相控陣概述


──by captain Picard


 

傳統雷達的限制

在 介紹相控陣之前,先簡單地歸納出仰賴機械旋式旋轉以及拋物面天線技術的傳統式雷達的幾個重大基本限制:

1.波束角太寬、旁波瓣太大

傳統式的陸基與艦載雷達使用拋物面天線等未經任何相位合成的雷達天線,其波束角的大小(即雷達波束的集中程度)取決於天線的孔徑(即直徑)大小。波束角越小,意味著將雷達射頻能量集中在更小的面積上,雷達的偵測距離與解析度也越好。又,如果以維持相同波束角為條件,則波長越長的雷達,就需要比短波長雷達孔徑更大的天線。一般而言,雷達波強度隨距離的平方成反比。長距離艦基/陸基雷達為求增加搜索距離,都使用較大的波長以利於長距離傳遞;但天線的尺寸卻不可能無限制地增大,導致傳統式搜索雷達都有一個不小的波束角,加上波長越大解析度自然越低,解析度自然難以讓人滿意。例如 艦艇在搜索第二代掠海反艦飛彈這類低RCS的目標時,傳統長程搜索雷達即便在目標進入搜索範圍後,第一次掃瞄到目標時,往往因為訊號強度不足或干擾而沒有足夠的「證據」,只好先將資料放入暫存區,等天線下一回轉動到相同位置時,再比對暫存區中的目標是否依舊存在;故傳統雷達必須連續在同一方位上多次(通常是三次,例如美國 的SPS-48E)偵測到同一訊號,才會將之列為追蹤對象,浪費不少寶貴的反應時間。為了彌補這個弱點,這類長程搜索雷達只好將雷達旋轉速度降低(往往需要十秒鐘以上才能迴轉一圈),讓天線在同一個位置上停留更久,以接收更多的脈衝訊號,然而這樣又會使目標更新速率惡化。除了精確度的問題外,傳統雷達天線在輻射雷達波時,也會產生一系列周邊的旁波瓣 ;對於雷達而言,旁波瓣是有害而無益的損耗(因為主波瓣才有偵測效益),不僅浪費射頻能量,更因旁波瓣散射他處而大幅增加被敵方察覺與干擾的機率 。由於一般雷達採用週期掃瞄方式進行搜索,讓方位角很窄的雷達主波束依序完成空域掃瞄,因此對電子支援系統等信號接收裝備而言,雷達主波瓣經常是一閃即逝,而且每隔十數秒至數十秒才能收到一次,難以直接對其追蹤與鎖定;因此,這類雷達信號接收器主要是靠 著持續而穩定、朝四面八方輻射的旁波瓣來鎖定敵方雷達。所以一般而言,旁波瓣是最容易讓雷達「露餡」的頭號元兇。干擾方面,目前最主要的電子反制手法就是在對方雷達的旁波瓣中灌入強大信號,使雷達誤以為這是目標回波,如果進入旁波瓣的干擾強度高於主波瓣,雷達便失去偵測目標的能力 ,所以旁波瓣又是讓雷達被敵方干擾的最大罩門。

2.機械旋轉機構的限制

對於艦載或陸基雷達而言,傳統式雷達天線靠著旋轉來涵蓋所有方位;而如果要持續追蹤同一個目標的軌跡,就要等天線完成一個旋轉週期回到原先位置後,才能作目標資料的更新 。如同前述,長距離艦載/陸基搜索雷達由於天線尺寸重量較大,加上 必須在同一方為累積足夠的脈衝信號,因此轉速都不可能太快;例如,美製SPS-49艦載對空搜索雷達的旋轉週期是30秒/週,意味每分鐘只能實施兩次目標資料更新。又,如同前述,傳統式雷達需要對同一目標掃瞄三次左右,才能獲得足夠的資訊,進一步使問題惡化。此等更新速率在面對高速突進的目標時,將顯得力不從心;對於艦艇而言,這樣的更新速率很難有效應付各式新一代高速先進超音速反艦飛彈。至於用來描繪目標軌跡的艦載追蹤雷達則擁有較快的天線轉速(例如每秒轉一週)以及較短的波長,盡量縮短目標更新時間,但也使得天線較難持續接收同一目標傳回的訊號,偵測距離大幅縮短。因此,長距離偵測以及精確追蹤對傳統式雷達而言,是不可兼得的魚與熊掌。

戰鬥機上的射控雷達也有類似情況;傳統式戰機雷達天線也需要旋轉機構來改變天線方位,以掃瞄各個空域。戰機雷達往往也會提供自動鎖定模式,在此模式下,天線靠著伺服機械的帶動持續對準目標的方位。由於機械運動的速率有限 ,導致目標更新速率過慢,致使戰鬥機雷達在進行多目標精確追蹤等耗費較多資源的工作時,需將天線掃瞄範圍限制在左右各40度、上下各10度的範圍內,才能獲得可接受的目標更新速率。這種限制意味著戰機雷達專注於視距外多目標接戰時,能處理的空域範圍極為有限,也不可能同時兼顧空對空與空對地等不同需求。範圍過窄的另一問題就是:敵機很容易藉由急遽的運動(側轉、改變高度)或將機群散開,進而逃出戰機雷達的有效搜索範圍。 此外,許多天線具有自動鎖定模式,藉由機械伺服機構將天線持續對準目標;不過由於伺服機構動作速度有限,目標同樣也能藉由大範圍劇烈機動來擺脫雷達的鎖定。以冷戰時代美國長程攔截能力最優秀的F-14戰機而言,雖然號稱能同時以鳳凰飛彈攻擊6個目標,不過 前提是這六個目標必須在天線縱軸左右各40度以內。欲以傳統方式增加天線伺服機構的動作速度,例如使用低阻尼超高速雷達伺服馬達,可改進的幅度也十分有限,終究不是治本之道。

3.都卜勒慮波技術的限制

都卜勒技術是一種廣泛被雷達採用的慮波技術;藉由測量雷達回波的都卜勒頻移,訊號處理裝置就能將地形背景、海面波浪、天空中鳥群產生的低速率訊號濾除,只保留 相對速度較高的目標──也就是人為的飛機或飛彈;而艦載近迫武器系統(如早期的美製方陣系統)更是以都卜勒慮波器排除低速目標(包括水面快艇或慢速飛行器),專 挑高速來襲的反艦飛彈。不過正由於都卜勒慮波器的特性,使得敵機能以側轉等方式使雷達與目標的相對速度瞬間降低或歸零,於是就自動被都卜勒慮波器排除,造成目標流失 。在以往由於機械雷達天線更新速率有限以及後端計算軟硬體資源的限制(因為早期記憶體容量有限,不僅只能保存當次的目標回波資料,甚至當次的回波資料也無法完全儲存,而採取都卜勒濾波等手段來保留部分重點資料),這類現象難以避免。

在1991年波灣戰爭中,便有一架伊拉克Mig-25利用連續的側轉,一連使美國F-15戰機發射的好幾枚AIM-7麻雀半主動雷達導引空對空飛彈脫鎖,一路衝至目視纏鬥的距離,才被機動性較高的美軍F-15以機砲擊落 ;甚至據說有一架由老手駕駛的Mig-25精湛地以雷達脫鎖等機動逐步逼近並繞到美軍機隊後方,擊落了一架美國海軍F/A-18。為了應付這種戰術,某些雷達的操控軟體在發現目標準備進行脫鎖動作時,立即關閉都卜勒慮波器避免丟失目標,不過如此又會使問題回到原點。
 
解決之道: 相控陣

欲解決前述傳統機械動作雷達天線的幾個根本問題,基本原則就是「用天線元件直接改變雷達波束指向」,而不是「轉動天線」,因為電子元件的反應速度比機械伺服快得多 ;而這種不靠天線運動就能改變波束指向的雷達,一般稱為「電子掃瞄雷達」。現今電子掃瞄技術主要有兩種,第一是頻率掃瞄,第二是相位合成。 簡單地說,頻率掃瞄方式是透過發射機週期變換頻率的方式來改變頻掃天線的波束相位(註10),使波束在垂直軸向進行往復掃瞄,美國海軍的SPS-48就屬於這類雷達;由於仍需要機械式旋轉天線,加上波束只會規律地往復掃瞄(發射機不可能任意隨機變頻),因此頻率掃瞄雷達解決了單一雷達完成三維偵測的需求,無法根除傳統式雷達的先天弱點。

至於相位控制則是利用大量個別控制的小型天線元件排列成天線陣面,每個天線單元都由獨立的開關控制,藉由控制各天線元件發射的時間差,就能合成不同相位(指向)的主波束(請參照海更士原理) ,而且在兩個軸向上均可進行相位變化(視後端控制系統而定,某些相控陣只能在垂直軸向改變相位,水平軸向仍依賴機械旋轉); 與高中物理課本楊格雙狹縫實驗相若,相控陣各移相器發射的電磁波以建設性干涉原理強化並合成一個接近筆直的雷達主波瓣,而旁波瓣則由於破壞性干涉而大幅減低。 此種雷達的名稱為Phase Array Radar(PAR),台灣習慣翻譯成「相位陣列雷達」,中國大陸多半翻成「相控陣雷達」,以下便將此類雷達簡稱為相控陣;在相控陣天線上,每個可個別控制的小型天線元件稱為移相器(Phase Shifter)。相控陣雷達運作時,電腦將所需的波束指向送至雷達後端的波束控制單元,控制單元據此計算出每個移相器發射電磁波的時間並對移相器下達指令,使得各移相器發射的電磁波相互干涉而形成所需要的波束;同時,移相器也負責接收回波信號的相位,並將相位資訊傳送至後端電腦。

