一直以来国外媒体和国内軍迷对于歼-10战斗机改进型（以下称为歼-10B）的机载火控雷达都存在着极大的兴趣，随着最近一款国产新型机载相控阵雷达的曝光由此引发嘚讨论分析也达到了相当的热度。笔者也想在此分析一番歼-10B的雷达技术及性能特点以求抛砖引玉。

　　机载火控雷达的发展阶段

　　雷達诞生于受到纳粹德国航空兵严重威胁的英国1937年研制成功，采用支撑于高塔之上的平行发射天线在二战前部署约20台，被形象地称为“夲土链”不列颠空战中发挥了极为关键的警戒、探测和空战引导作用。很快雷达这种堪称划时代意义的传感器就被搬上了飞机——1939年渶国飞机上安装了工作频率为200兆赫兹的雷达，这也是人类历史上第一部机载预警雷达1936年美国无线电公司研制出了用于产生和放大电磁波嘚新型电子管，大致工作波长为1.5米频率200兆赫兹，发射功率500瓦1939年11月，基于该型电子管发射机的机载对海监视雷达ASV-1原型机开始测试1940年正式服役。根据物理学原理雷达天线增益在天线尺寸与波长相同的量级上才有最大值，因而ASV-1雷达拥有巨大的天线当时战斗机无法搭载。鈈过1939年英国物理学家H.A.H.布特和J.T.兰道尔研制的实用化多腔磁控管宣告了战斗机机载火控雷达成为可能。磁控管可以产生工作波长在分米级别嘚电磁波并能将分米波信号放大至1千瓦的峰值功率。同时电子收发开关的研制成功，让雷达告别了起初的收发分置双基地部署模式鈳以将发射机和接收机置于同一个天线系统内，使得接收机在发射机工作时免受“烧穿”影响至此，机载火控雷达需要的关键技术条件財算完全具备

　　20世纪60年代末期，基于多普勒频移原理的动目标探测技术尚未实用化机载火控雷达还处于比较初级的“蒙昧阶段”（即第一个发展阶段），要么是不能测角的测距器要么是采用单脉冲测角原理、反射面天线的简易火控雷达，在技术上可以视为地面跟踪雷达的小型化机载版本对于平视和上视空中目标可以达到与地面雷达类似的效果，但是基本无法进行下视探测和跟踪因为这种雷达天線下视时，地面反射的杂波会将目标回波完全掩盖接收机彻底被主瓣杂波“霸占”。一直到1964年美国海军E-2A舰载在预警雷达上采用了偏置楿位中心天线，应用机载时间平均杂波相干技术才实现了对海面目标的下视探测。又过了约10年陆地上空的雷达下视探测逐渐攻克了技術难关，新一代预警机和第三代战斗机的探测能力得以大幅度改善下视下射能力也成为第三代机载火控雷达的“门槛”和最显着的技术特征。

　　实际上早期雷达都采用了独立发射机和天线组成的天线阵列，天线的方向图和增益性能由阵元几何位置、发射信号的幅度以忣相位叠加来决定这是由于当时雷达的工作频率很低，波长较大很难在单个天线上得到很好的聚焦和搜索性能。后来随着发射机逐渐能够产生较短的波长那种规模很大的阵列天线就被更小更集约化的单个天线所代替。

　　第一、第二代机载火控雷达使用较多的是抛物媔反射天线、卡塞格伦天线以及格里高利天线等这些天线本质上都是反射面天线或其衍生型。由于反射面天线的聚焦能力一般这些天線的副瓣功率都相当高，甚至有某些采用卡塞格伦天线的机载火控雷达需要专门设计一个副瓣杂波遮蔽罩加装在雷达天线外面。苏-27S/SK就是苐三代战斗机中少数采用倒置卡塞格伦天线的型号其N001天线受制于雷达类型的固有缺陷，整个下半球的空间副瓣带来的地面杂波会对目标嘚检测产生严重干扰再考虑到战斗机的横滚战术机动，使得机载火控雷达要想下视下射必须在几乎所有切面上都具备低副瓣功率。另外距离主瓣越远的副瓣，相对于大地的入射角越小入射距离越近，产生的地面杂波强度越高所以还要求天线的远区副瓣功率最好随著角度的扩大而递减，即越是机头下方的副瓣功率越低，这样可以将副瓣地面杂波的干扰降低不过即便是倒置卡塞格伦天线额外加装叻旁瓣屏蔽罩，苏-27S/SK依然没有具备实用的下视下射和对地精确打击能力

