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相控阵雷达技术

作译者：张光义,胡明春,王建明等

出版时间：2024-01 千字数：760 版次：01-01 页数：572

开本：16开装帧： I S B N ：9787121467868

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纸质书定价：￥220.0

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第1章  概论	001
1.1  对雷达的新需求与相控阵雷达技术的发展	002
1.1.1  对雷达观测任务的新需求	002
1.1.2  对雷达性能的一些新要求	007
1.2  相控阵天线原理	010
1.2.1  相控阵线形阵列天线	011
1.2.2  平面相控阵天线	018
1.3  相控阵雷达的特点与应用	023
1.3.1  相控阵天线的主要技术特点	023
1.3.2  相控阵雷达的主要工作特点	026
1.4  相控阵雷达技术的发展	029
1.4.1  相控阵雷达的初期发展	029
1.4.2  战术相控阵雷达的发展	031
1.4.3  主要相控阵雷达类型及其特点	032
参考文献	034
第2章  相控阵雷达主要战术与技术指标分析	035
2.1  相控阵雷达系统的主要战术指标	036
2.1.1  雷达观察空域	036
2.1.2  雷达测量参数	039
2.1.3  测量精度	041
2.1.4  雷达的分辨率	042
2.1.5  处理多批目标的能力	044
2.1.6  数据率	045
2.1.7  抗干扰能力和生存能力	046
2.1.8  使用性能与使用环境	046
2.2  相控阵雷达系统的主要技术指标	047
2.2.1  工作波段选择	047
2.2.2  相控阵天线方案	051
2.2.3  雷达发射机的形式	053
2.2.4  信号波形	053
2.2.5  测角方式	055
2.3  相控阵雷达作用距离	055
2.3.1  脉冲雷达作用距离的几种形式	056
2.3.2  相控阵雷达的搜索作用距离	057
2.3.3  相控阵雷达的跟踪作用距离	060
参考文献	062
第3章  相控阵雷达工作方式	063
3.1  相控阵雷达数据率概念	064
3.2  相控阵雷达搜索方式设计	065
3.2.1  搜索数据率	065
3.2.2  搜索方式	067
3.3  相控阵雷达的跟踪工作方式	070
3.3.1  从搜索到跟踪的过渡过程	071
3.3.2  跟踪数据率与目标跟踪状态的划分	072
3.3.3  跟踪加搜索与边扫描边跟踪工作方式	074
3.3.4  跟踪时间的计算	076
3.3.5  跟踪目标数目的计算	077
3.4  相控阵雷达的信号能量管理	079
3.4.1  信号能量管理的调节项目与调节措施	079
3.4.2  按目标远近及其RCS的大小进行信号能量管理	081
3.4.3  搜索和跟踪状态之间的信号能量分配	081
3.4.4  波束驻留数目n的选择与信号能量管理	082
参考文献	085
第4章  相控阵雷达天线波束控制	086
4.1  平面相控阵天线波束控制器的基本功能与波束控制数码计算	087
4.1.1  相控阵雷达波束控制系统的基本功能	087
4.1.2  相控阵天线波束指向与波束控制数码的对应关系	088
4.1.3  跟踪状态时波束控制数码的计算	091
4.2  一维相控阵天线的波束控制数码计算	094
4.2.1  一维相扫三坐标（3D）雷达的波束控制数码计算	094
4.2.2  一维相扫两坐标（2D）雷达的波束控制数码计算	095
4.2.3  一维相扫两坐标雷达天线波束的倾斜现象	096
4.3  波束控制系统的其他功能	098
