相控阵雷达（Phased Array Radar），又称电子扫描阵列（ESA）雷达，是一种利用不同天线单元发射（接收）电磁波的相位差在空间合成高指向性、高增益、可转动的波束，从而实现对目标的搜索和跟踪的雷达系统。它主要由接收系统、发射系统、天线、波控系统等构成。

类型特点

有源相控阵雷达：将移相、放大、收发转换及接收/放大功能集成到单独的有源收发模块，系统能量损耗远低于无源相控阵雷达，成为目前主要发展的相控阵雷达类型。典型代表包括远程预警AN/FPS-115“铺路爪”、F-22战斗机的AN/APG-77等。

无源相控阵雷达：典型代表是美国伯克级驱逐舰的AN/SPY-1。无源相控阵雷达采用集中功率发射，利用无源网络（如波导）来分配发射功率或利用透镜系统通过自由空间将功率分发至相位可控的辐射单元。无源相控阵雷达只有一个中央发射机和接收机，发射出来的高频能量由计算机分配给天线阵列中的各个辐射器。

发展历史

冷战前

相控阵雷达的发展最早可追溯到20世纪30年代，最初由德国在“爱神”雷达的基础上研制成功，其天线用移相器馈电的2x6个极子阵组成，产生的波束在垂直面可控。1935年9月，英国人R.A.Watson Wat首先研制出频率为12MHz、探测距离达64km的脉冲雷达。同时期，美国也开展了此项研究工作，但直到20世纪50年代中期才由美国休斯飞机公司研制出两部实用型舰载相控阵雷达AN/SPS-32和AN/SPS-33，并装备于“企业”号航空母舰。

冷战初期

20世纪60年代末，相控阵雷达开始正式问世，主要是为了实现对洲际弹道导弹的预警。当时，只有天线波束或跳变相控阵能实现灵活扫描，满足远程导弹的战略预警需求。1958年，美国本迪克斯公司研制出一部超高频面阵电扫雷达，其天线由90个辐射单元组成矩形面阵，采用抽头延迟线实现波束控制。20世纪60年代以后，伴随相控阵天线理论与实践的进展、微电子技术和数字计算机技术的进步，相控阵雷达的发展进入了高潮。美国和前苏联相继研制和装备了多部大型地面相控阵雷达，多用于弹道导弹防御、外空目标监视及卫星观测，典型的如美国AN/FPS-85、MSR (导弹场地雷达)；前苏联的“鸡笼” 和“狗窝” 等。

冷战中期

20世纪70年代，相控阵雷达已成为世界许多国家竞相发展的雷达技术。英、法、日、德、瑞典等国相继加入了研究行列。1973年，美国雷神公司研制了AN/FPS-108代号“丹麦眼镜蛇”空间探测相控阵雷达，这是美国空军为了获取前苏联向勘察加半岛和太平洋发射洲际弹道导弹的试验数据而研制的雷达，采用了多项先进相控阵雷达技术。1976年，美国雷神公司开始AN/FPS-115相控阵雷达的研制和建造，该雷达主要用于监视前苏联的潜射巡航导弹和洲际弹道导弹。1970—1980年间，前苏联建成了“鸡栏”相控阵雷达系列、新建“鸡舍”大型相控阵雷达（LPAR）以及“当铺”和“药箱”反弹道导弹雷达。中国在此期间相继建成了大型单脉冲跟踪雷达和相控阵警戒试验雷达。

冷战后期

20世纪80年代后，由于电子计算机、超大规模集成电路、固态功率器件、砷化镓(GaAs)等半导体器件、各个波段移相器等技术日趋成熟，以及数字波速的形成、自适应理论和技术、低副瓣技术、智能化理论和技术的不断发展，使相控阵雷达性价比提升，得到较大发展。这一时期出现了与防空导弹相配套的多功能相控阵雷达，相控阵技术大量用于战术雷达，成为防空系统探测、跟踪和火力控制的主要传感器。美国陆军“爱国者”防空导弹系统、美国海军“宙斯盾”相控阵雷达系统和空军的B-1B系统等进入了批量生产。在空间监视方面，“铺路爪”全固态大型相控阵雷达取得了重大发展。中国也研制了各种高精度和多功能雷达，在防空导弹地面系统中引入了相控阵制导雷达。

