從近代戰(zhàn)爭(zhēng)來(lái)看,雷達(dá)是空戰(zhàn)、陸戰(zhàn)和海戰(zhàn)中極為重要的作戰(zhàn)“軟”武器,在幾十年的發(fā)展歷程中,始終存在著雷達(dá)與反雷達(dá)的斗爭(zhēng)。雷達(dá)系有源探測(cè)技術(shù),又稱無(wú)線電定位儀,它是利用電磁波來(lái)探測(cè)目標(biāo)的距離、方位及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。

世界上第一臺(tái)雷達(dá)誕生于20世紀(jì)30年代末期;然后一直到60年代,常規(guī)雷達(dá)由于二戰(zhàn)的刺激以及60年代新革命浪潮的推動(dòng)而飛速發(fā)展。其中,60年代初引入移相器和陣列天線而發(fā)展出相控陣?yán)走_(dá),解決了常規(guī)雷達(dá)由于機(jī)械掃描和天線慣性造成的掃描速度緩慢以及精度低、可靠性不高等問(wèn)題,頓時(shí)成為國(guó)際研究熱點(diǎn),目前美、日、英、法、俄等各的軍事裝備中已廣泛應(yīng)用;但是由于其波束出射角受到微波頻率的影響而造成波束偏斜的現(xiàn)象,無(wú)法滿足寬帶寬的要求。1985年,美國(guó)GardoneLeo最早提出了光學(xué)真延時(shí)相控陣?yán)走_(dá)的思想[1],真延時(shí)技術(shù)可以很好地解決寬帶寬的問(wèn)題,并且將光電子技術(shù)引入相控陣?yán)走_(dá)還解決了電纜饋電帶來(lái)的尺寸和重量的限制以及導(dǎo)電電纜干擾發(fā)射單元輻射方向的問(wèn)題、提高雷達(dá)性能、降低成本等;到90年代中后期隨著光電技術(shù)的日益成熟,相控陣?yán)走_(dá)中的光學(xué)真延時(shí)技術(shù)得到了快速發(fā)展。

1　相控陣?yán)走_(dá)

雷達(dá)在搜索目標(biāo)時(shí),需要不斷改變波束的方向。改變波束方向的傳統(tǒng)方法是轉(zhuǎn)動(dòng)天線,使波束掃過(guò)一定的空域、地面或海面,稱為機(jī)械掃描。利用機(jī)械掃描方式工作的雷達(dá)即常規(guī)雷達(dá),由于天線的慣性,掃描速度緩慢、精度低、可靠性不高。現(xiàn)代通信和軍事技術(shù)的發(fā)展對(duì)雷達(dá)和天線提出了越來(lái)越高的要求,傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需要;隨著60年代初移相器和相位-相位掃描體制的發(fā)展,相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生。

相控陣即“相位控制陣列天線”,由許多輻射單元排列而成,輻射單元少的有幾百,多的則可達(dá)幾千、甚至上萬(wàn),其天線排列可以是線陣、平面陣、共形陣,相控陣?yán)走_(dá)因其天線為相控陣型而得名。相控陣?yán)走_(dá)是一種新型的有源電掃描陣列多功能雷達(dá),每個(gè)陣元(或一組陣元)后面接有一個(gè)可控移相器,其掃描原理是利用控制這些移相器相移量的方法來(lái)改變各陣元間的相對(duì)饋電相位,從而改變天線陣面上電磁波的相位分布,使得波束在空間按一定規(guī)律掃描[2]。如圖2相控陣原理圖所示:

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圖1　相控陣一般發(fā)射單元原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

傳統(tǒng)相控陣天線實(shí)施電掃描的關(guān)鍵器件之一是移相器。對(duì)移相器的要求是有足夠的移相精度、性能穩(wěn)定、插入損耗小,用于發(fā)射陣時(shí)有足夠的功率容量,頻帶足夠?qū)挕㈤_(kāi)關(guān)時(shí)間短、易于控制等。其種類(lèi)很多,按材料分有PIN二極管移相器、鐵氧體移相器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管移相器、鐵電陶瓷移相器以及分子極化控制移相器等;按傳輸形式分有波導(dǎo)移相器、同軸線移相器、集中參數(shù)移相器以及分布參數(shù)移相器等;按功率電平分有高功率和低功率移相器;按工作方式分有模擬式、數(shù)字式以及模擬2數(shù)字控制式移相器等。與機(jī)械掃描天線系統(tǒng)相比,相控陣?yán)走_(dá)有許多顯著的優(yōu)點(diǎn):適用于多目標(biāo)、多方向、多層次空襲的作戰(zhàn)環(huán)境,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)掃描、跟蹤、搜索等等多種功能,反應(yīng)時(shí)間短、數(shù)據(jù)率高,抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等。如圖2所示的是設(shè)在美國(guó)CapeCod、每個(gè)陣元呈金字塔形的相控陣?yán)走_(dá)[3]。它有兩個(gè)平面陣列,每個(gè)天線陣列可作扇形的微波束掃描。它能探測(cè)到3000海里范圍內(nèi)10平方米大小的物體,掃描迅速,能同時(shí)跟蹤很多個(gè)物體。在相控陣天線中,對(duì)于單色或窄帶的微波信號(hào),其發(fā)射方向由下式?jīng)Q定:

