相控阵雷达（Phased Array Radar）是现代雷达技术的核心之一，它通过电子方式控制天线阵列中每个辐射单元发射或接收信号的相位，从而实现对雷达波束方向的快速、灵活控制，取代了传统的机械扫描方式。根据雷达信号功率放大器的位置不同，相控阵雷达主要分为两大类：无源相控阵雷达（Passive Phased Array Radar, PPAR）和有源相控阵雷达（Active Phased Array Radar, APAR）。理解这两者之间的区别，对于认识现代雷达技术的发展至关重要。
相控阵雷达的基本原理
无论是无源还是有源相控阵雷达，其核心都是利用“相干叠加”的原理来形成和控制雷达波束。天线阵列中的每个辐射单元发射或接收的信号具有特定的相位关系。通过精确控制这些信号的相位，可以在特定方向上使电磁波信号实现建设性干涉（波峰与波峰叠加，增强信号），而在其他方向上实现破坏性干涉（波峰与波谷叠加，削弱信号）。这样就形成了一个指向性很强的雷达波束。改变每个单元的相对相位，就可以改变波束指向，实现电子扫描。
与机械扫描雷达相比，相控阵雷达具有以下显著优势：
- 扫描速度快：波束指向改变是电子完成的，速度极快，可以在微秒级别切换波束方向。
- 多目标跟踪能力强：可以快速在多个目标之间切换波束，甚至同时形成多个独立波束（尤其是APAR），实现对大量目标的同步探测和跟踪。
- 功能多样化：可以通过软件控制波束形状、带宽、波形等，实现多种工作模式的切换，如搜索、跟踪、目标识别、电子对抗等。
- 可靠性高：尤其是APAR，其分布式架构使其具备“故障弱化”（Graceful Degradation）能力。
然而，相控阵雷达的复杂性较高，成本通常也比同等性能的机械扫描雷达要高。
无源相控阵雷达 (Passive Phased Array Radar, PPAR)
结构原理
无源相控阵雷达的“无源”体现在其天线阵列本身不具备发射射频信号的能力，即每个天线单元后面没有独立的发射/接收模块。
发射链路
- 中央高功率发射机：雷达的核心有一个单一的、高功率的发射机，产生射频脉冲信号。
- 功率分配网络：发射机产生的高功率信号通过一个复杂的馈电网络（通常是波导管或同轴电缆）分配到阵列中的每一个辐射单元。
- 移相器：在信号到达每个辐射单元之前，会经过一个移相器。这些移相器根据波束指向的要求，对信号施加精确的相位延迟。
- 辐射单元：经过移相后的信号由天线阵列中的辐射单元发射出去。
接收链路
- 辐射单元：天线阵列接收到目标反射回来的微弱回波信号。
- 移相器：接收到的信号同样经过同样的移相器（在接收模式下调整相位）。
- 信号合成网络：经过移相的信号通过一个信号合成网络（与发射时的功率分配网络类似，但方向相反）将来自所有单元的信号叠加合成。
- 接收机：合成后的信号送入一个或少数几个接收机进行放大、下变频和信号处理。
特点与性能
- 发射功率：由单一的中央发射机决定，通常采用速调管或行波管等真空管器件来产生高功率。
- 多波束能力：通常只能在某个时刻形成一个高增益的波束，通过快速切换波束方向来实现对多个目标的扫描和跟踪。同时形成多个完全独立的波束非常困难且效率低下。
- 可靠性：由于依赖中央高功率发射机和复杂的馈电网络，任何一个关键组件（如发射机、主馈线）发生故障，可能导致整个雷达系统失效（单点故障）。
- 效率：高功率信号在馈电网络中分配和传输时会产生损耗，降低了系统的总效率。
- 带宽：馈电网络的带宽限制了雷达的工作带宽和波形多样性。
- 成本：相对于有源相控阵，单部PPAR的制造成本在某些高功率应用中可能较低，因为高功率真空管虽然昂贵，但数量少于APAR的T/R模块。
优势
- 技术相对成熟，研制经验丰富。
- 在需要极高瞬时峰值功率的应用中，单一高功率发射机的方案可能更直接或成本较低（但需要权衡）。
- 相对于机械扫描雷达，具备相控阵雷达的固有优势（快速扫描、多功能等）。
劣势
- 存在单点故障风险。
- 多波束能力受限，难以实现真正的多任务并行处理。
- 馈电损耗影响效率和功率输出。