4.3.1  天馈线相位误差的补偿	098
4.3.2  频率捷变后进行天线波束指向修正时波束控制修正码的计算	099
4.3.3  随机馈相的实现	100
4.3.4  天线近场测试时球面波的补偿	101
4.3.5  天线阵面的相位监测	102
4.3.6  相控阵天线波束形状变化的控制	103
4.4  波束控制系统设计中的一些技术问题	103
4.4.1  波束控制系统的组成	103
4.4.2  减少波束控制系统设备量的一些技术措施	104
4.5  波束控制系统的响应时间与天线波束的转换时间	107
4.5.1  搜索状态时的波束控制系统的响应时间与天线波束转换时间	107
4.5.2  跟踪状态时的波束控制系统响应时间与波束转换时间	108
4.5.3  降低波束系统响应时间的措施	109
4.6  波束控制电流的计算	110
4.6.1  计算波束控制电流的意义	110
4.6.2  相位参考点的选择对波束控制电流起伏的影响	111
4.7  天线单元不规则排列的相控阵天线的波束控制数码计算	112
4.7.1  天线单元随意排列的平面相控阵天线的波束控制数码计算	113
4.7.2  环形阵天线的波束控制数码计算	114
4.8  最小波束跃度	115
4.8.1  天线波束跃度与波束控制数码的计算位数	115
4.8.2  波束控制数码的最大计算位数的上限	116
4.8.3  最小波束跃度的计算	117
参考文献	118
第5章  相控阵雷达天线与馈线系统	120
5.1  相控阵天线方案的选择	121
5.1.1  天线方案选择的主要依据	121
5.1.2  实现低副瓣相控阵雷达天线的方法	123
5.1.3  有源相控阵天线或无源相控阵天线的选择	127
5.1.4  多波束数目与波束形成方式	128
5.1.5  多极化发射与接收的实现	129
5.1.6  大瞬时信号带宽对相控阵天线的影响	130
5.2  共形相控阵天线的选择	130
5.2.1  采用共形相控阵天线的主要原因及其作用	131
5.2.2  共形相控阵天线	132
5.2.3  共形相控阵天线的波束控制	134
5.2.4  实现共形相控阵天线的条件	135
5.3  相控阵天线的馈电方式	136
5.3.1  强制馈电方式	136
5.3.2  空间馈电方式	138
5.3.3  视频馈电方式	143
5.3.4  光纤馈电方式	144
5.4  并联馈电与串联馈电	144
5.4.1  串联馈电方式	145
5.4.2  频率扫描天线	148
5.5  平面相控阵天线馈电网络的划分及其作用	151
5.5.1  平面相控阵天线按行、列方式实现的馈电网络	151
5.5.2  平面相控阵天线按小面阵方式实现的馈电网络	153
5.5.3  密度加权平面相控阵天线馈电网络的划分方法	155
5.6  移相器的选择	156
5.6.1  实现移相器的基本原理与对移相器的主要要求	157
5.6.2  用矢量调制器方法实现的移相器	157
5.6.3  “块移相器”的原理与应用前景	159
5.6.4  串联移相器	162
参考文献	164
第6章  相控阵雷达发射机系统	166
6.1  对高功率发射信号的需求	167
6.2  高功率发射信号的实现方法	169
6.2.1  集中式大功率发射机	169
6.2.2  集中式大功率发射机系统的效率计算	171
6.2.3  发射机输出端驻波系数计算	172
6.3  分布式子天线阵发射机的应用	173
6.3.1  分布式子天线阵发射机	173
6.3.2  分布式子天线阵发射机幅相一致性要求与监测	175
6.3.3  分布式子天线阵发射机系统对相控阵发射天线副瓣电平的影响	178
6.3.4  对子天线阵发射机功率分配网络的要求	180
6.3.5  子天线阵发射机幅相一致性的监测	183
6.3.6  子天线阵发射机系统的波束控制方式	186
