很多材料在高电场环境下会被击穿，失去了绝缘能力，强大的电流还会把收发组件烧毁。氮化镓的核心优势是其击穿电场是传统材料的10倍，且耐高温高压，可在更苛刻的环境中稳定工作，实现更高的发射功率。同时，氮化镓具备电能转换损耗低的特性，相同功率下耗电量更少，能更好地满足战斗机长时间工作要求。此外，在相同功率下，氮化镓制造的收发组件体积仅为传统硅基器件的1/4，更适合作为机载设备。

先进的材料和先进的工作体制结合，使得有源相控阵雷达成为五代机的“千里眼”，也是四代机技术升级的首选方案，越来越成为各国技术竞争的焦点。

来源：中国国防报