在一段時間内,雷達通常被用作是防禦性的電子武器為大型系統服務,盡管這項技術正在被集成于更小更輕的包裝内。以前的雷達發射機需依靠全尺寸電源來驅動大型真空管來發射脈沖。這些組件巨大的尺寸和重量極大限制了雷達在戰場中的靈活性。
然而,現狀正随着以矽和碳化矽襯底上的氮化镓晶體管為代表的固态半導體技術的逐步應用而為之改變。固态器件設備和系統的尺寸大大縮小的同時,其在功率和頻段上的得益保證了高功率的輸出,真正讓雷達便攜成為可能。提供相同遠距離告警信息的雷達系統可以随着部隊一起運動。
AN/TPS-78
諾斯羅普·格魯曼公司(Northrop Grumman)的晶體管S波段對空監視雷達AN/TPS-78成了便攜式雷達中較大的一個。該多普勒雷達系統具備快速組裝和拆卸的能力,美國空軍用其來做遠距離預警探測。即使在強大的地雜波和海雜波背景下,該系統仍能兼顧探測高空和低空目标。
圖1 AN/TPS-78,可運輸晶體管S波段遠距離對空預警監視雷達系統,采用多普勒處理技術(諾斯羅普·格魯曼公司提供)
由于工作在S波段,AN/TPS-78可以采用更小的天線和電子器件(頻段越低對應波長越長)。包括天線、發射機和接收機,全系統可以安置于一個緊湊型的ISO防護罩内,并通過C-130飛機或者直升機來運輸,系統的部署時間不超過30分鐘。也可以在一輛四驅越野車中部署該系統(圖1)。
高自适應性多任務雷達
諾格公司還提供了高自适應性多任務雷達(HAMMR),其是地基戰鬥機雷達(為行軍部隊開發)的衍生産品。HAMMR系統是用于戰鬥機(或是越來越多的自動駕駛商用車)的有源相控陣天線(AESA)技術的輕量化地基版本。
它由超過一千個可編程發射/接收模塊組成,這使得HAMMR能夠成功檢測,跟蹤和參與多目标類型、多方位以及不同的路徑和軌迹的目标。HAMMR AESA架構的靈活性使得其能夠在不重新設計系統的情況下應對新的威脅,與現有的雷達系統相比,這是一個主要的優勢。HAMMR除了具備360°覆蓋能力之外,還具備空運或者陸運快速轉移的能力。
由于進行了優化設計,HAMMR系統占地面積較小,可以探測固定翼、旋翼飛機,巡航彈和無人機,兼顧軍民兩用。HAMMR模塊化的系統适用于多種不同的車輛類型,便于運輸,在大型的公衆集會上能夠提供實時态勢感知,此外還可以在戰場部隊周圍提供保護性射頻屏蔽。
早期的便攜性
越戰時期(始于1966)的AN/PPS-5是最早的手提便攜式地基監視雷達系統之一,到現在仍然被廣泛的使用。AN/PPS-5通常稱其為便攜式監視和目标捕獲雷達(MSTAR)系統,這套輕量化的多普勒雷達可以在夜間以及糟糕的天氣條件下捕獲目标信息。它工作在I和J頻段,可以發現5km範圍内的敵人和10km範圍内的小隊或者車輛。
雷達系統的脈沖重複頻率(PRF)是4kHz,通過50個接收通道獲取目标回波信号。其采用了動目标檢測技術(MTI)來凸顯戰場活動,在專注于固定目标探測時,MTI的功能可以關閉。
這個系統是以在野外組裝的要求來設計的,它可以按照作戰需求出現或者消失。其可以打包成2到3個包裹,每個包裹由一名士兵來攜帶。雷達工作頻率為8.0至8.9GHz(I頻段),16.0至16.5GHz(J頻段),早期的系統功放部分為磁控管。MSTAR系統随着技術的進步也在不斷的更新換代,現在采用固态功放器件替代了真空管及發射供電電源。
由于AN/PPC-5 MSTAR悠久的曆史,該系統被軍事系統專家視為“遺産”,不斷的對其進行升級改進。AN/PPS-5B便攜式雷達系統就是其中之一,在陸軍部隊的野外使用中,它的單人探測距離超過了12英裡(19.2km)。
AN-PPC-5C低功耗版本,探測距離超過15英裡(24km)。英國軍隊一直以來都是AN/PPS-5 MSTAR雷達系統的忠實用戶,他們持續不斷的升級系統,而不是采用新的系統來替代它。
圖2 AN/TPS-75,美空軍機動戰術雷達系統,具備遠程探測能力
AN/TPS-75(圖2)是美國空軍所鐘愛的機動戰術雷達系統,能夠提供240海裡(約444公裡)範圍内敵/友所處的方位角、距離、高度等重要信息。這種可部署/可運輸的雷達系統可向戰術飛機提供遠程搜索和高度探測等作戰支援和控制等服務。
在戰場上,從AN/TPS-75發送出的數據可以通過無線電衛星或微波鍊路通信與其它雷達數據組合成一個清楚的戰場情景,從而為作戰指揮官提供重要的決策依據。該系統可以通過飛機、直升機或者卡車來運輸。
越來越小
利用固态發射機的功率和效率,新型的雷達系統可以在不犧牲性能的前提下實現便攜性。利用SiC、GaN等器件技術,在電池供電的情況下,晶體管放大器可以為遠距離目标檢測提供高分辨率的峰值輸出功率。
例如布萊特監視系統有限公司的B202 Mk 2雷達,它是一部重量隻有35磅的小型雷達裝置,尺寸約為474×442×157mm。使用12V車載電池供電,設計工作時間為12小時,這部中距地基監視雷達用電掃描方法來探測移動的車輛和人員,采用多普勒和調頻連續波體制。
寬垂直仰角波束和無源電子掃描陣列(PESA)技術使得B202 Mk 2系統具備探測近距離的目标的能力。實際上,僅采用Ku波段1W的發射功率,這部地基監視雷達系統可以探測8km範圍内的移動目标。寬波束使系統能夠在不傾斜雷達或其天線的情況下掃描不平坦的地形。
圖3 FLIR Ranger R1地面周界監視和跟蹤雷達
對雷達而言,做的更小通常意味着探測距離更近,或者覆蓋一定區域需要更多的系統。FLIR Ranger R1地面周界監視和跟蹤雷達系統就是如此(圖3)。盡管它很小,但是可以準确的探測700m以外的個人和車輛。
它可以每秒鐘掃描360°,覆蓋範圍達1.5km2。如果需要更大的覆蓋區域,需要增加更多的單元,例如中距離FLIR Ranger R2雷達,并将它們聯網以創建重疊的安全陣列。
氮化镓推動寬帶雷達發展
文章探讨了如何使用在高于标準(50-V)電源電壓下工作的GaN晶體管來獲得高、寬帶輸出功率(UHF頻段)。用于雷達設備的功放模塊采用150Vdc供電電壓,工作頻率420MHz到450MHz,可以輸出100us脈沖寬度,10%占空比的1kW脈沖功率。
在GaN器件中使用更高的電壓可以帶來尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)方面的優勢,既有利于提高效率,也有利于小型化、便攜式雷達系統的發展。功率放大器模塊核心的GaN器件具有600伏的擊穿電壓。
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