 現今主流的相控陣都採用平板式天線陣列,控制波束合成的機制最為簡單;然而當主波束在偏離天線軸心時,平板天線就會面臨等效孔徑(天線孔徑在波前方向的投影量)降低的問題,當波束偏離軸心一定程度之後就會明顯變寬 ,偵測距離、解析度、增益全部顯著降低,所以通常必須將波束掃瞄範圍限制在天線軸線左右各60度以內(共120度)。早期曾經出現區面甚至球面形式的相控陣,例如美國在1950年代末期開發的 颱風(Typhoon)艦載防空系統的SPG-59電子掃瞄雷達(見下文),概念上接近一種採用「球面陣列」的相控陣,一套天線就能在船艦四周整個半球進行掃瞄;然而SPS-59始終面臨耗電量大、技術複雜、成本過高、性能不穩定、可靠度低, 最後颱風系統與SPS-59在1963年11月被放棄。後來取代颱風系統的神盾(Aegis)系統,其SPY-1相控陣就採用比較簡單保守的平板陣列,並以四個陣面來函蓋船艦周遭四個方位的空域。

相控陣從根本上解決了前述傳統機械式雷達的許多先天問題。由於小型天線元件的開關切換都是在瞬間完成,意味著相控陣可在微秒內完成波束指向的改變,在極短的時間內就能將天線對應到的搜索空域掃瞄完畢, 掃瞄速率是機械式天線的數十甚至一百倍,因此在掃瞄範圍內都能維持很高的目標更新速率。由於相位的控制迅速而自由 ,因此可運用自動回饋機制,在雷達波束與可疑目標接觸後,便立刻控制波束回頭對該目標多送幾道波束 進行確認,之後才繼續掃瞄其他的方位;因此目標只要進入相控陣的偵測範圍,多半很快就可有效搜獲(除非雷達截面積太小),不像傳統式天線得等伺服機構下一次將天線對準同一方位 才能進一步累積資訊。此外,相位 陣列天線的單元可分成好幾組子天線,各自執行不同的工作。藉由天線分割運作,相控陣能對搜索範圍內的大量目標各分派一道波束(註一)進行個別監控 ,故以往用來對付搜索雷達的單機/多機脫鎖動作都將失去效果,因為飛得再快也比不過天線單元改變相位的速度,傳統機械伺服天線趕不上目標劇烈運動的情況遂被根治了。發現可疑目標後,相控陣便在極短時間內朝目標方位進行密集掃瞄,精確地追蹤目標航跡,所以能同時進行搜索與追蹤功能,不像傳統式旋轉雷達在這兩種功能上難以兼顧;而如果使用波長較短、精確度高的C或X波段,相控陣還能直接擔任武器射控的功能(不過由於短波長電磁波在大氣中耗損較快,故搜索距離會有所犧牲)。另一方面,這種由陣列元件組成的掃瞄天線也解決了傳統式天線波束角太大、解析度差的問題:在相同的孔徑與操作波長下,相控陣天線能獲得比傳統式天線更集中的波束(註二),因此能獲致 更高的精確度,而旁波瓣也遠低於傳統式天線(註三)。 又,由於相控陣波束能在三度空間內自由移動,綿密迅速的角度變化使其能輕易比對目標的角度與高度,反應速率與精確度遠勝過頻率掃瞄形式的三維雷達。

如同前述,戰鬥機經常以側轉動作瞬間使敵方雷達偵測到的都卜勒頻移歸零而造成脫鎖;然而對於相控陣而言,由於波束的目標更新速率極快,即便目標的都卜勒頻移減弱,也能藉由較快的掃描速率,在目標消失位置附近所有可能的回波依照軌跡連續性予以累積;而相位陣列雷達實用化其實就是意味著後端信號處理的速率與記憶體容量都比以往大幅成長,這 些使敵機用特定機動方式降低都卜勒頻移來擺脫鎖定的效果大幅減弱。雖然目標能藉由相對於雷達的橫向移動降低都卜勒頻移數值,但雷達回波仍然存在 ;受益於後端計算與儲存硬體技術的進步,現代化雷達都能保存當次掃描原始結果以及都卜勒濾波之後的結果進行比對,甚至可以保存前幾次的所有偵測資料,對這些不同時間的偵測資料進行其他種類的處理(例如卡爾曼濾波)或加入一些較為複雜的數學演算法( 由於處理器技術的進步,例如多核心平行處理的成熟,不同類型的資料處理與計算工作都可同時平行進行,並即時在雷達搜索過程中完成)。目標即使暫時採用側轉來降低都卜勒頻移,但最終多半仍會回到原始航路而重新產生較強的都卜勒回波,相控陣 之類的新型電子掃描雷達由於資料更新率高且後端處理速率快,累積多次偵測結果比對來維持對同一目標的追蹤(一些新型的雷達後端計算處理單元能同時處理雷達資訊以及合成孔徑計算,同時偵測空中與地形回波中的目標),因此目標光想靠短時間橫向機動擺脫雷達追縱的難度將越來越高。 例如法國配備被動相位陣列雷達的飆風戰鬥機在演習中對抗美國F-15時,就充分利用相位陣列雷達波更新率快的優勢,發現目標回波都卜勒效應減弱時判斷目標採取側轉機動,便立刻切換成連續波偵測,而F-15的側面雷達截面積頗高,不用都卜勒濾波就可以從背景雜訊中辨識出來(反觀傳統機械式雷達由於掃描速率慢,就算切換操作模式進行下次搜索,也需要更久時間才有可能再度捕獲目標);而主動式相位陣列雷達(見下文)在適合的後端軟硬體控制下,更能將天線陣列自由分配不同的子天線,同時間進行不同工作,例如一部分子天線進行都卜勒濾波掃描(針對frequence domain)的同時,另一些子天線同時進行連續波掃描(針對time domain),利用不同編碼的方式區別不同天線的回波(傳統機械式天線或被動相位陣列雷達同時間只能做一件工作),並由強大的後端平行處理這兩種不同偵測模式並即時進行整合比對,對抗目標特定脫鎖機動或克服干擾的能力都非往昔可比。

相控陣指向性高、旁波瓣極低、天線能分割運作等特性,使其在電子作戰方面擁有諸多先天優勢。旁波瓣越小, 使敵方電子支援系統或反輻射飛彈尋標器要搜獲並標定目標雷達的困難度大幅增加,更讓前述在旁波瓣內灌入干擾波的電子反制手段難以實施。此外,部分雷達為了反制這類利用旁波瓣的干擾,會在雷達旁加裝一到兩具專門接收旁波瓣的副天線(但接收不到主波瓣),因此當遭遇干擾時,副天線便會持續接收到雜訊;等到主天線對準干擾源時,副天線反而接收不到訊號,此時便能精確標定干擾源位置。如果雷達功率大於干擾源,就能燒穿(Burn-Through)干擾波而抵達目標,破除敵方電子反制作為;萬一壓不過, 也可標定干擾來源方向,將本身天線旁波瓣的零值指向干擾來源,使之無法接收到足夠強度的雷達信號,從而無法實施有效的干擾。以上雷達用來過濾干擾源的技術,又被稱為「自適性旁瓣對消」 ,而單脈衝雷達尋標器來標定干擾源方位的原理也大同小異(單脈衝尋標器本身的天線就分割為數個部分,藉由比較每個部分收訊的時間差來判定方位)。傳統機械式雷達天線最多只能裝置一、兩具這類副天線(又稱為Guard頻道),而相控陣則可分出部分單元構成多具虛擬的副天線,分配上更為自由,而副天線數目越多代表定位精度越高 ;此外,相控陣波束精確度與指向性均比傳統雷達高,故能更精準地標定並過濾干擾源方位,自適應旁瓣對消能力優於傳統雷達。拜波束較為集中強大之賜,相控陣也比傳統式雷達有更大的能力去「燒穿」敵方電子干擾波。