20世纪90年代

随着逆合成孔径成像技术、低速动目标探测技术、低截获概率技术、机载共形相控阵天线技术、有源电扫阵列技术、用于无人机平台的机载相控阵技术等的发展和成熟，相控阵雷达又进入了新的发展阶段。全固态相控阵雷达进入实用阶段，美国用于反导的战区高空区域防御系统的TMD-GBR地基制导雷达是一部X波段全固态相控阵试验雷达，具有高分辨力，能够识别真假弹头。德国、荷兰、加拿大联合研制的APAR有源相控阵多功能雷达用于护卫舰上的防空导弹系统。

新世纪的发展

进入21世纪以来，相控阵雷达正向新型作战平台、新型探测体制扩展，向新工作频段延伸，并借助新型材料和先进加工工艺提高性能。如GaN集成电路峰值功率相当于GaAs的5~10倍，平均故障间隔时间达亿小时量级，成本降低34%以上。目前GaN取代GaAs在“爱国者”雷达上升级应用。采用模块化、规模化生产商用器件满足技术更新和成本要求，美国林肯实验室2010年公布了一种S波段低成本阵列，该阵列在5层印制电路板上集成了5个T/R组件，双极化设计，峰值功率8W，能够同时产生24个波束，每平方米面积上集成400个单元，每平方米价格5万美元。柯林斯公司2015年公布的X波段机载阵列包含512个单元，每单元功率2W，能够将成本降低至原来的1/50。

工作原理

相控阵雷达与传统机械扫描雷达的区别主要在于相控阵天线的采用。相控阵天线由多个天线单元组成，辐射单元少则几百，多则数千甚至上万。每个阵元（或一组阵元）后接一个可控移相器。通过控制这些移相器相移量的大小来改变各阵元间的相对馈电相位，从而改变天线阵面上电磁波的相位分布，使得波束在空间按一定规律扫描。如果精确控制天线单元辐射电磁波的幅度和相位，就可以在空间合成具有高指向性的天线波束。当改变每一天线单元通道传输信号的幅度和相位时，就可以实现天线波束的快速扫描与形状变化。发射时，输出信号经功率分配网络分为多路信号，再经移相器移相后送至天线单元，向空中辐射使天线波束指向预定方向。接收时，天线单元把接收到的回波信号通过移相器移相、经功率相加网络实现信号相加，送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。

主要结构

总体结构

相控阵雷达的组成与常规雷达基本相同，包括接收系统、发射系统、天线、波控系统等，具体由相控阵天线阵面、发射信号功率分配网络、接收信号相加与波束形成网络、发射机、频率源与波形产生器、通道接收机、雷达信号处理机、波束控制分系统、雷达主控计算机、数据处理计算机等组成。天线波束扫描由计算机控制，雷达工作状态的选择、转换和目标识别等是借助于计算机来完成。

信号发射系统

相控阵雷达的发射系统包括雷达信号发射机、发射馈电网络和相控阵发射天线等。相控阵雷达天线由许多独立的天线单元组成，整个天线可以分成若干个子天线阵。为了获得较高的发射机平均功率，在相控阵雷达中除了采用集中式高功率发射机外，还可采用分布式发射机，用多部发射机并行工作来获得所需的发射功率。极端情况下可以在每一个发射天线单元的输入端安置一部发射机（即有源相控阵），使每一个天线单元辐射的信号能量在空间进行功率合成。

信号接收系统

相控阵雷达接收系统的主要功能是接收雷达目标反射的回波信号、检测目标的存在和提取目标信息。接收系统包括相控阵接收天线阵、接收馈线、低噪声放大器、混频器、中频放大器和滤波器等。相控阵雷达接收系统的特点在于它是一个多通道的接收系统，每一个通道均可能包含有完整的高频放大器、混频器、中频放大器和正交I、O两路零中频接收机等电路。每一接收通道接收的回波信号与参考通道接收信号之间的相位差包含目标所在空间位置的信息。因此相控阵雷达接收系统除可在时间域或频率域检测信号外，还可实现空间滤波。

