發布日期：2022-04-17 點擊率：216
【導讀】薩德反導系統，也叫THAAD，即末端高空防御導彈，是美國陸軍研發的一款攔截短程和中程彈道導彈的末端防御系統。作為一枚通信汪，我更關注的是那個用來探測和跟蹤目標的雷達系統，就是被稱為薩德系統的眼睛的AN/TPY-2相控陣雷達。也有人認為真正對中國最大的威脅是這個相控陣雷達。
薩德的組成和工作原理
薩德系統主要由四大部分組成：①雷達，②火控系統，③發射車，④攔截器。
工作原理分為四大步驟：
1）雷達探測到導彈來襲。
2）指揮和火控系統確認并鎖定目標。
3）發射車發射攔截彈。
4）攔截導彈在空中摧毀來襲導彈。
薩德系統主要有兩套核心組件：攔截彈和雷達系統。
作為一枚通信汪，我更關注的是那個用來探測和跟蹤目標的雷達系統，就是被稱為薩德系統的眼睛的AN/TPY-2相控陣雷達。也有人認為真正對中國最大的威脅是這個相控陣雷達。
所謂相控陣雷達，采用的正是相控陣天線技術，也是今天4.5G Massive MIMO作為民用之一采用的技術，同時未來5G相控陣基站將成為主流。
AN/TPY-2雷達系統
AN/TPY-2雷達系統工作在X波段（9.5GHz），天線陣面積為9.2平方米，安裝有25344個（有人說30464個）天線單元，采用數字波束形成(DigitalBeamForming，DBF)處理器。方位角機械轉動范圍-178°~+178°，俯仰角機械轉動范圍0°~90°，但天線的電掃范圍，俯仰角及方位角均為0°~50°。
AN/TPY-2可以實現從探測、搜索、追蹤、目標識別等多功能任務為一體，據有關報道稱，其探測的距離最遠可達2000公里，基本上大半個中國都在它的覆蓋之下。它使用的窄波束，稱可精確評估目標彈頭的預計位置，并識別假彈頭。
AN/TPY-2雷達系統的組成主要分為如下圖的5大部分：
1）相控陣天線
2）電子設備單元（車）
3）1兆瓦的主電源單元（車）
4）冷卻設備單元（車），主要為天線陣列提供冷卻
5）操作控制車，內置可操作、維護和通信監控的操作控制臺（使用自有的供電系統）
AN/TPY-2雷達
相控陣天線設備
AN/TPY-2雷達系統組成
電子設備車是一種模塊化、一體化的拖車，車箱配備核生化防護能力及環境控制裝置的密閉保護罩。主要設備有：2臺用于數據處理的VAX7000計算機、4臺MP2大規模并行信號處理機，以及接收機/激勵器、檢測目標發生器和高速記錄儀等。MP2處理機是大規模并行處理技術的首次軍事應用，用途是頻譜分析、脈沖壓縮與連續探測，以及對來自接收機的數字化雷達回波抽樣進行初步圖像處理。VAX7000計算機負責實際作戰任務的計算，任務前與任務后的數據處理等。
電源設備車由1臺內燃機、1臺交流發電機、1個控制盤、1個轉換開關組成，能提供1.1兆瓦的電力。
冷卻設備車是1個長12米、重16.3噸的封閉式拖車，車內裝有供天線冷卻用的液體冷卻設備和為天線及電子設備提供電力分配的裝置。
冷卻設備單元
AN/TPY-2雷達和冷卻設備單元
操作控制車是一個單獨的系統，可保證操作人員監視雷達跟蹤效果以及與外部的通信，有獨立的電力系統。部署時其功能可以并入雷達系統。
系統之間的通信連接采用光纖數據鏈路。整套系統和組件共需2.1兆瓦的功率來工作。
操作控制車
內部操作控制臺
操作控制車內部結構圖
攔截彈
薩德系統的攔截彈長6.17米，最大彈徑0.37米，起飛重量900公斤，最大速度可達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）是的對原型“薩德”系統的改進，助推器改進為兩級，這樣在將導彈助推到較大速度后可以甩掉多余質量，以使殺傷器獲得較大初速和機動性。
由于THAAD ER攔截彈的直徑增大了，重量也增加了，所以，要重新設計發射裝置，以前一輛發射車可攜帶8枚攔截彈，現在減少為6枚，但可以通過增加發射架數量來彌補。
薩德發射車
所以，整個薩德系統的組成如下圖所示：
相控陣天線
作為通信人，自然最感興趣的就是薩德的AN/TPY-2相控陣天線系統。
剛才講了，未來5G將大量采用相控陣天線技術。其實相控陣天線系統已經廣泛民用，包括大家熟知的MIMO天線，用于預測天氣和保證航空安全的雷達系統。
相控陣技術最先應用于軍事，20世紀60年代，最典型的就是美國的AN/FPS-85和前蘇聯的“狗窩”，用于檢測、跟蹤、目標識別快速移動的空中目標，對導彈作預警、測軌和對衛星進行編目等多種功能。
AN/FPS-85
后來，隨著民航班次增多，為了更好的進行航空管制和整合一些老舊的雷達基礎設施，人們開始研發多功能相控陣雷達（MPAR）系統，并很快實現原型。這大概就是相控陣雷達技術廣泛應用于民用的原因之一。
MPAR概念
相控陣天線技術是5G無線的關鍵技術之一，比如Massive MIMO技術，通過高性能DSP控制幾十~數百個天線陣列每一個天線單元的發射（或接收）信號的相位和信號幅度，產生數十個具有高度指向性的空間波束。
相控陣天線的工作原理是怎樣的呢？
或者，相控陣天線如何產生一束能量集中的波束，并將這一波束精確的指向目標物（終端）？
相控陣天線陣面由許多個輻射單元和接收單元（稱為陣元）組成，單元數目從幾百個到幾萬個。這些單元有規則地排列在平面上，構成陣列天線。
相控陣天線的可視化模擬圖
利用電磁波相干原理，通過計算機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行掃描，故稱為電掃描。輻射單元把接收到的回波信號送入主機，完成雷達對目標的搜索、跟蹤和測量。
相控陣天線的可視化演示圖，左邊為陣列，右邊為波束
每個天線單元除了有天線振子之外，還有移相器等必須的器件。不同的振子通過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。天線的單元數目越多，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，“相控陣”由此得名。
如下圖所示，上下兩個輻射單元以相同的相位饋電，信號通過主方向的相長干涉（constructive interference）放大，而通過相消干涉（destructive interference）來改善波束的大小。
下面，我們將上面一個輻射單元相對下面那個輻射單元相移22度，可以看到發射信號的主方向略為向上移動（如下圖）。
（注意：上面兩張圖并沒有考慮反射器，所以所示天線圖的后瓣與主瓣一樣大）
波束偏轉動畫
相控陣天線的優點：
（1）在計算機控制下波束指向靈活，能實現無慣性快速掃描，數據率高；
（2）一個雷達可同時形成多個獨立波束，分別實現搜索、識別、跟蹤、制導、無源探測等多種功能；
（3）目標容量大，可在空域內同時監視、跟蹤數百個目標；
（4）對復雜目標環境的適應能力強；
（5）抗干擾性能好。全固態相控陣雷達的可靠性高，即使少量組件失效仍能正常工作。
缺點：
結構復雜（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°。當需要進行全方位監視時，需配置3～4個天線陣面。
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