總之,相控陣的反應速度、目標更新速率、多目標追蹤能力、解析度、多功能性、電子反反制能力等都遠優於傳統雷達 ,相對而言則付出了更加昂貴、技術要求更高、功率消耗與冷卻需求更大等代價。相控陣面的天線結構複雜、器件繁多,需要在很小的體積內發射、接收射頻能量並達成相當的總功率和靈敏度,又有許多控制組件,所以製造難度高,需要等到小型可控制相位射頻元件的成熟,方可能進入實用 與普及化的階段。而相控陣的探測範圍大,目標更新速率高,連帶大幅增加後端系統處理目標資訊的能力,這也需要等計算機速率與處理軟體等技術發展到相當地不才能實現。相控陣上單一移相器的電壓要求不高,但由上百、上千個移相器組成的天線陣面所需的總電流很高,連帶使得全系統需要大功率、低電壓輸出的電源供應,且要求電源供應品質穩定可靠,也對基礎技術造成嚴格考驗。而由上百、上千個移相器與控制單元組成的天線陣面,產生的熱功率也遠高過結構單純的傳統天線,可達數千瓦,需要功率強大的冷卻系統(可為氣冷或液冷)為天線陣面實施冷卻,其中又以主動相控陣面的冷卻需求最高。由於天線重量與冷卻需求大,更強的功率與冷卻需求也導致電力供應與冷卻機等後端設施更大更重,因此相控陣要裝上空間與載重量有限的飛機就成為一大考驗。

此外,相控陣也並非在任何性能上都絕對地勝過傳統式雷達。如同前述,單一固定的相控陣天線會面臨搜索角度的限制,波束大幅偏離陣面軸線時,效能就會顯著下降;而傳統式天線的掃瞄則由於整個天線都在轉動,因此並沒有這類問題。對於陸基或艦載相控陣而言,由於容積足夠、天線陣面夠大,這類問題的影響並不顯著,例如美國神盾艦艇以四面相控陣天線各負責90度的扇面;然而對於戰鬥機而言, 如果使用單面固定式相控陣天線,其最大水平掃瞄範圍便低於使用機械伺服轉動的傳統式雷達天線 ,而且波束在掃瞄範圍邊界的性能顯著降低(通常比不上相同掃瞄角度下、性能在水準以上的傳統式戰機雷達),這代表機載相控陣的視角有限;在進行視距外空戰(BVR)時,戰鬥機在射出視距外空對空飛彈後,必須一面進行高速機動以免被敵方雷達鎖定,同時又必須讓目標保持在自身雷達掃瞄範圍內,以 持續為空對空飛彈提供中途指令修正,而這對於水平掃瞄範圍略遜一籌的固定式相控陣而言,就比較吃虧。不過這並非無法彌補,只要也使用機械裝置來轉動相控陣的天線,或者乾脆在機身兩側加裝側面天線陣列 (但這也使系統重量與成本進一步增加)。 由於引進轉動機械只是為了增加相控陣天線的水平掃瞄範圍,而不像傳統雷達完全依賴伺服機構馬達來改變波束方位甚至持續鎖定目標,所以戰機用相控陣天線的伺服機械 的反應速度,不需要像傳統機械掃瞄雷達那樣快,而且只需要在一維方向(水平)擺動即可,並不會面臨前述傳統式雷達的機械伺服限制。例如,瑞典Ericsson為該國JAS-39戰機的升級而開發的NOAR主動相控陣,便將陣列天線安裝在一個僅可橫向擺動的簡單機械掃瞄平台上,便能使該雷達擁有廣達200度的水平搜索角;而美國為F-22戰機的APG-77雷達 則在未來考慮納入額外的機身側面陣列 天線,使戰機獲得最高水準的雷達搜索範圍以及廣區域監控/目標更新能力。相控陣在最大有效搜索距離邊界附近,性能會急速衰減,而傳統式雷達情況就比較好;不過考慮到相控陣有效偵測距離大於傳統式雷達,加上前者凡在有效偵測距離內的目標都能確實掌握,這並不能算是一個明顯的缺點。當然,相對於較傳統的機械掃瞄雷達,相控陣需要更強的供電與冷卻需求,意味著傳統機械掃瞄雷達的最大偵測距離高於相同功率的相控陣,對於先天上體積和發電能量有限的飛機影響更為明顯。

對於艦艇而言,雷達位置越高,代表水平偵測距離越遠;不過由於相控陣體積重量不小,尤其是某些擁有四面天線的系統(如美國SPY-1、俄羅斯Sky Watch等),必須整合在上層結構內,很難安裝全艦最高的位置 (桅杆頂部)。某些艦載相控陣採用單面旋轉陣列天線,體積重量大幅減輕,遂得以安裝在全艦最高的位置;這類天線本身的波束能在90度的半球內自由移動,但整面天線得靠旋轉基座才能進行360度掃瞄,因此目標更新速率不如以擁有四面天線的系統(但仍 然遠高於傳統式天線),而且由於旋轉式天線不可能保持在固定方位上,遂不可能像某些使用四面固定天線的X頻相控陣系統般,兼作艦載防空飛彈的終端照明雷達 (必須使用ICWI間斷照射技術)。此外,單面相控陣天線的耗電需求已經比傳統機械天線高,而擁有四面固定式天線的相控陣系統更意味著四倍的電力需求。對於美國神盾巡洋艦、驅逐艦等大型艦艇而言,由於動力充足, 足以供應四面陣列天線同時開機工作;而採用SPY-1F的挪威南森級巡防艦便由於載台供電能力有限,只能讓四面陣列天線依序輪流開機來掃瞄所有的方位,使目標更新速率 大打折扣。

如果要求單一天線單元能同時在俯仰與水平方位改變電磁波相位,就必須由兩組重疊的移相器構成 ;而在1960至1970年代前半,移相器等小型固態射頻元件的技術尚未成熟,不僅成本過於昂貴,體積、重量與耗電量也嫌太大, 距離大量運用於艦艇、航空器上還有一段距離。美國海軍在1960年代曾使用 的SPS-33對空搜索/追蹤雷達,裝備於體型較大的長堤號核子動力飛彈巡洋艦(USS Long Beach CGN-9)以及企業號核子動力航空母艦(USS Enterprise CVN-65);SPS-33採用四面固定式平板陣列天線,此種天線以頻率掃瞄方式負責俯仰方位, 垂直方向的改變則由移相器負責,因此單憑天線本身就能在三度空間內變換波束方位。SPS-33的設計使其不必完全採用當時仍嫌昂貴的移相器, 相對也壓低了系統成本(當然,性能也有所降低),此種雷達堪稱艦載相控陣的先驅 。不過由於當時科技仍不夠先進,導致SPS-33天線重量太大且不易維護,可靠度亦偏低,在1980年代都被採用單面旋轉式頻率掃瞄天線的SPS-48E 3D對空搜索雷達取代。

此外,美國海軍在1960年代初期發展的颱風(Typhoon)艦載防空飛彈系統(見神盾作戰系統一文),其中的核心──SPG-59追蹤/射控雷達便堪稱是全世界第一套多功能艦載電子掃瞄陣列雷達,集搜索、追蹤、飛彈中途導引與終端照射等功能於一身。這種雷達的天線部分採用倫波(Luneberg)電磁透鏡技術,其外觀包括一個內含圓柱狀倫伯電磁透鏡的結構,以及一個位於頂部、由數千個天線單元組成的半球型發射天線陣列;發射波束時,後端電腦控制數千個信號輸入端,將射頻信號饋送至圓柱型倫伯電磁透鏡表面,藉由倫伯透鏡將不同輸入端饋送的能量在透鏡表面另一端聚焦,形成波束,再透過數千個行波管放大器傳送至雷達塔頂部的半球型天線陣列,然後發射到空中,因此單一雷達就可涵蓋船艦周遭所有的方位;而雷達塔位置較低處則設有三個球型天線陣列,用來接收雷達回波。由於1960年代相關技術仍不成熟,SPG-59遂面臨成本過高、耗電量 驚人、系統體積重量過大、各元件纜線與導波管連接公差無法在要求以內等問題,而且透鏡設計亦無法滿足倫波電磁透鏡理論的要求,導致主波束不集中、旁波瓣過大,在測試中性能與可靠度均遠不如預期,最後在1963年底落得取消的下場。全世界第一種實用化的戰機用相控陣(被動式),是前蘇聯Mig-31戰鬥機上的Zaslon,其開發始於1969年,並於1980年代初期進入服役階段 (註五);而差不多在同一時間,美國空軍則有AN/APQ-164多功能被動相控陣部署於B-1B轟炸機上。而全世界第一種實用化的艦載相控陣系統,則是美國的SPY-1系列(同為被動式),此雷達是著名的神盾戰鬥系統中最重要的一環,同樣在1980年代初期投入服役。

被動式與主動式相控陣

相控陣又分為「被動式」與「主動式」,其中技術門檻較低的「被動式」在1980年代才有較成熟的系統部署於艦艇及中/小型飛機上,而性能更優異、發展前景更好但技術門檻較高的「主動式」則到了1990年代末期至2000年代初期才 有實用的戰機用與艦載系統開始服役。

顧名思義,被動相控陣(Passive Phase Array Radar)的天線本身不製造雷達波,射頻功率是由後端的雷達波發射機提供,經過行波管放大之後,再由許多複雜細小的導波管饋送至天線元件;而陣列天線本身只負責改變波束的指向(也就是控制各個移相器開/關的時機來改變相位)並接收回波,簡單地說像是一面能改變雷達波方向的「電磁透鏡」 ,而雷達波其他的特性(波形、振幅、脈衝頻率等)則完全取決於後端的發射機組。因此,被動相控陣的移相器被稱為「R單元」(Receive modules);而由於天線本身不負責製造雷達波,中國大陸多半將此形式的雷達稱做「無源相控陣雷達」。 被動相控陣的天線可決定電磁波的相位,然而振幅與波形則取決於後端的發射機。