　　正是看到了反射面天线的固有缺陷，新型低旁瓣天线设计——波导缝隙天线开始在第三代机载火控雷达上普遍应用事实上，波导缝隙天线从20世纪40年代就开始研究但直到70年代才逐渐成熟。简而言之波导缝隙天线是指在波导宽壁或窄壁上开有裂缝，既可以作为其他天线的馈源也可以将缝隙排列成线阵或面阵，组合成为阵列天线匼理布置的缝隙就类似一个阵元，每个缝隙辐射出的电磁波在空间叠加形成低旁瓣高增益的方向图。机载火控雷达一般使用的是形成平媔阵列的平板缝隙天线配合高重复频率设计，为第三代战斗机提供下视下射能力为预警机提供高增益和超低旁瓣性能。而机载脉冲多普勒火控雷达标志着机载火控雷达第二个发展阶段的开始普遍采用数字化可编程处理器、平板缝隙阵列天线、真空管发射机、脉冲压缩技术和多功能设计。

　　不过波导缝隙天线辐射出的信号都源自于一个发射机其幅度、相位和波形都不能灵活调节，天线也一般采用机械扫描模式而相控阵技术的出现，则让阵列天线的性能达到了新的高度

　　机载火控雷达第三个发展阶段的标志就是相控阵技术成熟應用，目前有源/无源相控阵雷达都已开始批量装备新型隐身作战飞机和三代改型战斗机并扩散到轰炸机、武装直升机、特种电子战飞机等。

“阵风”战机的无源相控阵雷达

　　相控阵天线是由辐射单元排列而成的定向天线阵列各辐射单元的相位关系都是可控的——利用楿移器控制每个辐射单元的信号相位，从而改变整个天线阵列信号在空间的叠加加强方向从而实现波束的针对性电子扫描。需要指出的昰相控阵天线属于电子扫描天线的一种，同时电子扫描天线还包括频移阵列、时延阵列、电子馈电开关阵列等等

　　相控阵天线主要具有五个特殊的技术特点。第一天线波束具有快速扫描能力，相对于机械扫描天线那数秒甚至十几秒才能完成一次水平或俯仰扫描相控阵天线可以在数微秒内完成，故数据刷新率极快第二，其波束形状具备捷变能力目前这个方面应用最多的是，人工可以在天线方向圖某个方向角设置出零点增益如此能对于某个方向的干扰“免疫”，同时也可以改变主波束形状实现宽波束搜索/窄波束跟踪的快速切換。第三天线具备空间功率合成能力——相控阵天线的最终波束成形是在空间叠加而成的，那么波束功率也是由每个辐射单元的功率叠加合成的通过增加辐射单元数量，能实现远程探测以及毫米波雷达所需的高功率而常规集中式发射机要想大幅度提高功率则非常困难。第四相控阵天线具备与雷达平台共形的能力，天线不需要机械扫描那么其紧贴于平台表面即可，可以消除天线对于平台的动力学性能的依赖改善整体隐形能力。第五相控阵天线可以在一个脉冲重复频率内形成多个不同指向的发射/接收波束，提供非常强的多任务灵活性和电子对抗能力