- 带宽和波形捷变能力受限。
- 移相器本身也会引入信号损耗。
有源相控阵雷达 (Active Phased Array Radar, APAR)
结构原理
有源相控阵雷达的“有源”体现在其天线阵列的每个辐射单元（或每几个单元）后面都有独立的发射/接收模块（Transmit/Receive Module, T/R Module）。T/R模块是APAR的核心。
T/R 模块
一个典型的T/R模块集成了以下功能：
- 功率放大器 (Power Amplifier, PA)：在发射模式下，将低功率的射频信号放大到所需的发射功率。
- 低噪声放大器 (Low Noise Amplifier, LNA)：在接收模式下，对接收到的微弱回波信号进行初步放大，同时尽量不引入额外噪声。
- 移相器 (Phase Shifter)：控制信号的相位，用于波束形成和扫描。
- 衰减器 (Attenuator)：控制信号的幅度，用于形成波束的副瓣控制或幅度加权。
- 收发开关 (Transmit/Receive Switch)：在发射和接收模式之间切换信号路径。
- 控制电路：接收来自雷达主控计算机的指令，控制移相器、衰减器和开关。
发射链路
- 低功率激励源：雷达系统产生一个低功率的射频信号。
- 信号分配网络：低功率信号分配到每一个T/R模块。
- T/R 模块 (发射)：每个T/R模块内部的移相器调整信号相位，然后功率放大器将信号放大。
- 辐射单元：经放大和移相后的信号由各自对应的辐射单元独立发射出去。
注意：这里的发射功率是分布式的，由成百上千甚至上万个T/R模块共同贡献总的有效辐射功率（Effective Radiated Power, ERP）。
接收链路
- 辐射单元：天线阵列的每个辐射单元接收到回波信号。
- T/R 模块 (接收)：每个T/R模块内的低噪声放大器对信号进行放大，移相器调整信号相位，然后将信号输出。
- 信号合成网络：来自所有T/R模块的信号通过一个信号合成网络叠加，形成最终的接收信号。
- 接收机/数字接收机：合成后的信号（或从每个T/R模块直接输出的数字化信号）送入接收机或数字信号处理器进行后续处理。
特点与性能
- 发射功率：总功率是所有T/R模块输出功率的总和。由于是分布式放大，避免了中央馈电网络的损耗，能量利用效率更高。
- 多波束能力：这是APAR最突出的优势之一。通过为不同的T/R模块设置不同的相位控制指令，APAR可以在同一时间形成多个完全独立、指向不同方向的发射或接收波束，实现真正的多任务并行处理（如同时进行搜索、跟踪、目标识别、干扰等）。
- 可靠性：T/R模块数量众多，单个或少量模块失效不会导致整个雷达瘫痪，只会略微降低性能（如波束增益略有下降）。这被称为“故障弱化”能力。
- 效率：由于功放在靠近辐射单元的地方，减少了高功率传输损耗，整体效率更高。使用半导体器件（如砷化镓-GaAs或氮化镓-GaN）作为功放，效率和带宽性能优于传统的真空管。
- 带宽与波形：半导体功放和接收机具有更宽的工作带宽，更容易实现复杂的波形生成和处理，提升了雷达的抗干扰能力、分辨率和目标识别能力。
- 体积与重量：早期APAR的T/R模块可能体积较大，但随着技术发展，特别是GaN技术的应用，T/R模块正变得越来越小、功率密度越来越高，使得APAR在体积和重量上更具优势。
- 成本：单个T/R模块成本较高，且需要大量的模块组成阵列，因此整个APAR系统的初始制造成本通常高于同等阵列尺寸的PPAR。但其全寿命周期成本、性能和可靠性优势往往能弥补这一点。
优势
- 具备出色的多任务并行能力，可同时形成和控制多个独立波束。
- 具备故障弱化能力，系统可靠性高。
- 更高的发射效率和能量利用率。
- 更宽的工作带宽和更灵活的波形生成能力。
- 潜在的更远的探测距离或更高的探测精度。
- 随着技术发展，模块趋于小型化和低成本化。
劣势
- 初始制造成本通常较高。
- 需要大量的T/R模块，集成和测试复杂。
- 散热设计挑战更大，每个模块都会产热。
核心区别对比总结