相控阵天线

相控阵天线由多个在平面或曲面上按一定规律布置的天线单元（辐射单元）和信号功率分配/相加网络组成。天线单元分布在平面上称为平面相控阵天线；分布在曲面上则称为曲面相控阵天线。如果该曲面与雷达安装平台外形一致称为共形相控阵天线。每个天线上都设置一个移相器，用以改变天线单元之间信号的相位关系，天线单元之间信号幅度的变化则通过不等功率分配/相加网络或衰减器来实现。在波束控制计算机调度下，改变天线单元间的相位和幅度关系便可以获得与所需天线方向图相对应的天线口径照射函数，从而可以快速改变天线波速的指向和天线波束的形状。

阵列天线按场源分布方式分为离散元阵列和连续元阵列；按天线阵元排列方式分为线阵、平面阵和立体阵。将各阵元排列在一直线上称为直线阵；排列在一平面或立体空间中，则分别称为平面阵或立体阵。

有源相控阵雷达结构

有源相控阵雷达主要包括信号发射系统、信号接收系统、相控阵天线等结构。有源的含义是辐射的功率在辐射组件内产生，雷达发射的信号与接收目标回波及其特性相匹配，实现发射与接收一体化设计。有源相控阵雷达结构是天线阵列不共用一个或少数几个发射机/接收机，而是每一个阵元后面都有功率放大器件（即T/R组件），相当于每一个阵元都有单独的发射机/接收机与之对应。

发射/接收组件（T/R组件）是有源相控阵雷达的关键部件，很大程度上决定其性能优劣。收发合一的T/R组件包括发射支路、接收支路、射频转换开关及移相器。每个T/R组件既有发射高功率放大器（HPA）、滤波器、限幅器，又有低噪声放大器（LNA）、衰减器及移相器、波束控制电路等。

无源相控阵雷达结构

无源相控阵雷达除了包括信号发射系统、信号接收系统、相控阵天线等结构外，与有源相控阵雷达最大的区别在于每一个阵列天线后面接一个移相器，移相器都接至一个发射机/接收机或者几个发射机/接收机，即发射机/接收机共用。

主要指标

相控阵雷达的指标分为战术指标和技术指标两大类，战术指标主要由使用方根据相控阵雷达担负的任务提出。

战术指标

战术指标主要有观察空域、测量参数和精度、分辨率、处理多目标能力、雷达生存能力、使用性能和使用环境等。观察空域包括雷达最大及最小作用距离、方位观察范围、仰角观察范围、雷达跟踪距离、引导距离和制导距离等。测量参数包括距离、方位、仰角等反映目标坐标位置的参数及目标速度、加速度等反应目标运动特性的参数。对于特殊用途的雷达，测量参数还可能包括一些反映目标特征的参数，如目标信号幅度的起伏、频谱特性和极化特征等。分辨率包括方位、仰角、距离分辨率及速度分辨率。处理多目标能力主要包括实时跟踪多批目标的能力及处理多批目标航迹相关的能力。雷达生存能力包括雷达的抗干扰、抗反辐射导弹、抗轰炸能力（机动性）等。使用性能和使用环境主要包括雷达工作的地理位置、高低温、潮湿性、盐雾程度、降雨量、风速、振动冲击、雷达的可维护性要求及可靠性要求、雷达运输条件、雷达天线的架设与折收时间，雷达开关机的最小需要时间和操作人员数量等。