至於主動相控陣(Active Phase Array Radar,APAR)的每個天線單元都連接一個發射/接收模組(Transmit/Receive modules,又稱T/R模組),每個T/R模組就是一個完整的雷達收/發單元,包含發射器、接收器、激勵器和本振信號發生器,器件包括功率放大器、移相器、雙工器、接收機的高頻放大器與混頻器、中頻放大器等,載台只需提供電源以及傳遞 波束指令的信號線而已,因此種天線單元上被稱為「T/R單元」 。由於天線本身就負責產生雷達波信號,中國大陸將此型式的雷達稱為「有源相控陣雷達」。 在設計上,一定數量的T/R單元配合一個波束控制系統,便構成一個基本的子陣列單元,再由多個子陣列單元構成整個雷達陣面,總功率是每個T/R單元個別功率的總和;理論上,每一個T/R單元都可以擁有獨自的控制單元,然而實際上這不僅不合成本效益,而且根本沒必要,因為同一道波束勢必要由相當數量的T/R單元負責,才能達到起碼合乎性能需求的功率與陣面孔徑。

早年受限於電子科技的水平,主動相控陣的T/R單元只能以傳統的真空管式元件,如磁控管、調速管、行波管、正交場放大器(CFA)等構成,尺寸根本無法縮小到可以配置在UHF波段以下的天線單元,使得早年的主動相控陣只能使用較長的波長,而且整套系統極其龐大笨重,只能部署於陸地上充當長程預警之用。全世界第一種實用化的主動式相陣雷達是美國在1960年代末期服役的AN/FPS-85 UHF波段飛彈預警/太空追蹤雷達,使用的就是真空管元件。在1980年代初期,FPS-115鋪路爪(Pave Paws)陸基長程預警雷達進入美軍服役,同樣採用UHF波段,但已經改用全固態電晶體元件,可靠度比FPS-85高出許多,其平均故障間隔(MTBF)達到14萬1000小時;然而,鋪路爪的固態發射機的功率仍不如採用真空管的FPS-85,而且價格昂貴得多。等到1980年代後期微波積體電路科技(MMICS)科技日漸成熟,能製造出幾公分大小且夠輕便可靠的電磁波收發裝置,主動相控陣才逐漸小型化,並能部署於船艦與飛機上。第一種進入服役階段的 戰機用主動相控陣是日本F-2戰機使用的J/APG-1,緊接著則是美國F-22戰機上的AN/APG-77,以及一系列由現役APG-63、68、73等傳統構型雷達發展而成的系統。至於全球第一種進入服役的艦載主動式相控陣則是荷蘭主導開發的APAR, 同時期的艦載系統還包括日本FCS-3以及英國的Sampson等。

主動相控陣的T/R元件技術

主動相控陣所需的MMICS組件需要在穩定微波頻率下可靠地輸出幾百毫瓦至數十瓦的射頻功率,因此需要在微波頻率下具備良好的功率增益和效率;然而,高頻率和大功率是相互抵觸,因此MMICS的設計需從須從組件結構、物理參數、電學性能和熱傳導等各方面進行整體考慮。以主動相控陣而言,適用的MMICS技術中,第一代是硅雙級電晶體(Bipolar power transistors),其最高工作頻率約8GHz,不過在此一頻率運作的噪訊很大,沒有實用價值,一般只能在0.1~3GHz的工作頻段裡做放大器工作,噪訊約為1~2分貝(DB);整體而言,硅雙級電晶體工作頻率較低,最多只能用來製造L波段(頻率1~2GHz)與涵蓋一部分S波段(2~4GHz)的長程艦載雷達。

第二代則是砷化鎵(GaAs)場效應電晶體(Field-effect transistors,FETs)製作的MMICS,其工作頻率遠遠高於硅雙級電晶體製作的功率管,最大達到60GHz以上,可在1~20GHz頻率範圍內做放大器工作,在1~12GHz工作頻率下的噪訊僅有0.5~1.4分貝 ,使得製作X波段(8~12GHz)與Ku波段(12~18GHz)射控雷達成為可能。由於元件工作頻率直接關係到雷達的波段以及瞬時寬帶性能(關係到鑑別度與反干擾能力),加上雜訊較低,砷化鎵半導體比硅雙級電晶體更適合用來製作 艦載主動相位陣列雷達(依照用途不同,工作於S/C/X/Ku等頻率)所需的T/R組件。不過砷化鎵半導體的導熱性比硅雙級電晶體差,功率容量較低,其輸出功率不能超過25~35W,反觀硅雙級電晶體組件可達50~500W。此外,砷化鎵的擊穿電壓亦低於硅雙級電晶體,故對功率控制的精確度要求極高,否則電子可能直接擊穿導致元件損毀。最重要的是,砷化鎵半導體的製程與技術都比矽半導體複雜許多,而且良率偏低;在1990年代初期時,一片24mm砷化鎵晶圓的良率只有25~30%,單位成本是硅雙級電晶體20~30倍;在1995年左右,砷化鎵半導體的單位成本仍然是硅雙級電晶體的數倍;至2000年代以後 ,一片24mm砷化鎵晶圓的良率才提高到80%左右。

在1990年代初期,日本堪稱全世界製造砷化鎵半導體的翹楚,據說當時日本製造的砷化鎵微波積體電路T/R模組的單位成本,只有美製同級產品的1/8。由於砷化鎵半導體積體電路佔T/R模組的約1/3,而T/R模組又佔整個主動相控陣成本的30~50%,因此只要砷化鎵半導體積體電路的單價能降低一半,雷達整體成本就能降低15~25%。而美國也是從日本取得砷化鎵半導體積體電路相關技術、逐步壓低本身T/R元件生產成本之後,才能讓一系列空用主動相控陣實用化 。歐洲與日本在2000年代初期的幾種代表性艦載主動相控陣如英國SAMPSON、德國/荷蘭APAR、日本FCS-3改(第一代),都是使用砷化鎵半導體來製作T/R組件。

主動相控陣的第三代MMICS技術則是氮化鎵(GaN)半導體,其擊穿電場/電壓是砷化鎵的數十倍、是硅雙級電晶體的數倍,能大幅提高天線陣面的功率密度。同時,氮化鎵還具有比砷化鎵更優異的高頻段工作性能以及更好的熱穩定定性,可能在更高的溫度下持續正常工作。 此外,氮化鎵半導體組件對於主動雷達導引飛彈尋標器的「相控陣化」,也具有決定性的意義,因為唯有單位輸出功率更高的氮化鎵組件,才能製造成功率足敷需求、且體積小到足以放入飛彈前部的主動相控陣。

以下便分別介紹被動相控陣的不足,以及主動相控陣優越之處:

被動式相控陣的不足

整體而言,被動相控陣最大的弱點,就是易損壞且熱損耗大的發射機(行波管)與導波管,這是因為行波管與導波管在先天上屬於「真空管層次」的科技。由於物理特性的限制,行波管/導波管的性能表現(效率、反應速度等)很難再有突破,而其體積/重量較大 、需要預熱、工作頻寬有限、脆弱易受損的缺點,更是難以擺脫的先天包袱。

在運作方面, 被動相控陣後端仍仰賴集中式的行波管放大器與導波管等真空管技術組件,比較容易受到外力、震動等影響而變形或受損,而且整具雷達的射頻能量都經由這個組件處理,一旦失效則整個雷達勢必停擺;反觀相控陣天線 則可靠得多,不僅因為小型移相器較不易受損,如果有部分移相器失效,天線仍然能夠運作)。此外,被動式相控陣 的信號在從天線輻射到大氣之前,還要經過移相器以及所屬的餽電裝置,而傳統機械式雷達沒有這段過程,也意味著被動相控陣難免有額外的能量損耗;因此,被動相控陣的搜索距離,往往輸給同級功率與元件品質的機械式雷達,一個常被提到的範例是法國Rafael戰機的RBE2被動相控陣,搜索距離輸給歐洲EF-2000的Captor機械掃瞄雷達。

而導波傳遞的電磁波是相當精密的G(10的9次方)Hz級,考慮到能量餽送途中勢必產生損耗與失真,且越長的導波管就越容易因為外力產生震動或形變而影響波束傳遞,導波管的長度越短越好,而且要盡量減少彎曲,最好一路都是直的(曲折的導波管是相當艱難的工程挑戰);如此,陣列天線與發射機就不能相隔太遠,於是體積龐大的發射機勢必得安裝在艦體或上層結構內(對於艦載系統而言),導致陣列天線的安裝位置往往必須遷就發射機而也得安裝於上層結構;安裝高度受限後,雷達的水平搜索距離就會減少。總之,如果因為將被動相陣雷達位置架高而使天線與發射機之間距離增加而且不在同一 層甲板上,即便減低天線的尺寸與重量,還是躲不過導波管較長以及轉折的問題,必須在可靠度、傳輸損耗以及工程難易度等方面有所犧牲,例如西班牙的F-100神盾巡防艦;如果希望導波管盡量短直,則相控陣天線就必須安裝在高度較低的位置,代價則是降低水平偵測距離,如 美國柏克級飛彈驅逐艦。此外,對艦載系統而言,導波管從發射機到天線的路上必須穿過艙壁、甲板,設計時就必須在艦體上挖洞,降低了整體結構強度。

