【導(dǎo)讀】薩德反導(dǎo)系統(tǒng)，也叫THAAD，即末端高空防御導(dǎo)彈，是美國(guó)陸軍研發(fā)的一款攔截短程和中程彈道導(dǎo)彈的末端防御系統(tǒng)。作為一枚通信汪，我更關(guān)注的是那個(gè)用來(lái)探測(cè)和跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)，就是被稱(chēng)為薩德系統(tǒng)的眼睛的AN/TPY-2相控陣?yán)走_(dá)。也有人認(rèn)為真正對(duì)中國(guó)最大的威脅是這個(gè)相控陣?yán)走_(dá)。
薩德的組成和工作原理
薩德系統(tǒng)主要由四大部分組成：①雷達(dá)，②火控系統(tǒng)，③發(fā)射車(chē)，④攔截器。
工作原理分為四大步驟：
1）雷達(dá)探測(cè)到導(dǎo)彈來(lái)襲。
2）指揮和火控系統(tǒng)確認(rèn)并鎖定目標(biāo)。
3）發(fā)射車(chē)發(fā)射攔截彈。
4）攔截導(dǎo)彈在空中摧毀來(lái)襲導(dǎo)彈。
薩德系統(tǒng)主要有兩套核心組件：攔截彈和雷達(dá)系統(tǒng)。
作為一枚通信汪，我更關(guān)注的是那個(gè)用來(lái)探測(cè)和跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)，就是被稱(chēng)為薩德系統(tǒng)的眼睛的AN/TPY-2相控陣?yán)走_(dá)。也有人認(rèn)為真正對(duì)中國(guó)最大的威脅是這個(gè)相控陣?yán)走_(dá)。
所謂相控陣?yán)走_(dá)，采用的正是相控陣天線(xiàn)技術(shù)，也是今天4.5G Massive MIMO作為民用之一采用的技術(shù)，同時(shí)未來(lái)5G相控陣基站將成為主流。
AN/TPY-2雷達(dá)系統(tǒng)
AN/TPY-2雷達(dá)系統(tǒng)工作在X波段（9.5GHz），天線(xiàn)陣面積為9.2平方米，安裝有25344個(gè)（有人說(shuō)30464個(gè)）天線(xiàn)單元，采用數(shù)字波束形成(DigitalBeamForming，DBF)處理器。方位角機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)范圍-178°~+178°，俯仰角機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0°~90°，但天線(xiàn)的電掃范圍，俯仰角及方位角均為0°~50°。
AN/TPY-2可以實(shí)現(xiàn)從探測(cè)、搜索、追蹤、目標(biāo)識(shí)別等多功能任務(wù)為一體，據(jù)有關(guān)報(bào)道稱(chēng)，其探測(cè)的距離最遠(yuǎn)可達(dá)2000公里，基本上大半個(gè)中國(guó)都在它的覆蓋之下。它使用的窄波束，稱(chēng)可精確評(píng)估目標(biāo)彈頭的預(yù)計(jì)位置，并識(shí)別假?gòu)楊^。
AN/TPY-2雷達(dá)系統(tǒng)的組成主要分為如下圖的5大部分：
1）相控陣天線(xiàn)
2）電子設(shè)備單元（車(chē)）
3）1兆瓦的主電源單元（車(chē)）
4）冷卻設(shè)備單元（車(chē)），主要為天線(xiàn)陣列提供冷卻
5）操作控制車(chē)，內(nèi)置可操作、維護(hù)和通信監(jiān)控的操作控制臺(tái)（使用自有的供電系統(tǒng)）
AN/TPY-2雷達(dá)
相控陣天線(xiàn)設(shè)備
AN/TPY-2雷達(dá)系統(tǒng)組成
電子設(shè)備車(chē)是一種模塊化、一體化的拖車(chē)，車(chē)箱配備核生化防護(hù)能力及環(huán)境控制裝置的密閉保護(hù)罩。主要設(shè)備有：2臺(tái)用于數(shù)據(jù)處理的VAX7000計(jì)算機(jī)、4臺(tái)MP2大規(guī)模并行信號(hào)處理機(jī)，以及接收機(jī)/激勵(lì)器、檢測(cè)目標(biāo)發(fā)生器和高速記錄儀等。MP2處理機(jī)是大規(guī)模并行處理技術(shù)的首次軍事應(yīng)用，用途是頻譜分析、脈沖壓縮與連續(xù)探測(cè)，以及對(duì)來(lái)自接收機(jī)的數(shù)字化雷達(dá)回波抽樣進(jìn)行初步圖像處理。VAX7000計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)際作戰(zhàn)任務(wù)的計(jì)算，任務(wù)前與任務(wù)后的數(shù)據(jù)處理等。