技术指标

技术指标主要有波段、信号波形选择、发射机型式选择、信号处理方式、测角方法等。波段选择主要与雷达需要完成的功能有关，精密跟踪雷达通常选择较高频率的波段；担任搜索任务的雷达，由于监视空域大、作用距离远、处理目标多，多选用较低的频率；空间目标监视用雷达因作用距离高达数千公里，多采用VHF、UHF波段；火控雷达由于安装条件的限制和测角精度要求较高，采用较高的频率，如C、X波段，甚至采用毫米波波段。相控阵雷达用的信号波形种类一般较多，如美国AN/FPA-85有9种信号波形，脉冲宽度有1、5、10、25、125、250等多种。为实现不同工作模式和信号能量的管理，相控阵雷达信号的脉冲宽度、重复频率、信号带宽、脉冲串长度和信号编码方式均可能有多种变化。相控阵雷达信号的波形设计与雷达抗干扰及抗辐射导弹的要求有关，同时受到发射机方案的影响。不论是选用电真空器件还是固态功率器件做发射机，均需要考虑整个发射系统的效率和研制成本。对发射机效率、发射机能保证实现的信号宽度、发射机放大增益、相位噪声、调制形式、对（高压）电源的要求、冷却方法、寿命、可靠性、体积和重量等都需要全面加以比较。相控阵雷达通常采用主振动放大式发射机，脉冲串内各重复周期的信号是相参的，因此各种相参信号的处理方式均可采用，信号处理方式与信号波形设计是相关联的。相控阵雷达的角度测量方法多采用单脉冲测角法，单脉冲测角法原则上可分为相位比较法和幅度比较法两种，两种方法都可以根据一个脉冲回波信号在两个接收通道中的信号相位或幅度差异来对目标角度位置进行内插，从而得到准确的角度参数。

特点缺点

特点

相控阵雷达具有天线波速快速扫描，可以实现多目标搜索、跟踪与多种雷达功能；具有多波束形成能力，实现高搜索数据率和跟踪数据率；抗干扰能力好；具有低副瓣天线，可以与脉冲压缩捷变频等兼容。

优点

相控阵雷达相比传统雷达的典型特点是多目标跟踪能力强、扫描速度快、扩展能力强、可靠性高、抗干扰能力强。相控阵雷达有低峰值功率、高脉冲能量、高平均功率、具有高增益和低副瓣的天线阵列、具有低接收灵敏度和宽的瞬时带宽。多频段工作，抗干扰能力强，性能稳定可靠。相控阵雷达具有固定式的电扫天线，天线不需要机械驱动，可用增大天线尺寸来提高雷达威力。波束的形状和志向可灵活控制，电扫速度快，有利于实现同时跟踪多批目标或边跟踪边扫描，且接受波束和发射波束可以分别或统一控制。可以用若干中小功率的辐射源合成得到大的辐射功率。与计算机配合，波束转动方便自如，雷达工作状态可灵活转换，相控阵雷达多组件并联使用，少数组件失效仍可工作，可靠性高。

缺点

相控阵雷达主要缺点是单个平面天线扫描范围有限、整机装备庞大、复杂、造价高、维护费用大。扫描范围有限，通常一个平面天线阵扫描范围在90°x90°的立体角内，如果在半球范围内监视目标，往往需要有4个平面天线阵或球面、圆形以及圆柱形的天线阵。整机过于庞大、复杂，造价高，维护费用大。此外，相控阵雷达还存在以下缺点。在雷达或无线电设备的通带内的信号，不分敌我都能接收；不论雷达采用什么样的信号处理方式，只要干信比达到一定值，它就不能从干扰信号和有用信号的混合体中提取有用信号；虽然相控阵雷达天线的副瓣低，并且可以采取副瓣调零等措施，但它的天线副瓣仍不可能为0，还是有副瓣电平存在，这就使干扰机的副瓣干扰可以实施，只是需要更大的功率。

主要应用

大型战略预警

相控阵雷达的传统形象是由大型战略系统体现出来的。随着洲际弹道核武器的出现，国土战略预警变得更加复杂，常规超远程机械扫描雷达很难满足对洲际弹道导弹的精确预警。集成雷达、计算机、自动控制三大技术的相控阵雷达能够同时完成警戒、跟踪、制导和敌我识别等任务。如美国为改善潜地弹道导弹预警系统的能力，相继在其东海岸马萨诸塞州奥蒂斯空军基地、西海岸加利福尼亚州比利空军基地、佐治亚州罗宾斯空军基地和德克萨斯州古德费罗空军基地建成了四部全固态P波段大型全功能相控阵雷达，型号为AN/FPS-115（Pave Paws I、II、III、Ⅳ），这四部雷达探测范围覆盖了美国本土的东、西、东南、西南四个方向的海域。