6.4  子天线阵发射机的选择	187
6.4.1  电真空子天线阵发射机	187
6.4.2  固态子天线阵发射机	189
6.4.3  微波功率组件子天线阵发射机	191
6.5  完全分布式发射功率放大系统	193
6.5.1  完全分布式发射机分系统的组成	194
6.5.2  有源相控阵发射系统的能量指标	196
参考文献	199
第7章  相控阵雷达接收系统	200
7.1  相控阵雷达接收系统的组成与特点	201
7.1.1  组合馈电接收系统	202
7.1.2  空间馈电接收系统	204
7.2  单脉冲测角接收机	206
7.2.1  幅度比较单脉冲测角	207
7.2.2  相位比较单脉冲测角	210
7.2.3  相位和差单脉冲测角	212
7.3  单脉冲测角接收波束的形成方法	214
7.3.1  和差接收波束的独立形成	215
7.3.2  在子天线阵级别上实现和差波束的独立形成	216
7.4  相控阵雷达接收系统噪声系数计算	218
7.4.1  无源相控阵接收通道噪声系数的计算	218
7.4.2  有源相控阵接收天线噪声系数的计算	224
7.5  相控阵雷达接收系统动态范围计算	225
7.5.1  相控阵雷达接收系统动态范围	226
7.5.2  相控阵雷达接收系统中各级放大器的动态范围	230
7.5.3  压缩动态范围措施	232
参考文献	234
第8章  多波束形成技术	236
8.1  多波束形成在相控阵雷达中的重要作用	237
8.1.1  提高数据率对形成多波束的需求	238
8.1.2  接收多波束对提高雷达抗干扰能力和生存能力的作用	239
8.2  相控阵发射天线多波束形成方法与应用	247
8.2.1  形成发射多波束的方法	248
8.2.2  按时间先后顺序生成多个发射波束	248
8.2.3  并行发射多波束的形成	250
8.2.4  部分孔径发射多波束	253
8.3  Blass多波束形成及其应用	254
8.3.1  Blass多波束形成原理	254
8.3.2  在中频实现的Blass多波束	255
8.4  Butler矩阵多波束及其应用	257
8.4.1  Butler矩阵多波束原理	257
8.4.2  Butler矩阵多波束方向图的计算与特性	260
8.4.3  Butler矩阵多波束的应用	263
8.5  相控阵接收天线的多波束形成方法	267
8.5.1  在高频低噪声放大器后形成多个接收波束的方法	268
8.5.2  在中频形成多个接收波束的方法	271
8.5.3  在视频与光频形成多个接收波束	273
8.6  数字多波束形成方法	275
8.6.1  数字接收多波束形成的原理	276
8.6.2  用接收多波束形成的数字配相方法	278
8.6.3  用FFT实现接收多波束的形成	279
8.6.4  采用数字波束形成时幅相误差的补偿	281
8.6.5  数字接收多波束形成技术的应用	282
8.6.6  发射天线多波束的数字形成方法	286
参考文献	294
第9章  有源相控阵雷达技术	296
9.1  有源相控阵雷达发展简况与特点	297
9.1.1  发展简况	297
9.1.2  有源相控阵雷达天线的特点	299
9.2  T/R组件的功能与要求	302
9.2.1  T/R组件的构成与主要功能	302
9.2.2  对T/R组件的主要要求	306
9.3  T/R组件的类型与应用	310
9.3.1  中频T/R组件及其应用	311
9.3.2  数字式T/R组件	314
9.3.3  数字式T/R组件的工作特点	316
9.3.4  数字式T/R组件的应用	320
9.4  有源相控阵雷达低副瓣发射天线的实现	323
9.4.1  有源相控阵雷达发射天线低副瓣性能的实现	323
9.4.2  采用混合馈电结构对降低天线副瓣电平和研制成本的意义	326
9.5  有源与无源相控阵雷达天线的比较	330