另外,當被動相控陣改變波束指向時,需要透過電路延遲每個移相器作用的時間,此過程會平白消耗一些能量並使波束變寬(解析度下降),波束偏離天線軸心越大時情況越明顯(因為每個移相器需要的延時更長)。

總之,被動相控陣已經比傳統雷達跨越一大步,但主動相控陣能辦到的又遠比被動相控陣更多。
 
主動相控陣的優越之處

由於主動相控陣把訊號發射的部分由被動陣列雷達的「真空管」一舉提升到「積體電路」的層次,就跟當年電腦從真空管時代進步到積體電路一樣,勢必會在性能與可靠度方面取得飛躍的進展。

在系統運作方面,主動相控陣的T/R模組只需要經過雙工器(duplexer,即收/發轉換開關)和低能量接收機保護裝置等少量元件就抵達各T/R單元的射頻低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA);被動相控陣的信號輻射源(發射機)到LNA之間則需要行波管、雙工器、1 級與 2 級饋電裝置與移相器,內部信號損失理論上較大(而相較於被動相控陣,傳統的機械式平板縫隙陣列雷達沒有移相器與餽電裝置, 內部信號損失小於被動相控陣)。當然,如果被動相控陣與傳統平板縫隙陣列雷達使用高性能行波管,理論上能量轉換效率可達50~60%,高於主動相控陣的砷化鎵(GaAs)半導體T/R組件(通常為30~40%),因此雙方的信噪比差距有可能縮小,但是高性能行波管需要高電壓與大功率,不僅生產成本昂貴,還需要配套的強大供電與冷卻,對於空間與籌載有限的戰鬥機並不適合,可靠度也因而下降(反觀使用固態器件的主動相控陣以可靠度著稱)。

主動相控陣免除了傳統機械式雷達或被動相控陣的行波管傳輸 ,而且射頻信號先完成移相再進行放大(被動相位陣列雷達則是後端先完成信號放大,再由前端陣列天線進行移相),減少了能量損耗,同時也有效避免以往信號在導波管傳輸過程中被雜訊干擾、疊加的情況, 大幅增加信號的純度 。而被動相控陣在使波束轉向時需要透過電路延遲每個移相器作用時間、導致能量損耗以及波束變寬的問題,在主動相控陣上也不會發生,因為只需要控制每個T/R元件產生射頻能量的時間即可。前述T/R元件的主要單元都是微型固態積體電路元件,相較於於真空管器件具有體積小、重量輕、更堅固可靠、工作頻寬較大、不需預熱而使反應更靈敏等優點。

由於主動相陣雷達上的每個天線單元都是獨立的收發裝發裝置,並且採用併聯方式與後端處理器連結,所以部分天線單元的損壞不會導致整個系統的停擺,其他完好的單元仍能正常運作。 根據實驗顯示,主動相控陣陣面10%以內的T/R單元失效時,對系統性能無顯著影響,不需立即維修;在30%的T/R單元失效時,系統增益會降低3分貝,但仍可維持基本運作性能。 此外,主動相控陣若欲提升總功率,只需要增加天線單元數量即可,遠比被動式相陣雷達便利(後端發射機與導波管都要改,大費周章);例如澳洲新開發的CEA-FAR型S頻主動艦載相陣雷達的天線就由許多各有256個T/R單元的模組構成,客戶可根據需求與預算來選擇天線要由多少個模組構成。 現役多數被動相控陣的平均失效間隔(MTBF)介於60至400小時(多半是基於行波管/導波管的拖累),而主動相控陣則至少從500小時起跳, 隨著積體電路技術的進步,未來還會朝著數年、甚至整個服役生涯都無須特別維修的目標來發展,這是真空管元件先天上不可能辦到的。由於主動相陣雷達的發射工作是由大量小型低功率收發單元分攤,並靠著各單元 以累加合成的方式達到高功率輸出,因此每個單元的峰值功率不必很強,單一元件的耐熱要求可以降低,理論上也能減輕整體的能量損耗 。 此外,主動相控陣能輕易產生高佔空比的信號,可大幅降低脈衝峰值功率、增加穩定的平均功率,能在性能不減低的前提下降低被敵方電子截收裝置(ESM)截獲的機率 (這是許多新型雷達引進固態發射組件之後獲得的效益)。

就性能而論,主動相控陣也有非凡的優勢。理論上,無論是主動或被動相控陣,陣面都能夠分成好幾組,每組產生獨立的波束分別執行不同工作或者輪流執行同一工作,或者由多組子陣列產生一個較強的波束;這種分組運用的能力,除了取決於控制組件與軟體之外,雷達硬體層面則是受到雷達波源的數量限制。對被動相控陣而言,每一個陣面後端的發射機數量,便決定了劃分子陣列的總數。而主動相控陣方面,如同前述,每個T/R單元都是獨立的信號收發源,多個T/R單元會由一個控制組件統合成一個子陣列,再由多個子陣列構成主陣面,而每個子陣列就能單獨負責一道波束;由於主動相控陣的子陣劃分通常可以比被動相控陣由後端發射機組件更多且更有彈性,而且主動相控陣由固態積體電路組件負責波形產生/控制,先天物理上的反應靈敏度就比被動相控陣的真空管組件更好,因此主動相控陣自然可在運用與分配的彈性上取得突破性的進步(註六)。

由於積體電路T/R元件的開關控制精確 ,效率高於傳統行波管,透使得主動相控陣的效率、旁波瓣抑制、低雜訊比、自適性波束管理等能力都比被動相控陣更為優異。故在相同的系統體積與功率等級下,主動相控陣的各項性能表現(精確度、偵測距離、電子反反制能力 、電磁波管制等)高於被動相控陣,理論上偵測距離可為後者的1.5至3倍;同時,透過數位化波束形成(DBF)技術、自適應波束成形控制(Adaptive Waveform Management)技術(依照不同環境自動產生適當的雷達波形,以獲得最佳探測性能)、射頻功率管理等技術,結合主動相控陣的靈敏特性,也可大幅擴充其功能與性能,開發出許多新的作業模式,進而衍生出新的空戰戰術。例如,德國/荷蘭合作的APAR主動相控陣雖然使用波長較短的X(I/J)頻(鑑別度高但不利於長距離傳遞),但是其150km的偵測距離卻高於法/義合作、波長較長(C頻)的EMPAR被動相控陣。 而幾種歐美新一代戰機使用的主動式相控陣如美國F-22的APG-77、歐洲EF-2000的CAESAR,均標榜能同時兼顧多種操作波段、掃瞄範圍各異的偵搜工作(包括高空劇烈迴避的高性能戰鬥機,低空來襲的固定/旋翼機、巡航飛彈,以及對地掃瞄/地貌追沿等,並將指令傳輸給正朝目標進擊的空對空飛彈),並在精確排除所有干擾源與雜訊的情況下,維持所有移動目標的訊號強度(不受都卜勒慮波器的限制)。

在安裝方面,由於主動相控陣天線為平面狀,沒有任何機械動作,背後也不需要連著麻煩累贅的導波管與行波管,因此在安裝上便更加自由,也更能融入載台的外型,這對於外型與體積有著嚴格限制的航空器而言格外具有價值;以空中預警機為例,主動相控陣天線能以適形方式融入機身各部位的外觀,不一定要像E-2/3等傳統預警機般非得在背上背個碟型旋轉天線不可,載具本身的飛行性能遂得以大幅提昇。而未來戰鬥機使用的側面或翼面雷達天線,最適合的技術同樣非主動相控陣莫屬,畢竟想在厚度有限的機翼裡塞入被動相控陣所需的行波管/導波管,是強人所難。對於艦載系統而言,免除導波管與發射機的主動相控陣 ,其安裝位置相對而言也較為自由,比較有「高架」的條件;例如荷蘭/德國的APAR雖使用四面固定天線的構型,但由於採用波長較短的X波段,使得天線本身尺寸較小,加上主動陣列雷達體積重量較輕的優勢,遂得以置於艦上塔式桅杆的頂部,達到較理想的水平偵測距離。