以下表格总结了无源相控阵雷达与有源相控阵雷达的主要区别：
- 功率放大器位置：
- PPAR：中央高功率发射机。
- APAR：分布式，每个T/R模块都有独立的功率放大器。
- 发射信号路径：
- PPAR：中央放大 -> 功率分配 -> 移相 -> 辐射。
- APAR：低功率信号分配 -> T/R模块（移相+放大）-> 辐射。
- 接收信号路径：
- PPAR：辐射 -> 移相 -> 信号合成 -> 接收机。
- APAR：辐射 -> T/R模块（放大+移相）-> 信号合成 -> 接收机/数字处理。
- 多波束能力：
- PPAR：通常只能同时形成一个高功率工作波束，通过快速切换实现对多个目标的扫描。
- APAR：可同时形成多个独立、同时工作的发射和接收波束。
- 可靠性：
- PPAR：存在单点故障风险，一个关键组件失效可能导致系统瘫痪。
- APAR：具备故障弱化能力，单个模块失效不影响系统主要功能。
- 效率：
- PPAR：馈电网络有损耗，效率相对较低。
- APAR：分布式放大靠近单元，馈电损耗小，效率较高。
- 带宽与波形：
- PPAR：受馈电网络和中央发射机限制，带宽和波形灵活性有限。
- APAR：基于半导体器件，带宽更宽，波形生成和处理灵活。
- 成本：
- PPAR：单部系统初始成本可能相对较低（特别是在需要极高瞬时功率时），但需权衡。
- APAR：模块数量多，初始制造成本通常较高，但全寿命周期成本和性能优势突出。
技术演进与未来趋势
在现代雷达技术的发展过程中，已经出现了从机械扫描雷达向无源相控阵雷达，再到有源相控阵雷达的明显趋势。有源相控阵雷达凭借其卓越的多功能性、可靠性、效率和性能潜力，正逐渐成为高性能雷达的主流选择。
特别是半导体技术（如GaAs和GaN）的快速发展，极大地推动了APAR的进步。GaN技术具有更高的功率密度、更高的效率和更好的耐高温特性，使得APAR的T/R模块可以做得更小、更轻、更强大，进一步提升了APAR的性能优势，并逐渐降低了其单位性能的成本。未来的雷达将更加智能化、集成化，APAR作为其核心，将继续发挥关键作用。
应用场景
无源相控阵雷达应用：
- 早期的预警雷达和多功能雷达（如部分型号的宙斯盾系统）。
- 一些陆基或舰载的搜索和跟踪雷达。
- 由于技术相对成熟，在一些对成本或研制周期要求较严的项目中仍有应用。
有源相控阵雷达应用：
- 军用领域：
- 战斗机雷达：现代先进战斗机（如F-22, F-35, 歼-10C, 歼-20, 阵风等）普遍采用APAR，以实现超视距空战、多目标攻击、高分辨率测绘、电子对抗等多种任务。
- 舰载雷达：用于驱逐舰、护卫舰等舰艇的多功能相控阵雷达，实现对空/对海目标搜索、跟踪、火控制导等（如美国的SPY-6, 欧洲的SAMPSON/APAR, 中国的052D/055驱逐舰雷达）。
- 陆基雷达：地空导弹系统的火控雷达、地面防空预警雷达、炮位侦察雷达等。
- 预警机雷达：实现大范围空中和地面目标探测。
- 民用领域：
- 天气雷达：新一代天气雷达采用相控阵技术，可以更快、更准确地探测和预测恶劣天气。
- 车载雷达：用于自动驾驶和高级辅助驾驶系统（ADAS）的高性能毫米波雷达。
- 卫星通信/遥感：卫星上的通信天线阵列或合成孔径雷达(SAR)也可能采用有源相控阵技术。
结论
总而言之，有源相控阵雷达与无源相控阵雷达的核心区别在于功率放大环节的位置和架构。PPAR采用中央高功率发射机，信号在分配和传输过程中经移相器控制；而APAR采用分布式架构，每个天线单元后都有独立的T/R模块进行功率放大和移相。
这种架构上的差异带来了性能上的巨大鸿沟。APAR在多波束能力、可靠性、效率、带宽和功能灵活性等方面具有PPAR难以企及的优势，是现代高性能雷达技术发展的主流方向。虽然APAR的初始成本通常较高，但其卓越的性能和全寿命周期价值使其在军事和高端民用领域得到了越来越广泛的应用。未来的雷达发展将更加聚焦于提高T/R模块的性能、降低成本、提升智能化水平，进一步巩固APAR的技术主导地位。