9.5.1  影响采用有源相控阵雷达天线的一些因素	330
9.5.2  有源相控阵雷达天线与无源相控阵雷达天线功率的比较	331
9.5.3  两种有源相控阵雷达天线阵面散热的计算与阵面冷却	337
9.6  有源相控阵雷达功率、孔径的折中设计	339
9.6.1  T/R组件中功率放大器输出功率受限制情况下的折中方法	339
9.6.2  增加天线孔径对提高跟踪性能的作用	340
9.6.3  发射系统初级电源功率受限制时增加天线孔径的作用	341
9.7  空间馈电在有源相控阵雷达中的应用	342
9.8  有源相控阵雷达的应用及有关技术特点	343
9.8.1  地基与海基有源相控阵雷达	344
9.8.2  机载有源相控阵雷达	350
9.8.3  空间载有源相控阵雷达	353
参考文献	357
第10章  宽带相控阵雷达技术	359
10.1  对宽带相控阵雷达的需求	360
10.1.1  获得高分辨率的需求	360
10.1.2  高测距精度的实现	362
10.1.3  目标分类、识别需求	362
10.1.4  采用宽带雷达信号的其他需求	363
10.2  相控阵雷达天线对雷达瞬时信号带宽的限制	364
10.2.1  相控阵雷达天线波束方向图与信号频率的关系	364
10.2.2  信号频率变化对波束指向变化的影响	366
10.2.3  瞬时信号带宽受天线孔径渡越时间的限制	368
10.2.4  阵列天线对LFM信号调频速率的限制	370
10.3  宽带相控阵雷达天线实时延迟补偿的实现方法	372
10.3.1  实时延迟补偿对提高相控阵雷达天线宽带性能的作用	372
10.3.2  子天线阵级别上的实时延迟补偿	374
10.4  实时延迟的实现方法	379
10.4.1  在光波波段实现TTD的方法	379
10.4.2  并联与串联馈电结构的光控实时延迟系统	381
10.4.3  在中频与视频实现TTD的方法	388
10.5  宽带调频信号的产生与处理	392
10.5.1  大时宽带宽乘积信号的产生	392
10.5.2  宽带雷达信号处理中的时频变换方法	394
10.6  宽带相控阵雷达的分辨率	398
10.6.1  距离分辨率	398
10.6.2  宽带相控阵雷达的速度分辨率	404
10.6.3  宽带相控阵雷达的角分辨率	409
10.7  宽带相控阵雷达系统中的失真与修正	413
10.7.1  多普勒频率与距离修正	413
10.7.2  采用宽带高分辨率信号时电离层电波传播影响的修正	418
参考文献	421
第11章  新型高性能半导体器件在相控阵雷达技术中的应用	422
11.1  采用硅基高集成度半导体器件的相控阵雷达	423
11.1.1  硅基高集成度射频微波芯片	424
11.1.2  硅基高速数字器件	433
11.2  采用新型化合物半导体器件的相控阵雷达	443
11.2.1  对固态T/R组件的一些新要求	443
11.2.2  宽禁带半导体器件	445
11.2.3  InP半导体器件	459
11.3  采用微系统技术的相控阵雷达	462
11.3.1  高密度集成无源器件	463
11.3.2  微系统三维异构集成技术	470
11.3.3  晶体管级异质集成技术的应用	480
参考文献	487
第12章  微波光子相控阵雷达技术	491
12.1  微波光子相控阵雷达的发展概况与技术特点	492
12.1.1  发展概况	492
12.1.2  微波光子技术的特点	496
12.2  射频光传输网络及其应用	497
12.2.1  射频光传输链路	498
12.2.2  基于射频光传输的合成与分配网络	505
12.2.3  相控阵雷达中射频光传输网络的应用	507
12.3  微波光子波束形成方法	509
12.3.1  超宽带光延迟技术	509
12.3.2  光波束形成架构的设计	513