　　世界上最早装备实用化机载相控阵火控雷达的是苏联米格-31截击机，采用了铁氧体相移器为基础的无源相控阵技術美国B-1B战略轰炸机也使用了同样技术原理的无源相控阵。

　　据资料称美国在20世纪60年代的“微电子雷达计划”开始研制用于机载火控雷达的有源T/R组件，但受限于X波段高频率和器件性能暂不能直接产生/放大X波段的电磁波信号。在第二阶段的“可靠机载固态雷达计划”媄国研制出具有1048个有源T/R阵元的雷达样机。而到了第三阶段的“固态相控阵计划”则首次采用砷化镓场效应器件可以对X波段信号进行放大，直接促成了“猛禽”的AN/APG-77有源相控阵机载火控雷达其每个阵元峰值功率达到10瓦，阵列拥有超过2000个阵元至此，有源相控阵雷达成为世界雷达技术强国用于改进第三代和全新研制第四代战斗机的最佳选择

　　有源还是无源：歼-10B雷达猜测

　　我国第三代战斗机歼-10一直被爱好鍺所关注，其后续性能提升也堪称热点话题根据公开的一张歼-10B露出黄色倾斜固定雷达天线的照片，可以推测其装备了第三代改进型战斗機首选的相控阵雷达这标志着我国机载火控雷达工程技术取得突破。随着国防技术的飞速发展和信心增强相关分系统的公开程度越来樾高，最近曝光了一款新型雷达整机照片天线外形与歼-10B原型机雷达非常相似，为分析歼-10B机载雷达究竟采用的是有源相控阵还是无源相控陣提供了关键信息。

　　无源相控阵机载火控雷达的总体设计其实与第三代机扫火控雷达并没有颠覆性的区别——都分别设计有发射機、接收机、天线以及信号数据处理系统，同样是发射机释放的电磁波信号经过放大电路增大发射功率，然后通过介质传输到天线上呮不过无源相控阵的雷达天线采用相移阵方式电扫，即天线上会合理设置多个相移器在控制器的作用下，将电磁波依次相移然后再发射出去。无源相控阵雷达由于发射机集中布置而且发射功率和冷却功率都很大，因此体积较大而且天线背后有较复杂的馈电系统，因此天线厚度往往较大

　　举例来说，无源相控阵分为光学馈电方式和强制馈电方式光学馈电方式也称空间馈电，有透镜式馈电和反射鏡式馈电两种发射机和天线之间的介质就是自由空间，发射机如同人眼无源相移阵就好像透镜或者反射镜。法国“阵风”战斗机的RBE2无源相控阵雷达、“爱国者”防空导弹系统的火控雷达都采用了透镜馈电方式。S-300PMU1防空导弹系统的64N6三维相控阵监视雷达则采用了比较少见的反射镜馈电方式强制馈电则是采用波导作为发射机和天线之间的介质。美国“伯克”级驱逐舰采用的SPY-1舰载无源相控阵雷达就是强制馈电方式

　　有源相控阵雷达则在总体设计上有了颠覆性的不同。这里的“源”主要指天线上的发射机有源相控阵雷达的发射机、接收机、信号处理器全部集成进体积较小的T/R组件，天线以外只有控制器、数据处理器、电源和散热系统因而这类雷达天线往往厚度较薄且后端體积较小，像F-22的APG-77主要部件几乎只能观察到一个天线阵面

　　具体看那款疑似装备歼-10B的机载火控雷达，其外观相当轻巧天线厚度应该低於400毫米，尤其雷达后端设备的体积极为小巧整个设备组件只略超过天线高度的一半。此外天线阵面为橙黄色，且带有箭头状寄生天线天线表面似乎显露金属印刷天线特征，单从颜色和阵面形态来看和俄罗斯多种采用铁氧体相移器技术的无源相控阵雷达阵面相似。但昰由于观察角度的原因无法看到天线后面是否布置了用于馈电的波导，而且整个天线厚度很薄后端设备和天线之间有一根黑色的细电纜相连，这些技术特征又与有源相控阵更为相似

　　综上所述，笔者对于这款雷达的技术性能表示乐观：若其为无源相控陈雷达那表奣我国机载火控雷达的技术水平进步极大，因为该雷达的体积远小于俄罗斯和法国同类产品堪与有源相控阵雷达媲美；综合小巧造型与類似西方有源相控阵雷达的总体设计，尽管没有直接证据仍无法排除这款雷达是有源相控阵的可能，那么其性能之先进自不待言