電源設(shè)備車(chē)由1臺(tái)內(nèi)燃機(jī)、1臺(tái)交流發(fā)電機(jī)、1個(gè)控制盤(pán)、1個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組成，能提供1.1兆瓦的電力。
冷卻設(shè)備車(chē)是1個(gè)長(zhǎng)12米、重16.3噸的封閉式拖車(chē)，車(chē)內(nèi)裝有供天線(xiàn)冷卻用的液體冷卻設(shè)備和為天線(xiàn)及電子設(shè)備提供電力分配的裝置。
冷卻設(shè)備單元
AN/TPY-2雷達(dá)和冷卻設(shè)備單元
操作控制車(chē)是一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)，可保證操作人員監(jiān)視雷達(dá)跟蹤效果以及與外部的通信，有獨(dú)立的電力系統(tǒng)。部署時(shí)其功能可以并入雷達(dá)系統(tǒng)。
系統(tǒng)之間的通信連接采用光纖數(shù)據(jù)鏈路。整套系統(tǒng)和組件共需2.1兆瓦的功率來(lái)工作。
操作控制車(chē)
內(nèi)部操作控制臺(tái)
操作控制車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
攔截彈
薩德系統(tǒng)的攔截彈長(zhǎng)6.17米，最大彈徑0.37米，起飛重量900公斤，最大速度可達(dá)2500米/秒，主要由助推器（booster）、從殺傷攔截彈頭（Kill Vehicle）及整流罩組成。
薩德攔截彈的組成
薩德攔截彈
薩德增程型攔截彈（THAAD ER）
增程型“薩德”攔截彈（THAAD ER）是的對(duì)原型“薩德”系統(tǒng)的改進(jìn)，助推器改進(jìn)為兩級(jí)，這樣在將導(dǎo)彈助推到較大速度后可以甩掉多余質(zhì)量，以使殺傷器獲得較大初速和機(jī)動(dòng)性。
由于THAAD ER攔截彈的直徑增大了，重量也增加了，所以，要重新設(shè)計(jì)發(fā)射裝置，以前一輛發(fā)射車(chē)可攜帶8枚攔截彈，現(xiàn)在減少為6枚，但可以通過(guò)增加發(fā)射架數(shù)量來(lái)彌補(bǔ)。
薩德發(fā)射車(chē)
所以，整個(gè)薩德系統(tǒng)的組成如下圖所示：
相控陣天線(xiàn)
作為通信人，自然最感興趣的就是薩德的AN/TPY-2相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)。
剛才講了，未來(lái)5G將大量采用相控陣天線(xiàn)技術(shù)。其實(shí)相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛民用，包括大家熟知的MIMO天線(xiàn)，用于預(yù)測(cè)天氣和保證航空安全的雷達(dá)系統(tǒng)。
相控陣技術(shù)最先應(yīng)用于軍事，20世紀(jì)60年代，最典型的就是美國(guó)的AN/FPS-85和前蘇聯(lián)的“狗窩”，用于檢測(cè)、跟蹤、目標(biāo)識(shí)別快速移動(dòng)的空中目標(biāo)，對(duì)導(dǎo)彈作預(yù)警、測(cè)軌和對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行編目等多種功能。
AN/FPS-85
后來(lái)，隨著民航班次增多，為了更好的進(jìn)行航空管制和整合一些老舊的雷達(dá)基礎(chǔ)設(shè)施，人們開(kāi)始研發(fā)多功能相控陣?yán)走_(dá)（MPAR）系統(tǒng)，并很快實(shí)現(xiàn)原型。這大概就是相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)廣泛應(yīng)用于民用的原因之一。