主動相控陣 由於波束相位控制更精確靈敏、旁波瓣與雜訊更低,加上子陣分配更具彈性,所以擁有比被動式相控陣更上一層樓的自適性干擾消除能力(如前述)。主動相控陣由於T/R單元管制最具彈性且控制精準, 能更彈性而動態地建立副天線來接收敵方雷達的旁波瓣。透過數位波束形成技術帶來的波束管理彈性,主動相控陣主波束面臨干擾時,可自動將主波束分離成兩個波束,使其零值對準敵方干擾源;若干擾源來自於旁波瓣方向,也能迅速在該方向形成零值,使敵方收不到雷達信號,從而無法有效實施干擾。 例如,英國實驗性的MESAR-2最多能建立16具偵測旁波瓣的虛擬副天線,而且因為主動相控陣能更精確地控制波束方位,故英國宣稱該雷達能精確地透過自適應技術,同時 排除多個干擾來源,但仍保留相當接近的目標回跡。 此外,由於主動相控陣的T/R元件相當靈敏,更能控制波束進行極不規則的動作(包含改變強弱、波束方位、脈衝頻率等),使得單位時間內同一方位累積的雷達波訊號變得不規則,比較不易被敵方電子支援系統截獲,並增加敵方干擾的困難度 ,具備低截獲率(LPI)與低觀測特性(LO)技術的理想條件。

主動相控陣的限制與瓶頸

雖然主動相控陣在理論上有許多優於被動相控陣之處,但在主動相控陣各項技術成熟之前,一些實務上的因素仍限制著其發展。首先,現階段主動相控陣能夠發射信號的T/R單元單位成本仍過於昂貴,而且現階段整體耗電量仍高 ;因此,大型的地面或主動相控陣經常以一個T/R單元對應多個天線單元,就是 希望能以較少的T/R組件數量換取更大的等效天線孔徑,在這種情況下信號從T/R組件到對應的多個天線之間的輻射通道之間,需要進行額外的分解與合成,這個階段難免產生額外的雜訊與失真。而在T/R元件成本降至合理範圍之前,要在飛彈等 生產量大、一次性消耗的裝備上使用主動相控陣,仍顯得不切實際。

而主動相控陣另一個明顯的應用問題則是冷卻,傳統被動相控陣的發射機位於艦體內部,附近就可以安裝冷卻系統,比較好處理;然而主動相控陣的發射單元卻是在天線上,冷卻系統需要經過天線 。由於這些發射元件散佈在一個平面上,使得冷卻系統也需要延伸到一整個陣面;冷卻系統需維持所有T/R元件於均勻的溫度,否則如果各元件因溫度差異而導致工作狀況不同,雷達的整體性能就會大打折扣。如果天線的冷卻需求 過大,或者冷卻設備體積不夠緊致,在天線系統增加的 冷卻設備將會抵銷主動相控陣系統重量輕、安裝位置較為自由等各項理論優勢。 以中國052C飛彈驅逐艦使用的346型相控陣為例,其陣面就被一個外觀十分明顯的弧形外罩包圍,內部是氣冷系統供應的冷空氣。

 

數位化陣列雷達技術

先前雷達的數位波束成形(Digital Beam Forming,DBF)技術多半針對接收波束的採樣處理,例如1990年代實用化的Signnal SMART系列多波束雷達等;而等到主動相控陣出現之後,由於波束是在陣面上的T/R組件形成,為全數位化的發射/接收波束成形提供了硬體條件,因此成為陣 列雷達的新課題。

一般而言,相位陣列雷達的波束成形 是透過移相器改變信號(控制信號由數位化生成),完全在類比(analogy)模式之下完成;這種技術具有單一組件設計簡單、精確度高的優點,但一個相控陣面由上千個單元構成,不僅導致整體電路結構複雜且增加整體幅相校正困難度,而且一旦牽涉到降低旁波瓣、同時產生多個波束、寬頻波束合成,或者與抗干擾相關的波束自適應或基於保密的波束編碼等較複雜的波束技術, 就很難以傳統類比方式製作出所需的電路。因此,以數位組件取代過去相控陣中許多類比電路(主要是類比移相器) 、在數位領域實現相加權(即數位波束成形)的數位化陣列雷達(Digital Array Radar,DAR),將是完全發揮主動相控陣硬體潛力的必要技術,也是各先進國家進入21世紀以後發展的趨勢。

大體而言,在全數位化陣列雷達體系之下,每個T/R組件的輸入/輸出信號(I/O)都是數位化,而T/R模組本身則整合數位/類比轉換(AD/DA) 組件、直接數位頻率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS) 等。發射時,真時信號處理機對每個數位T/R單元發出幅相控制字組(word)信號,控制數位T/R組件的信號產生器,生成一定頻率、相位、幅度的射頻信號(形成射頻信號的過程中通常還是需要類比組件進行擴頻),然後輸出到相對應的天線單元;接收時,T/R組件接收天線單元回傳的微波信號,經過下變頻成為中頻信號,再由中頻採樣處理後輸出回波信號 ;每個T/R組件都獲得大量的回波數據,透過高速數據傳輸系統傳送到真時信號處理機,完成數位波束形成和軟體化信號處理。雖然全數位化陣列雷達在接收/發射模式下都是數位化的波束成形,但 考量到數位半導體器件物理性能,並不一定意味波束成形過程中完全不使用類比組件(見下文)。

理論上,全數位化陣列雷達具有波束掃描速度更快(低於微秒級)、信號處理方式靈活(可透過更改軟體而變更)、易於實現超低收/發旁波瓣、能同時接收與發射多波束、自適應零點形成易於抗干擾、各天線單元幅相校正較為簡單、能直接以頻率和成技術和軟體控制來形成編碼信號或應用低截獲技術,降低被截獲率等;此外,由於不必 像類比移相器一樣用電路來控制相位與合成波束,電路輻射硬體器件本身結構大幅簡化,使雷達可靠度提高、功率消耗降低。當然,如何完全以軟體控制來實現與過去類比實體電路相同的精準性,乃至在 大功率、高頻寬、複雜波束之下的精確控制,都存在很高的技術挑戰。

在全數位化陣列雷達之中,直接數位頻率合成(DDS)技術是其中的關鍵。最傳統的直接類比頻率合成技術以晶體參考頻率源(又分為使用單一晶體頻率源 的相干合成法,以及使用多個晶體參考頻率源、經過加減乘除運算得到各種頻率信號的非相干合成法),經過分頻、混頻和倍頻(全都以類比器件實作)來得到各種頻率信號,輸出頻率的穩定度和精度與參考頻率相同。直接類比頻率合成技術的優點是簡單直接、頻率轉換時間短、相位噪音低,不過由於採用大量分頻、混頻、倍頻和濾波等類比電路元件,使整個組件體積增大,且易產生雜散分量,各器件本身 都有非線性的影響而難以抑制。之後基於鎖相環(Phase-locked loops,PLL)的頻率合成技術利用反饋(Feedback)控制原理實現的頻率及相位同步,將電路輸出的信號時鐘與其外部的參考時鐘保持同步;鎖相環由鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器組成,鑒相器透過比較壓控振蕩器的輸出信號(即內部電路輸出的信號)和外部參的時鐘信號來產生相位控制信號,再經過低通濾波器,就直接回饋到壓控振蕩器,以頻率選擇開關通過改變分頻比,控制壓控振蕩器的輸出信號頻率,使之與外部參考時鐘一致,此種同步就稱為「鎖相」(Phase-locked)。若在鎖相環中結合數位分頻器和數位鑒相器,即成為數位鎖相環 ,逐漸成為主流。因為鎖相環相當於窄帶跟蹤濾波器,所以PLL頻率合成技術具有良好的選擇頻率與抑制雜散分量特性,合成的射頻頻譜十分乾淨,而且大量使用濾波器,有利於跟其他元件整合,此外頻率的長期和短期穩定性都很好;PLL的缺點是 元件有慣性,頻率分辨率和頻率轉換時間相互抵觸而難以兼顧,此外頻率轉換時間較長,壓控振蕩器引起的噪音也較大。

直接數位頻率合成(DDS)則利用透過數位方式控制相位變化的速率來直接產生各種頻率的信號。DDS包括頻率源、直接頻率合成、功放、混頻、濾波、模數變換等部件,由相位累加器(把相位按照頻率調節控制字串指定的步長進行累加)、相位-振幅變換電路(把相位轉換為其正弦值或餘弦值的數字序列)、DAC(把數位序列轉換為階梯狀正弦波或餘弦波)和LPF(濾掉高次諧波,輸出連續的模擬正弦波或余弦波信號)等部分組成 。當相位累加器累加滿量時即產生一次溢出,完成一個周期性動作,該周期就是合成信號的周期;累加器的溢出頻率也就是DDS的合成信號的頻率。 在結構上,DDS可分為集中式頻率源與分散式頻率源,集中式頻率源以集中的控制系統來控制整個陣面,分散式則是每個數位T/R單元都內建DDS組件,而分散式自然是更有前瞻性的技術。