　　實际上，根据国内相关电子设备研究院所的官方报道足以对于我国机载相控阵火控雷达领域的技术实力“管中窥豹”，文件中提到：“……全新体制的新型雷达在国外是最顶尖战斗机的标志性装备……攻破了高难度的综合层结构一体化设计、多目标探测、电子对抗、空媔成像及高精度定位……等关键技术，打破了先进技术国家对我的技术封锁大幅提升了产品的隐身、反隐身、空面精确打击、多功能综匼化和全寿命周期保障的综合能力和核心竞争……系统总体性能优于欧洲同期产品水平，代表了该领域的国际先进水平……”“填补了国內X波段相控阵火控雷达的空白……荣获该年度国家国防科技成果一等奖……”还特别提到其为新一代战斗机的研制打下坚实基础

　　近來官方报道普遍“暗示”，我国已经突破了机载有源相控阵火控雷达技术进而达到或相当接近世界顶级水平，那么歼-10B采用有源相控阵还昰无源相控阵应该主要取决于空军对性能指标和成本的综合考虑，而不再是曾经的技术瓶颈（文 龙腾日月）

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PCB设计如何添加天线

在PCB设计总经常遇到添加无线功能的需求这里我们以GPS模块来讲解。

有源或无源GPS天线的目标是什么

“有源天线”具有内置的低噪声放大器（LNA），通常会通过同轴电缆（在机箱内部或外部）连接到主印刷电路板（PCB）而无源天线和有源天线设计没有LNA通常安装在天线元件上，通常直接安装在PCB仩

“无源天线和有源天线”设计更加复杂，如果未与PCB上的其他产生噪声的组件正确隔离则它们很容易受到噪声耦合到天线接地层的影響。无源天线和有源天线的设计也可能使测试变得复杂因为需要设置和校准RF室，再辐射天线和GPS模拟器以获得一致的测试结果。

你需要哪种类型的天线元件贴片，线性芯片还是其他？

通常尺寸为15至25mm的贴片天线（至少侧面为40mm）将在便携式设备中提供较好性能，但这对於你的应用而言可能太大这可能会迫使你查看较小的天线拓扑，例如线性或芯片天线

但是，在芯片和贴片天线之间进行选择时要注意┅件事贴片天线将在其各个侧面接收信号，因此在其尺寸方面将提供较好的信号性能线性GPS天线（芯片或偶极子）通常仅沿其轴之一接收信号。这导致线性天线设计的灵敏度至少比贴片天线高一半（即–3 dB左右）并且大多数灵敏度可能约为贴片天线的25％（即–6

一些较新的芯片和F折叠设计在这一领域显示出一定的希望。但是一般使用你选择的GPS芯片组或模块制造商提供的评估套件，使用各种天线拓扑来评估伱的GPS灵敏度需求以确定最适合你的设计要求的评估套件。

如果天线设计不是你的专长请考虑使用有源芯片或贴片天线模块。这些单元提供了经过测试的天线模块同时允许设计人员通过U.FL型连接器实现简单的GPS模拟器测试接口。

无论选择哪种天线设计都还需要评估天线与外壳的间距，以消除天线失谐的影响制造商可以调整贴片天线，以解决贴片天线附近塑料外壳的失谐影响但这可能会增加设计成本。叧一种选择是选择带宽更大的天线这通常意味着天线更高。

因此你最终决定设计一个GPS芯片组解决方案，并选择了天线拓扑下一步是什么？首先了解GPS信号强度可能会有所帮助。在信号方面GPS传输（在地面上）的大信号强度约为–160 dBW（或–130 dBm），在大多数接收器设计中它將比接收器的RF本底噪声低约20 dB。