12.3.3  相控阵雷达中光波束形成的应用	518
12.4  微波光子信号产生的方法	519
12.4.1  低相位噪声本振信号的产生	521
12.4.2  超宽带信号的产生	524
12.4.3  相控阵雷达中光信号产生技术的应用	528
12.5  微波光子信号接收	531
12.5.1  微波光子信道化接收技术	531
12.5.2  微波光子模数转换技术	534
12.5.3  相控阵雷达中光接收机的应用	537
12.6  光处理与光计算技术	538
12.6.1  非相参光处理与光计算技术	539
12.6.2  相参光处理与光计算技术	540
12.6.3  相控阵雷达中光处理技术的应用	543
12.7  微波光子相控阵雷达的系统应用与展望	544
12.7.1  微波光子相控阵雷达的应用	545
12.7.2  微波光子相控阵雷达发展趋势	547
参考文献	548

总  序
雷达在第二次世界大战中得到迅速发展，为适应战争需要，交战各方研制出从米波到微波的各种雷达装备。战后美国麻省理工学院辐射实验室集合各方面的专家，总结第二次世界大战期间的经验，于1950年前后出版了雷达丛书共28本，大幅推动了雷达技术的发展。我刚参加工作时，就从这套书中得益不少。随着雷达技术的进步，28本书的内容已趋陈旧。20世纪后期，美国Skolnik编写了雷达手册，其版本和内容不断更新，在雷达界有着较大的影响，但它仍不及麻省理工学院辐射实验室众多专家撰写的28本书的内容详尽。
我国的雷达事业，经过几代人70余年的努力，从无到有，从小到大，从弱到强，许多领域的技术已经进入了国际先进行列。总结和回顾这些成果，为我国今后雷达事业的发展做点贡献是我长期以来的一个心愿。在电子工业出版社的鼓励下，我和张光义院士倡导并担任主编，在中国电子科技集团公司的领导下，组织编写了这套“雷达技术丛书”（以下简称“丛书”）。它是我国雷达领域专家、学者长期从事雷达科研的经验总结和实践创新成果的展现，反映了我国雷达事业发展的进步，特别是近20年雷达工程和实践创新的成果，以及业界经实践检验过的新技术内容和取得的最新成就，具有较好的系统性、新颖性和实用性。
“丛书”的作者大多来自科研一线，是我国雷达领域的著名专家或学术带头人，“丛书”总结和记录了他们几十年来的工程实践，挖掘、传承了雷达领域专家们的宝贵经验，并融进新技术内容。
“丛书”内容共分3个部分：第一部分主要介绍雷达基本原理、目标特性和环境，第二部分介绍雷达各组成部分的原理和设计技术，第三部分按重要功能和用途对典型雷达系统做深入浅出的介绍。“丛书”编委会负责对各册的结构和总体内容审定，使各册内容之间既具有较好的衔接性，又保持各册内容的独立性和完整性。“丛书”各册作者不同，写作风格各异，但其内容的科学性和完整性是不容置疑的，读者可按需要选择读取其中的一册或数册。希望此次出版的“丛书”能对从事雷达研究、设计和制造的工程技术人员，雷达部队的干部、战士以及高校电子工程专业及相关专业的师生有所帮助。
“丛书”是从事雷达技术领域各项工作专家们集体智慧的结晶，是他们长期工作成果的总结与展示，专家们既要完成繁重的科研任务，又要在百忙中抽出时间保质保量地完成书稿，工作十分辛苦，在此，我代表“丛书”编委会向各分册作者和审稿专家表示深深的敬意！ 
本次“丛书”的出版意义重大，它是我国雷达界知识传承的系统工程，得到了业界各位专家和领导的大力支持，得到参与作者的鼎力相助，得到中国电子科技集团公司和有关单位、中国航天科工集团公司有关单位、西安电子科技大学、哈尔滨工业大学等各参与单位领导的大力支持，得到电子工业出版社领导和参与编辑们的积极推动，借此机会，一并表示衷心的感谢！

王小谟
中国工程院院士
2012年度国家最高科学技术奖获得者
2022年11月1日

前  言