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圖2 　相控陣?yán)走_(dá)天線

其中y表示發(fā)射單元的位置,Ψ是此發(fā)射單元信號(hào)的相位,f為微波頻率。可以看出,為了獲得固定的出射角度θ0,Ψ必須與f成正比[4]。在窄帶微波信號(hào)中這是沒(méi)有問(wèn)題的;但是在寬帶信號(hào)中,對(duì)某個(gè)固定的發(fā)射單元來(lái)說(shuō),其發(fā)射信號(hào)的相移是不變的,而不同頻率的信號(hào)將會(huì)得到不同的發(fā)射角度,從而沿不同的方向輻射,造成波束傾斜,這是我們不愿意看到的結(jié)果。

然而當(dāng)今國(guó)際形勢(shì)的新發(fā)展、新格局以及各國(guó)軍事技術(shù)力量的提高,都迫切需要提高雷達(dá)性能:為了提高抗干擾能力,相控陣?yán)走_(dá)必須具有盡可能大的帶寬;為了提高雷達(dá)的分辨率、識(shí)別能力和解決多目標(biāo)成像問(wèn)題,相控陣?yán)走_(dá)必須具有大的瞬時(shí)帶寬;為了對(duì)抗反輻射導(dǎo)彈的威脅,也要求采用大瞬時(shí)帶寬的擴(kuò)頻信號(hào)。但是由于傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)的波束指向隨頻率的變化而偏移,不能滿足寬帶寬的要求。

2　光控相控陣?yán)走_(dá)的光學(xué)真延時(shí)技術(shù)

將光學(xué)技術(shù)引入的光學(xué)真延時(shí)相控陣?yán)走_(dá)便能夠解決上述問(wèn)題,滿足寬帶寬的要求。由于相移是正比于頻率的,頻率不同相移也不同,二者的關(guān)系可以表示為

可以看出,由于相移正比于頻率,在各個(gè)單元間用延時(shí)來(lái)取代相移,每個(gè)頻率分量都將在同一方向射出,這種方法就稱為真延時(shí)(TTD)[4]。采用這種方法,能更好地應(yīng)用于寬帶信號(hào)處理中,因此TTD是高性能雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)偏斜寬瞬時(shí)帶寬工作的關(guān)鍵。

光控相控陣?yán)走_(dá)的基本工作過(guò)程是:來(lái)自在雷達(dá)頻率下工作的微波發(fā)生器的信號(hào)與來(lái)自激光器的光信號(hào)經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器得到調(diào)制光信號(hào),此調(diào)制信號(hào)被分配到一個(gè)信道陣列;陣列中的每條天線通道分配到一個(gè)調(diào)制光信號(hào),每個(gè)調(diào)制光信號(hào)在輸出到天線發(fā)射單元之前被延時(shí)、解調(diào)和放大(各調(diào)制光信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的延時(shí)單元得到各不相同的延時(shí),調(diào)制光信號(hào)之間產(chǎn)生延時(shí)差;那么再經(jīng)過(guò)探測(cè)得到的不同信道的微波信號(hào)之間就產(chǎn)生不同的相移)。如圖4所示為光控相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射單元的基本結(jié)構(gòu)圖。

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圖3 　光控相控陣?yán)走_(dá)的基本結(jié)構(gòu)圖

將光學(xué)技術(shù)引入到相控陣天線中帶來(lái)了很多優(yōu)點(diǎn):以光纖作為傳輸介質(zhì)重量輕、尺寸小、靈活性好、抗電磁干擾(EMI)和電磁脈沖(EMP)能力強(qiáng)、損耗小;解決了電纜饋電帶來(lái)的尺寸和重量的限制以及導(dǎo)電電纜干擾發(fā)射單元輻射方向等問(wèn)題;提高了雷達(dá)性能,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),降低成本;并且由于其控向角與微波頻率無(wú)關(guān)而消除了天線方向性斜偏,非常適用于寬帶雷達(dá)。目前主要可以通過(guò)以下幾種方法實(shí)現(xiàn)光學(xué)真延時(shí):

(1)光纖延時(shí)線[5]:其結(jié)構(gòu)是采用光纖作為延時(shí)線,選用數(shù)根不同長(zhǎng)度的光纖,把它們連到光開(kāi)關(guān)或MEMS上,在使用時(shí)根據(jù)要求利用開(kāi)關(guān)選擇合適長(zhǎng)度的光纖,從而得到不同的延時(shí)。此外,也可以將光纖繞在壓電晶柱上,通過(guò)改變電壓的大小來(lái)控制光纖長(zhǎng)度的變化,從而得到不同的延時(shí)。目前常用的光纖延時(shí)線有普通光纖延時(shí)線[6]和色散光纖延時(shí)線[7]。光纖延時(shí)線具有時(shí)間帶寬積大、被延時(shí)的信號(hào)頻率高、線性好、損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是延時(shí)難以調(diào)節(jié)。