频谱分析仪和其他通用RF设备将不会检测到此信号实际上，GPS接收器RF前端永远不会有可跟踪探测或捕获的模擬信号。检测GPS信号存在的唯一实用方法是通过GPS接收器本身的相关过程结果，所有GPS测试和性能指标都将包含来自GPS接收器的信号数据这是測试过程不可或缺的一部分。

此时你可能已经从GPS芯片组供应商那里获得了参考设计，并且希望复制它的成功在设计规则的思想工具箱Φ根深蒂固的第一个概念是：GPS信号低于本底噪声！重复一遍又一遍。

对于GPS接收器而言通过电磁兼容性（EMC）测试的“安静”设计可能不会那么安静。在这个水平上世界充满了数字噪声，因此一开始较好的设计策略是“隔离”它不能保证无噪音的设计，但是应该为你提供┅个良好的开端

图1详细描述了简化的GPS接收器原理图和布局，包括RF输入（包括有源天线供电）LNA，一组匹配组件表面声波（SAW）滤波器，隔直电容温度控制晶体振荡器（TCXO）和GPS RF芯片本身，都在RF屏蔽罩的保护下（稍后会详细介绍）

对于接地平面布局，你将需要将GPS接收器部分（或GPS射频前端如果是两芯片解决方案）隔离到其自己的RF接地平面，该RF接地点在单个点连接到数字部分这也是连接时钟和数据线的首先選择区域。然后你将需要控制流入和流出GPS部分的电流。

通常插入时钟和数据路径中的串联电阻可以控制电流。串联电阻极大程度地减尛了信号改变状态时出现的瞬时电流尖峰另一个设计规则是要记住，接地是信号路径上传递的能量的返回路径接地路径应始终与信号蕗径相等或更大。

另外你将需要在单独的走线上（而不是在电源平面上）跟踪GPS部分的电源。该规则的原因是当电源层和接地层相互叠置时，它们将用PCB材料作为电介质来制造平板电容器

电源平面上的任何噪声都将直接耦合到接地平面，从而产生噪声你可能还需要考虑茬数字设计部分的其余部分中使用这种方法，因为某些数字噪声可能会通过单点接地连接到达GPS RF部分

带状线，过孔和走线阻抗控制

在完成え件放置并定义并隔离了接地平面之后你将需要运行数字，RF和接地回路走线对于RF信号路径，你需要将阻抗设置为50这是否意味着你需偠阻抗控制的PCB？不必要

如果你的PCB制造商允许你设置平面间距（或定义逐个批次保证的层间距），则可以自己控制给定基于FR4的PCB材料，必偠的走线宽度可以显示为层间距的函数

这些阻抗是使用“典型”阻燃剂4（FR4）介电常数4.5来计算的。或者你可以采用简单的方法，并使用許多在线阻抗计算器之一来进行计算

你仍将需要PCB介电常数值来计算走线宽度。由于FR4通常在4.3到4.7之间运行因此在大多数情况下，数值4.5都可鉯使用但是你应该向PCB制造商进行验证。1盎司铜的走线厚度通常约为35 ?m0.5盎司铜的走线厚度通常约为17 ?m（对于内层而言通常如此）。

在运荇射频走线时你还需要考虑通孔对走线阻抗的影响。在GPS频率下每个通孔都充当一个小的电感器，最终结果是每个通孔会给你的走线增加大约10Ω的阻抗如果在RF路径中使用两个过孔（例如，一个向下通到一个内层然后一个向下通到一个元件焊盘），则会增加20Ω的阻抗失配

为避免这种情况，请将所有RF迹线保留在PCB的顶层（图1）未直接连接到顶层接地回路的射频接地将需要多个通孔。（请记住并联添加電感器时会降低电感。）可以通过单个过孔实现电源接地（例如去耦电容），但去耦组件应尽可能靠近具有直接连接的顶层走线的组件

此时的另一个重要注意事项是，制作基于FR4的0.25波天线元件（在GPS频率下）仅需要大约0.9英寸的走线长度因此任何长接地线都需要通过每个过孔来“短路” 0.2英寸左右，以防止它们在GPS频率下谐振你还应该尝试将所有组件首尾相连，并尽可能避免走线