MPAR概念
相控陣天線(xiàn)技術(shù)是5G無(wú)線(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，比如Massive MIMO技術(shù)，通過(guò)高性能DSP控制幾十~數(shù)百個(gè)天線(xiàn)陣列每一個(gè)天線(xiàn)單元的發(fā)射（或接收）信號(hào)的相位和信號(hào)幅度，產(chǎn)生數(shù)十個(gè)具有高度指向性的空間波束。
相控陣天線(xiàn)的工作原理是怎樣的呢？
或者，相控陣天線(xiàn)如何產(chǎn)生一束能量集中的波束，并將這一波束精確的指向目標(biāo)物（終端）？
相控陣天線(xiàn)陣面由許多個(gè)輻射單元和接收單元（稱(chēng)為陣元）組成，單元數(shù)目從幾百個(gè)到幾萬(wàn)個(gè)。這些單元有規(guī)則地排列在平面上，構(gòu)成陣列天線(xiàn)。
相控陣天線(xiàn)的可視化模擬圖
利用電磁波相干原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制饋往各輻射單元電流的相位，就可以改變波束的方向進(jìn)行掃描，故稱(chēng)為電掃描。輻射單元把接收到的回波信號(hào)送入主機(jī)，完成雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的搜索、跟蹤和測(cè)量。
相控陣天線(xiàn)的可視化演示圖，左邊為陣列，右邊為波束
每個(gè)天線(xiàn)單元除了有天線(xiàn)振子之外，還有移相器等必須的器件。不同的振子通過(guò)移相器可以被饋入不同的相位的電流，從而在空間輻射出不同方向性的波束。天線(xiàn)的單元數(shù)目越多，則波束在空間可能的方位就越多。這一工作原理是相位可控的陣列天線(xiàn)，“相控陣”由此得名。
如下圖所示，上下兩個(gè)輻射單元以相同的相位饋電，信號(hào)通過(guò)主方向的相長(zhǎng)干涉（constructive interference）放大，而通過(guò)相消干涉（destructive interference）來(lái)改善波束的大小。
下面，我們將上面一個(gè)輻射單元相對(duì)下面那個(gè)輻射單元相移22度，可以看到發(fā)射信號(hào)的主方向略為向上移動(dòng)（如下圖）。
（注意：上面兩張圖并沒(méi)有考慮反射器，所以所示天線(xiàn)圖的后瓣與主瓣一樣大）
波束偏轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)
相控陣天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)：
（1）在計(jì)算機(jī)控制下波束指向靈活，能實(shí)現(xiàn)無(wú)慣性快速掃描，數(shù)據(jù)率高；
（2）一個(gè)雷達(dá)可同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)立波束，分別實(shí)現(xiàn)搜索、識(shí)別、跟蹤、制導(dǎo)、無(wú)源探測(cè)等多種功能；
（3）目標(biāo)容量大，可在空域內(nèi)同時(shí)監(jiān)視、跟蹤數(shù)百個(gè)目標(biāo)；
（4）對(duì)復(fù)雜目標(biāo)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)；
（5）抗干擾性能好。全固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)的可靠性高，即使少量組件失效仍能正常工作。
缺點(diǎn)：
結(jié)構(gòu)復(fù)雜（處理器和移相器），成本高，且波束掃描范圍有限，最大掃描角為90°～120°。當(dāng)需要進(jìn)行全方位監(jiān)視時(shí)，需配置3～4個(gè)天線(xiàn)陣面。
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