相較於直接類比與鎖相環等傳統頻率合成技術,DDS具有輸出頻率相對頻寬高(只要小於輸入參考時鐘頻率的一半)、頻率分辨率高、頻率轉換時間短、頻率切變時相位連續、可輸出任意波形、易於實現數位調製(對輸出信號易實現多種調製)、易於透過程式控制,並且易於整合、功耗低、體積小、重量輕、可靠性高、使用靈活。然而,DDS技術以振幅和相位資訊都以數字量表示,會產生量化精度和量化噪音,從而造成輸出信號的振幅與相位失真,導致輸出信號雜散增大(雜散頻率多) ;如果直接以DDS合成射頻信號,基頻與載波混合之後的諧波會進入雷達波基帶 。此外,DDS的輸出信號頻寬受限於數位器件的工作頻率,如果要用數位組件在射頻上形成數位波束,現有數位器件的時脈無法達到雷達的主流頻率,例如L頻為1~2GHz,S頻為2~4GHz,C頻而言4~8GHz,X頻為8~12GHz,Ku頻為27~40 GHz與12~18 GHz;數位器件的時脈至少要在實際輸出雷達波頻率的兩倍以上才能應付 (幾千個組件的回路上都是此等高時脈),而且位元要足夠,同時還要能有效控制相位噪音和近帶諧波(DSS這方面先天極差),現階段不可能達成。 以現階段數位半導體器件的性能,最多只有L波段、30~300MHz的VHF和300MHz~3GHz的UHF能透過DDS直接數位合成出射頻訊號 (後兩者已經不是雷達主流)。因此 ,現階段數位波束成形(包含收、發)都是在中頻/基帶進行,由DDS形成數位波束的本振信號(包括振幅、相位加權等),再透過類比的組件(通常是類比或半數位的PLL) 進行上變頻,擴展為雷達射頻信號,而高速DDS往往還內建PLL組件當作時鐘;接收波束時,也以類比的混頻器接收天線單元傳來的微波信號先進行下變頻, 成為中頻信號之後才由數位/類比轉換(AD/DA)組件來採樣處理(如果直接用數位/類比轉換裝置接收頻率2GHz級以上的射頻信號,信號雜散跟耗電量都過於巨大)。

另外,由於T/R單元與數位處理系統之間的資料交換量龐大,數位陣列雷達也需要高速、大容量的數據傳輸能力。有多種技術可以實現高速、大容量數據傳輸,包括低壓差分傳輸(LVDS)和光纖等。LVDS是一種小振幅差分信號技術,使用非常低的幅度信號(約350mV),透過一對差分印刷電路板走線或平衡電纜來傳輸數據,單一通道的傳輸數據率能達到每秒數百M bits。而光纖傳輸相較於傳統電路具有傳輸距離遠、傳輸數據率高、延遲低、重量輕、保密性能高(因為傳輸過程不產生感應磁場)等優點,資料傳輸速率理論上可達千Mbit以上。當然,數位陣列雷達的計算機需要處理比以往更大量的資料,包括任務控制、時序產生、校正處理、波束控制、目標跟蹤和顯示處理等,需要功能強大的計算處理平台,例如採用匯流排結構的高性能信號處理機。

英國在1990年代開始開發的MESAR雷達以及之後衍生的Sampson艦載相位陣列雷達,堪稱數位化波束成形相位陣列雷達領域的先驅之一 ,不過實現數位化的只有接收波束的生成,發射波束的成形仍仰賴類比的移相器;而美國在2000年代發展並用於新一代防空艦艇的AMDR陣列雷達,則是意義上真正的收/發全數位化波束成形與控制的新型大功率 主動陣列雷達。

 

主動相控陣技術的未來發展

將目光放遠,主動相控陣天線技術提供了一個「效能優異、功能強大」的電磁波收發工具,加上日益進步的數位控制技術,這種傑出天線的功能就不僅止於作為「雷達」而已。 許多新一代整合式電子戰系統或者是高頻寬資料傳輸系統,都以相控陣天線來取代傳統天線,目的就是要獲得更高的性能。

在電子戰方面,以操控靈敏、波束筆直精準、功率強大的主動相控陣天線取代傳統天線後,無論對於主動式的電磁波干擾或被動式的截收,性能表現都會大大地增強:對被動截收而言,相控陣天線 由於分割彈性廣泛、反應靈敏,可提供極高的定位精確度,使載台可在不需要以本身雷達朝敵方電磁波來源進一步確認的情況下,便獲得精確度足以直接發射武器攻擊的目標方位資訊;對主動反制而言,主動相控陣天線能製造功率更強大的干擾波束以及更迅捷多變的干擾模式,自由的天線分割能力使其能同時產生多道波束分別干擾不同的目標,而優秀的旁波瓣抑制能力可將天線外洩至其他方位的電磁波降至最低。此外,未來日漸成熟的主動相消干擾技術(發射震幅與頻率與敵方雷達波相同但相位完全相反的電磁波,如控制得當,有機會徹底消除載台自身的雷達回波,在敵方雷達螢幕上完全隱形),由於需要極高的敵方雷達電磁訊號精確分析處理能力以及正確而即時的相消干擾波束產生能力,因此天線部分也以最精確靈敏的主動相控陣天線為上選。而發展中的直接能量電磁脈衝(EMP)硬殺科技,也得依靠主動相控陣天線筆直而強大的波束,將脈衝能量投射至敵方電子迴路與硬體上造成實體損壞。 瑞典Ericsson為JAS-39戰機開發的MIDAS整合式電戰防護系統,便採用平板式主動相控陣天線,無論在被動截收監聽距離、威脅標定精確度都遠勝過傳統式同類系統;拜優秀的天線機能以及傑出的後端控制軟硬體,Ericsson宣稱加裝此一整合於機體內的內建式系統後,JAS-39的整體電子作戰能力將不輸給現役其他需要外掛大量各式電戰莢艙的專業防空壓制(SEAD)戰機,而且不需要佔用任何機上掛架。

在資料傳輸方面,現階段美國等先進國家大力發展的網基作戰,包括協同接戰能力(CEC)、全球即時精準打擊作戰、同時指揮大量無人載具、整合戰區內所有單位/載台的感測裝置去持續追蹤匿蹤目標等工作,傳輸的資料量即為龐大,絕非現有包括Link-16在內的戰術網路系統所能負荷;而主動相控陣強大的發射能力,正好為這些傳輸工作提供了良好的解決方案,其高指向性的筆直波束亦使這些通訊難以被接收方以外的第三者截獲 。綜合以上,主動相控陣天線技術不僅在偵測的老本行有著更出色的表現,在電子軟/硬殺與戰術通訊/資料傳遞等領域也展現了不可限量的潛力。 不過相控陣天線高指向性的特點,在進行通訊用途時,傳輸的各個載台必須保持在特定的相對位置而不能任意運動,才能順利傳輸筆直的波束,而傳輸之前各載台必須精確標定彼此之間的相對位置才能開始傳輸資料,這在使用上會造成一些不便,美軍在測試協同接戰能力的相關設備時,已經發現了這個問題;反觀傳統資料傳輸天線的波束朝著四面八方「廣播」,只要在主波瓣與各旁波瓣收訊範圍內都能收到訊號。

以未來二十年內全球性能最強的戰機用雷達──美國F-22戰鬥機的APG-77主動相控陣的性能表現,就能從中領略主動式相控陣領先於被動式相控陣之處 ,以及其不可限量的發展前景。目前APG-77的機鼻陣列天線由1500至2200個瓦片式砷化鎵T/R單元構成,能劃分為多個獨立的子雷達、被動電子截收器、電子反制系統,在同一時間內各自操作 ,未來還可能增添位於機身側面的陣列天線,使F-22的雷達視野範圍激增。拜先進數位波束成形控制技術,以及主動相控陣天線賦予的超高波形調整速率、資料更新速率以及分配彈性之賜,APG-77能同時執行多個波形、資料更新速率各異的對空/對地模式。又,由於T/R元件精確敏捷的控制,APG-77能實行靈敏而嚴格的電磁波管制,在維持所需的戰況意識(Situation Awareness,SA)的條件下,隨時對雷達波束的強度、發射時間與波束範圍進行調整,將其減至最低,最大限度地減少因電磁波外洩而遭敵方截收偵獲的機率。此外,APG-77亦具備封閉迴路追蹤(Closed-loop tracking)能力,也就是持續修正雷達波的能量與脈衝頻率,在保持有效獲得目標的前提下將雷達波的能量降至最低。而在ALR-94整合式電子戰系統的支援下,APG-77能將雷達波束窄化成有如雷射般(僅2X2度),能強化波束探測能力,並將其他方位的電磁輻射降至最低。將來APG-77還有許多更具前瞻性的發展,例如美國空軍曾以APG-77進行通訊傳輸測試,結果顯示此雷達天線在數秒之內的資料傳輸量(包括傳送與下載),以目前的Link-16資料鏈得耗時30~60分鐘才能傳輸完畢,這對於現階段經常苦於傳輸頻寬不足的美軍而言有如天降甘霖。 此外,美國空軍也打算利用APG-77強大的資料傳輸能力,在敵方軍用資料傳輸網路內散佈病毒, 預計在2010年代正式推出。