采用相控阵天线的雷达称为相控阵雷达。相控阵天线具有波束指向、波束形状快速变化能力，易于形成多个波束，可在空间实现信号功率合成。这些特点使相控阵雷达可完成多种雷达功能，具有稳定跟踪多批高速运动目标的能力，在单部发射机功率受限制的条件下，也能获得要求的特大功率，为推远雷达作用距离、提高雷达测量精度和观测包括隐身目标在内的各种低可观测目标提供了技术潜力。
从20世纪60年代开始，相控阵雷达技术获得了很大发展和应用，当时，主要用于探测空间目标。为了观察高速飞行的卫星和洲际弹道导弹，雷达必须具有快速转换天线波束指向、高速跟踪多批目标的能力，要求雷达发射机的平均输出功率达到几百千瓦到一兆瓦以上，而只有采用相控阵技术方能满足这些要求。
为适应现代高科技战争的特点，对雷达要观测的目标种类、测量参数等都提出了许多新要求。在这种情况下，雷达应能观测隐身目标、小型目标、低空目标以及具有复杂运动状态的多批目标，在强杂波、强干扰和硬打击条件下工作，具备目标分类、识别等能力，更使雷达发展面临新的巨大挑战。
相控阵雷达技术为解决上述问题提供了技术潜力，因而其发展受到国内外各方的普遍重视。目前，相控阵雷达技术已广泛应用于几乎所有类型的军用雷达，包括各种机载、星载合成孔径雷达；在军民两用、民用雷达中，如高性能气象雷达、空间载气象探测雷达也开始采用相控阵雷达技术。
由于相控阵雷达及采用相控阵天线的通信、导航、电子（信息）对抗等系统的应用日益广泛，从事相控阵雷达及各类系统研制的相关单位及科技工作者逐渐增多，有深入了解相控阵雷达及其技术的需求。为此，基于作者多年从事相控阵雷达研制工作的经验与总结，并结合为科技人员和研究生关于相控阵技术的授课资料编写了本书，以奉献给广大读者。本书是“雷达技术丛书”中的一册，既可供从事相控阵雷达系统及其他相关领域的研究、设计、制造、使用、操作、维护等方面的科研人员、工程技术人员和部队官兵学习使用，也可作为高等院校电子工程及相关专业的研究生和高年级本科生的参考书。
本书共12章。第1章为概论，主要介绍相控阵天线原理。第2章为相控阵雷达主要战术与技术指标分析。第3章讨论相控阵雷达工作方式，重点讨论相控阵雷达搜索与跟踪工作方式、相控阵雷达信号的能量管理等问题。第4章介绍相控阵雷达天线波束的控制，主要讨论相控阵雷达天线波束捷变能力及其实现，包括天线波束指向的高速扫描和波束形状的捷变等。第5章介绍相控阵雷达天线与馈线系统，包括相控阵天线方案的选择、相控阵天线的馈电方式、平面相控阵天线馈电网络的划分与移相器的选择等。第6章讨论相控阵雷达发射机系统，包括子天线阵发射机的选择与应用。第7章讨论相控阵雷达接收系统，单脉冲测角接收波束的形成与单脉冲测角接收机、相控阵雷达接收系统噪声系数与动态范围的计算是本章的重要内容。第8章着重讨论多波束形成技术，包括发射天线多波束和接收天线多波束的形成方法与算法。第9章介绍有源相控阵雷达技术，包括发射/接收组件及有源相控阵雷达的一些应用分析。第10章讨论宽带相控阵雷达技术，包括对宽带相控阵雷达的需求、相控阵雷达天线对雷达瞬时信号带宽的限制、宽带相控阵雷达天线实时延迟补偿的实现方法、宽带相控阵雷达的分辨率和宽带相控阵雷达系统中的失真与修正等问题。第11章介绍新型高性能半导体器件在相控阵雷达技术中的应用。第12章介绍微波光子相控阵雷达技术。
本书的写作得到作者所在单位——中国电子科技集团公司第十四研究所所领导的大力支持，具体写作过程中得到孙磊、金林、林幼权、王盛利、刘兆磊等研究员的帮助和支持，电子工业出版社刘宪兰编审对本书出版做出了贡献。第1章至第10章由张光义、赵玉洁编写，胡明春、王建明审校；参加第11章编写的主要作者有胡明春、阮文州、施鹤年、盛世威、吴小玲、张岳华、边照科、戴家赟、王琦、孙伟、朱德政、汪粲星，参加第12章编写的主要作者有王建明、杨予昊、夏凌昊、李大圣、邓大松、邵光灏、叶星炜、谈宇奇、董屾、刘昂、翟计全、张瑶林、冯晓磊。全书由张光义、胡明春、王建明、赵玉洁总审。

编著者  
2023年1月

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