(2)自由空間段光學(xué)延時(shí)[8]:其原理與光纖延時(shí)線的情況相同,只是用不同長(zhǎng)度的自由空間段來(lái)取代光纖。調(diào)節(jié)自由空間段的長(zhǎng)度就可以得到不同的延時(shí),從而產(chǎn)生相移實(shí)現(xiàn)波束掃描。其缺點(diǎn)是元件多裝置復(fù)雜。

(3)聲光技術(shù)延時(shí)[9]:其實(shí)質(zhì)是通過(guò)一個(gè)空間光調(diào)制器改變光程,用光學(xué)外差的方法將光信號(hào)的相位延遲轉(zhuǎn)移到微波信號(hào)中,從而實(shí)現(xiàn)延遲。但是此方法由于是自由空間傳播易受干擾,機(jī)械調(diào)制反射鏡使得調(diào)節(jié)精度較低。

(4)平面波導(dǎo)技術(shù)光學(xué)延時(shí)[10]:利用波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)延時(shí)其實(shí)質(zhì)就是當(dāng)光在波導(dǎo)中傳播時(shí),通過(guò)選取不同的光程來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)。這項(xiàng)技術(shù)需要很高的波導(dǎo)制作工藝水平。

(5)光纖光柵光學(xué)延時(shí):利用短周期光纖光柵的反射特性得到不同的延時(shí)。光纖光柵憑借其優(yōu)良的選頻特性及可調(diào)諧特性在在各種光學(xué)真延時(shí)方法中占據(jù)著重要的地位。通常可以采用光纖布拉格光柵[11]和啁啾光柵[12]。優(yōu)點(diǎn)是成本低且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活。其難點(diǎn)技術(shù)是光柵在光纖中的位置的精確控制以及各種不同啁啾率的光纖光柵的制作。
從上個(gè)世紀(jì)80年代到90年代中期,國(guó)際上光控相控陣研究的主要方向是采用光纖延時(shí)線以及聲光技術(shù)、波導(dǎo)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí):1990年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室采用基于聲光技術(shù)的光學(xué)外差方法實(shí)現(xiàn)了真延時(shí),并且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化[13];1991年,休斯實(shí)驗(yàn)室提出了一種采用激光二極管作為開(kāi)關(guān)切換光纖延時(shí)線的結(jié)構(gòu),可以工作于L波段和X波段[6];1995年加州大學(xué)的DennisT.K.Tong等人提出了波分復(fù)用技術(shù)與多波長(zhǎng)激光器相結(jié)合的辦法,采用色散光纖作為延時(shí)線[14]。同年,加利福尼亞大學(xué)的研究人員提出了基于液晶空間光調(diào)制器的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò),在X波段角精度可達(dá)1.4°[8]。1994年前后,美國(guó)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究,證實(shí)了采用光纖光柵光學(xué)延時(shí)的的可行性[15]。

現(xiàn)今光控相控陣領(lǐng)域的研究依然活躍,美國(guó)、英國(guó)、加拿大、西班牙、法國(guó)、日本、韓國(guó)、新加坡、印度、俄羅斯等等國(guó)家都投入了大量的人力、物力進(jìn)行相控陣?yán)走_(dá)尤其是光控相控陣?yán)走_(dá)的研究,無(wú)論對(duì)已有技術(shù)的改進(jìn)還是對(duì)新技術(shù)的探索都有了新的發(fā)展。目前采用集成光學(xué)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)光控相控陣?yán)走_(dá)的方案已經(jīng)被提出來(lái)[16],由于其集成度高、體積小、性能好等優(yōu)點(diǎn)更加適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)載、艦載雷達(dá)的要求,可以預(yù)見(jiàn)集成光學(xué)相控陣?yán)走_(dá)必將成為未來(lái)雷達(dá)研究的焦點(diǎn)!

3　結(jié)束語(yǔ)

總之,相控陣?yán)走_(dá)憑借其相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)得到了各國(guó)的青睞并快速發(fā)展,在有的國(guó)家已經(jīng)達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的水平;而光控相控陣?yán)走_(dá)的出現(xiàn)更加適應(yīng)了現(xiàn)代國(guó)際形勢(shì)發(fā)展的需要,解決了一些傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)所不能解決的問(wèn)題,可以預(yù)見(jiàn)不久的將來(lái)將會(huì)有大量的光控相控陣?yán)走_(dá)正式登上國(guó)際軍備競(jìng)爭(zhēng)的舞臺(tái)。