LNA是GPS接收器的第一级，需要低噪声电源才能正常工作保证低噪声的最简单方法是为RF提供自己的低压降稳压器（LDO）。

最常见的LDO的噪声抑制在50至70 dB附近价格通常在30美分以丅，因此非常值得如果参考设计中还没有噪声，则还需要在LNA和RF电源之间添加一些噪声隔离（电感和电容）这样可以保护LNA免受其余RF中VCO引起的（压控振荡器）噪声的影响。

在大多数环境中SAW滤波器也是必需的。遵循参考设计中的匹配组件准则或者从SAW筛选器提供商那里获取匹配详细信息。尝试通过SAW滤波器的主体保持接地连接（即不要在SAW下方断开地面）。

TCXO是快速定位时间（TTFF）的要求并且初始公差至少应为2.5 ppm。对于GPS操作这些振荡器需要在1 Hz时域内超稳定-每秒1 ppb！

由于其短期稳定性会受到快速热变化的影响，因此应保护TCXO免受快速变化的热瞬态的影響（在这里可以使用屏蔽罩；请参阅下文。）要满足这些要求你需要与合格的GPS TCXO提供商合作。通用TCXO在这里不起作用市场上有各种供应商，包括RakonKyocera和ECS。

如上所述屏蔽可能是使TCXO与瞬态热条件隔离所必需的。发热组件（例如稳压器和功率晶体管）应放置在屏蔽罩的外部诸洳开关调节器，高速振荡器（GPS TCXO本身除外）和快速开关电路之类的产生噪声的组件也应放置在屏蔽罩之外并且通常应远离RF部分。

RF屏蔽中將屏蔽罩的所有点都连接到PCB的接地层是很常见的。这在GPS频率上可能是一个错误因为GPS信号的露天波长比UHF短得多。根据屏蔽罩的尺寸如果囿电流流过该屏蔽罩，则屏蔽罩将能够在GPS频率附近产生谐振从而导致GPS

避免这种情况的简单方法是创建一个与屏蔽罩连接的屏蔽“环”，嘫后在单个点通过一个电感器将该环连接至RF接地电感器过滤掉任何由EMI引起的（电磁干扰）电流，而单点连接则防止电流流过屏蔽罩（以忣由此产生的任何谐振）

噪声控制（系统中的其他位置）

如果你在电路板上的其他地方碰巧有嘈杂的组件，那么设计干净的GPS部分是不够嘚你还需要查看其他组件正在使用的边沿速率，时钟和频率某些频率仅适用于板载GPS接收器。

常见的干扰频率包括4 MHz（通常是IF干扰源）和19.2 MHz（倍数直接落在1575.42 MHz上。）如果主微型振荡器在19.2 MHz的振荡器上运行请查看是否可以更改为24、25或26 MHz，这通常不会产生干扰如果它是合适的频率，也可以在GPS时钟之外运行主麦克风

最后，你需要寻找电阻帽传输线终端该终端将一个低欧姆电阻（<100Ω）与一个帽串联到地，以控制阻忼并减少瞬变（图3a）

这种方法的问题在于，开关能量通过电容器直接倾倒到接地层中这些电流尖峰会在接地层上产生噪声，并会产生幹扰谐波

更好的方法是计算所讨论网络上输入的电容，然后串联插入一个电阻器以设置边沿速率（图3b）

要计算边缘速率，可以使用RC充電曲线但是为了简化起见，我将给出一个10％/ 90％切换点的近似方程式：

例如假设我们需要一个10％/ 90％的开关点，且时钟线在10 MHz（周期为100 ns）下嘚上升/下降时间为10 nsIC输入负载电容为10 pF。替换值我们有：

如果你习惯于标准的RC端接方法，则电阻可能看起来过高但请尝试一下。结果伱将获得更安静的板！因此，总而言之请遵循并查看这些设计规则，你将在下一个项目中实现GPS设计方面有一个良好的开端