战术防御

战术防御相控阵雷达也是正在生产和服务的系统，一般只有一维电子扫描的、有效的、平面阵列天线的远程战术防空雷达。通过电子扫描和机械扫描结合。目前代表性的战术相控雷达有AN/TPQ-37、AN/TPQ-36炮位侦察雷达，爱国者防空系统所使用的AN/MPQ-53雷达和宙斯盾防空系统使用的AN/SPY-1雷达。AN/MPQ-53是美国雷神公司研制的相控阵体制的地空导弹武器系统监视和跟踪雷达，在“爱国者”战术防空导弹武器系统中以时分方式完成搜索、跟踪制导、敌我识别和电子对抗等任务，在海湾战争中，1991年1月份“爱国者”导弹对伊拉克“飞毛腿”导弹的18次拦击中成功16次，拦击成功率88%。基于先进半导体射频攻击和放大器元件的有源电子扫描阵列雷达（AESA雷达）已广泛应用于中国空军的歼10C和歼20战斗机，以及052D型驱逐舰、055型大驱和陆基防空系统中。甚至许多民用雷达都采用有源相控阵雷达技术。

空间探测

空间目标探测相控阵雷达是多目标监测设备，可以同时监测多个目标，具有很强的搜索、发现新空间目标的能力，是目前金地空间目标监视的主要设备。空间目标探测相控阵雷达是一种自主搜索、截获、跟踪的空间目标设备，它通过测量目标的运动特性、雷达反射特性、多普勒特性获取目标信息，是空间目标监视系统的重要组成部分，可以实现对人造物体（导弹、卫星等）的空间进入、空间目标（航天器及解体的小目标）的飞行、离开空间再入过程进行监视。空间目标探测相控阵雷达针对各种空间目标（卫星、飞船、航天飞机、运载体、空间碎片等）实时进行探测、截获、跟踪、编目、分类、识别，提供空间目标活动态势和各种目标的特征，通过重点监视构成现实和潜在威胁的各种侦查卫星、空间武器平台等空间飞行器，实现空间预警。

气象探测

2023年第十届世界雷达博览会上，中国电科下属国睿科技宣布研制成功中国首部S波段双偏振相控阵天气雷达，并于2021年12月在福州闽侯成功完成架设，进入外场调试与观测阶段。该雷达采用数字波束合成、超低副瓣天线、软件化信号处理等先进技术，具有超高探测时空分辨率，其中径向分辨率可达30m，体扫周期最快90s，体扫仰角数可超过40层以上。可在短时间内，对台风、暴雨、雷暴等灾害天气进行立体化、精细化扫描，捕捉灾害天气内部复杂结构，揭示灾害天气快速演变过程。

典型相控阵雷达

无源相控阵雷达

AN/SPY-1

AN/SPY-1这种S波段相控阵雷达是美国海军“宙斯盾”武器系统的一部分，主要用于装备巡洋舰、驱逐舰和大型护卫舰。它有四相控阵孔径以提供无障碍半球覆盖范围（由4面各涵盖90°方位角的天线构成），每面天线约3.65m³。在早期结构中，接收时，使用68个子阵简单馈电系统，每个子阵包括64个波导型辐射器，总共4352个单元。发射时，子阵成对组合，32个子阵对给出4096个辐射的发射孔径，移相器有5位且是非可逆、磁力线激励、锁紧式石榴石的结构，直接向波导辐射器馈电。AN/SPY-1的特点是增强了沿海作战能力和反舰导弹防御能力。其弱点是缺乏对空中目标的二次搜索能力。此外，虽然AN/SPY-1系统能跟踪多个目标，但其有效识别目标的能力严重依赖于导弹制导专用照射雷达。

爱国者AN/MPQ-53、AN/MPQ-65

爱国者相控阵雷达是为陆军研制的一种多功能相控阵雷达系统，分为无源和有源，其中无源阵雷达型号有AN/MPQ-53、AN/MPQ-65，AN/MPQ-53是多功能无源相控阵雷达，集探测、识别、跟踪、制导、电子对抗等功能于一身，AN/MPQ-65是AN/MPQ-53的升级版。雷达频率为4~6GHz，使用光学馈电的透镜阵列形式，和差波瓣分别通过单脉冲馈源达到最佳。孔径呈圆形，包含大约5000个单元，在两个孔径上都使用4位的磁力线激励非可逆铁氧体移相器和波导行辐射器，安装在车辆上，可折叠，利于运输。

