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剪水鹱的博客

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PESA与AESA  

2014-03-17 10:39:08|  分类: 科普 |  标签: |举报 |字号 订阅

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PESA与AESA - puffinus - 剪水鹱的博客

AESA 灵敏度优于 PESA 的原因从上面这张示意图里可以看得很清楚。左侧为 PESA 系统内信号路径,右侧为 AESA 系统内信号路径。LNA: low noise amplifier/低噪声放大器;duplexer: 双工器/收发转换开关。AESA 的辐射单元与 LNA 之间只有双工器和低能量接收机保护装置这两道 “关卡”,系统内部的单程典型信号损失 (不包括 LNA 自身信号损失在内,下同) 为 0.25 分贝,而 PESA 的 LNA 与辐射单元之间则存在接收机保护装置,波导,双工器,1 级与 2 级馈电装置,移相器 6 重 “收费站”,层层雁过拔毛,典型单程信号损失达 3.05 分贝。与 PESA 相比,机械扫描平板缝隙阵雷达省略了移相器及其馈电装置,单程信号损失相应下降大约 1.5 分贝。注意上述均为仅具参考价值的典型值,具体到雷达型号上还会有所变动,譬如 Su-35BM/S "超侧卫" 的 “雪豹”-E 雷达单程信号损失就高达 3.5 分贝,超过 PESA 的基准水平。

以主动方式工作时雷达信号当然是有去有回,系统内信号损失相应加倍。即 AESA 0.5 分贝,平板缝隙阵 3.1 分贝,PESA 6.1 分贝 (均为参考值,不要太较真,平板缝隙阵的损失其实要高些,因为其天线单元馈电信号损失虽远低于 PESA,却并非无损)。考虑到平板缝隙阵天线单元馈电系统的信号损失,并假设平板缝隙阵信号损失水平位于 AESA 与 PESA 的正中,可将上述信号损失值改写为 AESA 0.5 分贝,平板缝隙阵 3.3 分贝,PESA 6.1 分贝。如此,其它条件相同时,AESA 的信噪比即为平板缝隙阵的 191%,PESA 的 363%。

当然其它条件不会完全相同,平板缝隙阵和 PESA 使用的高性能行波管 (Traveling Wave Tube, TWT) 能量转换效率可达 50-60%,而 AESA 砷化镓 T/R 模块的能量转换效率通常为 30-40%,因此电气功率相同且孔径一致时,平板缝隙阵的信噪比可接近 AESA 的水平,而 PESA 与 AESA 的信噪比差距也将有所减少。但适用于空间紧张且对重量斤斤计较的战术飞机的高电压大功率 TWT 绝非省油的灯,不仅生产困难,可靠性也向来令地勤人员头疼至极。在平台电气和冷却功率够用的前提下,AESA 最易实现较高的发射功率。

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最新版本的 BARS 峰值功率 6.5 千瓦,系统单程信号损失 3.0 分贝。
 
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“雪豹”-E 峰值功率 18.6 千瓦,系统单程信号损失 3.5 分贝。

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假定兔子的砷化镓 T/R 模块技术比 MD 落后 10 年,则 J-16 和 J-10B 所使用的 T/R 模块单片发射功率应在 6-8 瓦之间。 

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J-16 的 1 米级天线原则上可容纳 2000 + T/R 模块,受到共军技术能力限制目前仅实现了 1700+ 的密度,峰值发射功率应在 10-14 千瓦,与 F-22 相当 (12 千瓦),高于 BARS 而低于 “雪豹”-E。由于系统信号损失较低,J-16 的 AESA 雷达整体信噪比显著优于 “雪豹”-E,后者的峰值功率需达到 J-16 雷达的 2 倍才能获得相同的探测半径。

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AESA 同时生成多个工作于不同频率 (受天线阵基本设计限制,上下浮动范围通常不超过 15%) 波束的能力更非 PESA 所能奢望。

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1600 T/R 模块熊版 “侧卫” AESA 雷达 (假想型号) 的探测能力,纵轴为截获距离 (海里),横轴为目标 RCS 值 (平方米)。J-16 配备的 AESA 雷达性能大致落在黄色与紫色曲线之间,对 -10 分贝级 (干净构型/挂载隐形武器舱的 F/A-18E/F) 目标的探测半径不小于 80 海里,从侧前方接战 F-35 时可在超视距武器有效射程外烧穿其隐形屏障。面对新一代 AESA 战斗机雷达,T-50 PAK FA 粗枝大叶的隐形设计 (前向 X 波段 RCS 很难低于 - 20 分贝) 显而易见是不够用的。

PS
信号损失率并非一成不变,而是随着技术进步逐渐缩小,譬如已退役多年的 F-14D 所使用的 AN/APG-71 型平板缝隙阵雷达系统内单向信号损失高达 9.0 分贝。微电子技术的进步意味着平板缝隙阵的发展潜力到 EF2000 的 “捕手” 已被榨干 (继续依靠降低子系统自噪声提高雷达性能的余地微乎其微),前进至 AESA 势在必行。
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