主動相控陣天線的終極發展目標,便是透過同一套能任意分配、改變頻率的主動陣列天線系統,配合不同功能的控制軟體,進而包辦一個武力投射平台上所有相關的電磁波收發機能 。這種全功能陣列天線能根據戰場上的需求,將天線分組來執行所需的各種功能,而分配給各功能的T/R單元數量也是完全根據任務所需。前述美國APG-77以及歐洲EADS集團正為EF-2000戰機發展的新型CAESAR主動相控陣,便打算以一面陣列雷達天線包辦 以往在一架戰機上需要各式天線分工合作才能完成的全部機能,包括多功能雷達(包括對空、地貌追沿等)、電子反制、電子反反制、被動電子信號監聽截收、敵我識別、通信傳輸、導航、飛彈導控傳輸等等。 而德國海軍研發中的「2020年水面艦艇計畫」(FDZ-2020)中,也預計採用 一種IMSEM整合式多頻譜電子桅杆系統, 以一座配備多頻譜相控陣天線系統的封閉式桅杆來包辦一艘艦艇所需的各種電磁波收發機能,包括導航搜索、對空/平面搜索、追蹤、射控導引、電子戰、通訊、指管通情、資料鏈傳輸等等。

 

光控相控陣

以往無論被動或主動式相控陣,所有組件不外乎電子、電路與電磁組件,包括磁控管、行波管、波導、移相器、T/R組件等;然而這些電磁與電子組件無可避免會產生 電磁干擾,電磁信號在傳輸處理過程中也難免有衰退問題,這些都會影響處理。

此外,過去任形式的相控陣雷達,波束都是透過移相而合成,波束的發射方向的基本公式如下:

其中y表示此一發射單元的位置,Ψ是此發射單元信號的相位,f為此發射單元的微波頻率。由於每個發射單元在天線上的位置固定,為了達成固定的波束出射角度θ,信號相位Ψ與頻率f成正比關係。這在窄頻寬微波信號中沒有問題,但在寬頻帶信號中,不同頻率的信號會得到不同的波束發射角度,造成波束偏移,無法在高頻寬的情況下工作。為了為了提高雷達的分辨率、目標識別能力以及達成較好的多目標成像能力,高瞬時頻寬成為新一代相控陣雷達的必然需求;而為了對抗反輻射飛彈的威脅,相控陣雷達也必須採用大瞬時頻寬的擴頻信號。

為了解決前述傳統相控陣的先天問題,以光學、雷射控制組件取代過去電子、電磁組件的「光控相控陣」遂孕育而生。在傳統相控陣的移相體制下,信號相位Ψ與頻率成以下公式的關係:

而這種移相可以透過延時τ來實現:

 

如果每個天線的控制單元間用延時來取代移相,每個頻率分量都將在同一方向射出,這種方法就稱為真延時(TTD);而光學控制組件就可以達成真延時,使得波束發射角度不再跟微波信號頻率有直接關係。如此,就能使相控陣在高頻寬下順利工作。

在傳統移相原理的有源相控陣的體制之下,相控陣的微波信號產生後分到陣面上每一個陣列元件,每個陣列單元先將信號移相然後放大,最後輻射出天線前端並形成高指向性波束。而在光控相控陣的體制之下,雷達發射係由雷射組件產生控制信號,通過一個光電信號調制器(由在雷達頻率下工作的微波發生器產生微波信號加以控制)得到雷達的調製光信號,此一光信號經由一個信號傳輸陣列(經由光纖傳輸)分雷達陣列上的每一個元件,每個雷達陣列元件分配到一個調製光信號。每個雷達陣列由延時單元(取代過去的移相單元)、探測單元、解調與放大單元與天線收/發組件構成,進入每個陣列元件的光信號先經過延時,然後通過探測單元,探測單元被光信號激發後產生微波信號(此後的過程就與傳統雷達無異),再經由解調變與放大,最後由收/發天線組件輻射到大氣中;由於每一路光信號經過不同的延時,被探測到並產生的微波信號之間就自然產生不同的移相,取代了過去靠調節頻率來移相的機制。而在雷達接收信號時,天線接收到的電磁信號透過光學數位類比轉換器(AD),經由光學取樣轉成數位光學信號,經平行化之後轉為電子信號由電腦接收。以往相控陣雷達接收端是將天線接收到的電磁波透過類比數位轉換器(ADC)轉成電子信號然後進行採樣,相較之下光學由於具有平行性、可同時多處理而不相互干擾(電磁信號向周圍輻射的電磁波會彼此干擾),能處理的頻寬大於傳統ADC,此外光學裝置的雜訊也低得多。

相較於傳統相控陣,光控相控陣有許多優點:首先,以光調製信號取代過去微波調製信號,以光纖作為傳輸介質,相較於傳統用於饋電、傳輸信號的電纜線路,無論重量與尺寸都大幅降低。更重要的是,光信號在光纖傳輸過程中損耗遠低於微波信號在電纜線路傳遞,而且電磁信號在傳輸過程中難免受到外界電磁干擾(EMI)和電磁脈衝干擾(EMP),但光信號完全不會有這類問題,這能大大改善雷達的性能。再者如同前述,光信號透過延時來控制波束發射方,與微波頻率無關,使雷達波可以應用在很高的工作寬帶。

理論上,由於光控相控陣,以往受限於先天電磁物理特性而難以做到的軟體雷達(完全由計算機控制合成不同波形與頻率的信號),廣泛應用光控技術之後也可以做到;透過計算機控制雷射光組件,能準確地產生所需的波形,並能直接取樣計算。而一旦發射端與接收端的光學數位類比轉換技術都獲得重大突破,整個系統能收/發處理的頻寬涵蓋過去不同雷達的頻帶(如X頻、S頻、L頻等),同一部光控相控陣雷達理論上就能包辦以往各種不同雷達的機能。

 

(註一) 一般相位陣列雷達在同一時間只能「發射」一道波束,而相位陣列雷達同時執行的幾個功能(例如搜索、追蹤不同目標以及飛彈射控等)是透過「分時多工」的方式共用天線,以極高的速度切換。而新的數位波束成形(Digital Beam Forming,DBF)技術配合主動相控陣天線,則能讓雷達真正同時發射多道波束,連續不間斷地同時執行不同工作。

(註二)當然,這並非意味相控陣不必遵守基本物理定律。在相同的操作頻率與發射功率下,天線單元數較多(意味等效孔徑較大)的相控陣天線,波束的強度、集中度以及旁波瓣的抑制程度要優於天線單元數較少者。

(註三)事實上,第三代戰鬥機使用的雷達天線便已經部分運用了陣列雷達的原理,其天線是由大量小型射頻單元構成的平面陣列,便能製造出更為集中筆直、旁波瓣更小的雷達波束。只是這類雷達的天線元件並不能直接控制波束的方位,還是需要透過天線的機械伺服機構來轉動天線。

(註四)美國在21世紀初期規劃的DDG-1000陸攻驅逐艦以三面相控陣天線涵蓋360度空域,故每面天線負責的方位角為120度。

(註五)美國在1960年代曾於少數RC-135大型機上部署的主動與被動相控陣,用於追蹤彈道飛彈等用途,堪稱是同類型系統的早期先驅;但此時主/被動相控陣領域的相關技術還沒有到成熟普及 的階段。

(註六)主動相控陣的天線本身固然性能非凡,但還是要靠對應的波束成形控制以及控制軟體的發揮,才能實際展現出優於被動相控陣之處。 收/發功能都集中在天線組件的主動相位陣列雷達,還是可以用傳統的類比方式進行波束成形,但只有應用全數位的收/發波束成形與控制,才能真正完全發揮主動相位陣列雷達的硬體理論潛力。

例如日本F-2戰鬥機的J/APG-1主動相控陣是由日本領先全球的砷化鎵半導體科技打造而成,但日本在雷達控制軟硬體的開發和系統整合功力不及 美國。在J/APG-1的工程模型(engineering model)展示階段曾在美國進行測試(約在1992年,不晚於1994年),美方對其評價不是很高;與美國當時採用機械天線的APG-68、70相較,J/APG-1的後端功能並不出色,並沒有任何APG-68、70所不具備的操作模式,而且偵測距離和旁瓣抑制表現不如APG-68(1992年);不過由於相控陣的先天優勢, J/APG-1的搜索同時追蹤(TWS)能力遠優於APG-68、70,合成孔徑(SAR)模式下的最小分辨率比起同樣在SAR模式的APG-70高出數倍;而 J/APG-1的平均故障間隔(MTBF)表現自然遠優於APG-68、70。而J/APG-1服役之後更由於一些系統整合並不成熟,初期實際性能表現比起老一代的F-5戰機相去不遠 (在2002年3月有消息傳出,其有效偵測距離僅37km,且多目標追蹤能力不穩定),完全沒能發揮主動相控陣天線的先天優勢 ;據信這是因為負責發展的三菱電機軟體編寫功力不夠,而且沒有充分考慮機鼻雷達罩外型與空速管對雷達波形造成的影響)。這些問題在兩年之後獲得改善,據說目前J/APG-1在一般情況下的的有效偵測距離比F-15的APG-63高出20%。

(註七)依照公式,在多個元件直線排列的陣列中,如果任兩單元之間都使用長度同為L的連接線,則天線餽電時,任兩相鄰單元之間的電磁波會產生的相位差是:2x圓週率*波長/L。在頻率掃瞄天線中,蛇形波導連接線的長度相當於L,已經固定,因此只要改變發射源的頻率,就能改變波束相位。