美国“丹麦眼镜蛇（Cobra Dane）”

“丹麦眼镜蛇”是一部庞大的L波段相控阵雷达，它是美国为收集洲际导弹试验情报而研制和部署的。它是一种稀疏阵，直径95ft，共有34768个单元，其中15360个单元是有源单元，其余是无源的。后期可能用有源单元替换。有源单元分成96个子阵，每个子阵有160个辐射器，瞬时带宽为200MHz，距离分辨力为2.5ft，可以探测目标尺寸和形状。

有源相控阵雷达

铺路爪（Pave Paws）

铺路爪相控阵雷达用于提供弹道导弹的预警，也可以实现对卫星的追踪，它是超高频固态相控阵雷达，其型号为AN/FPS-115。系统包括孔径相互倾卸120°的两端雷达，采用双面阵天线，可以提供240°总观测范围，工作频率420~450MHz，作用距离5500km，仰角覆盖：3°~85°，探测距离一般为4800km，可以检测到3000mile处10m²的目标。其主要用途是担负战略性防卫任务，可对潜射导弹攻击的预警与探测，提供导弹发射点、弹着点的瞬时位置和速度数据；可支援空间探测系统，探测并显示卫星在轨道上的位置和速度；可对扫描区内来袭的陆基洲际导弹预警，提供导弹发射点、弹着点的瞬时位置和速度数。其主要缺点是生存能力不强，装备非常庞大，难以隐蔽。

“狗窝（Dog House）”

“狗窝”相控阵雷达是莫斯科反弹道导弹网中7部大型固定相控阵雷达之一，具有截获和跟踪的能力，外形设计成“A”形，工作于100MHz的A波段，天线为双平面相控阵列，每个阵面约37m²，雷达的峰值功率为20MW，脉冲重复频率约50Hz/s，对小型目标的作用距离为2736km。“狗窝”雷达能接收“鸡栏”雷达等送来的目标提示信息，同时具有较强的干扰和诱饵对抗能力，能识别真假弹头。

“鸡栏（Henry House）”

“鸡栏”相控阵雷达部署于前苏联的伊尔库茨克、萨雷莎甘、波罗的海等基地，在弹道导弹防御系统中用作空间目标的检测和截获，向防御中心提供攻击的规模和攻击目标信号特征。雷达建筑物造型是一个中心建筑物和两个长长的形如“鸡笼”的阵列天线侧栏。雷达阵列天线长305m，高15m，阵面后倾45°，工作于大约150MHz的A波段，峰值功率为10MW，脉冲重复频率25~100Hz，最大作用距离6000~7000km，采用5波束空间扫描方式，方位和仰角分别为量波束复方向图扫描和一个圆方向图波束扫描。

发展趋势

先进芯片技术

砷化镓（GaAs）单片微波集成电路（MMIC）T/R组件已经成功应用于有源电扫相控阵雷达，F/A-18“大黄蜂”E/F战机部署的AN/APG-79有源电扫相控阵雷达可以同时工作于空对空和空对地模式。宽带氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的MMIC芯片可以使当前T/R组件的功率提高1~2个数量级。GaN芯片在现有的所有器件中输出峰值功率最高，采用GaN的MMIC芯片具有重量轻、冷却系统较简单、工作电压高、成本低、灵敏度高等优点，此外GaN的MMIC芯片可靠性较高，测试表明工作寿命达到106h。锗化硅（SiGe）芯片使用硅作基底，使用SiGe芯片可以用较低的成本获得更高的性能，可以把许多功能集成到单一芯片上。但输出功率和噪声系数方面较逊色。SiGe与GaAs芯片还无法竞争。CMOS芯片现在也可以工作于微波频段，也用硅作基底，并广泛应用。

词条图片

1

点击查看

相控阵雷达(图1)

2

点击查看

相控阵雷达(图2)

3

点击查看

相控阵雷达(图3)

4

点击查看

相控阵雷达(图4)

1/4

❮❯+-×