相控阵雷达
近些年，“相控阵雷达”成为军事读物或军事节目中的一个热门词汇，我们经常会看到或听到如下描述：某型飞机或某型舰艇装备了某型相控阵雷达，可以跟踪和监视n（n＞100）多个目标并引导导弹攻击其中威胁最大的m个。
其实，类似的技术理论早在二战期间就研究透彻了，只是限于当时的软、硬件技术水平，无法进行实体的制造与验证。由此可见，“相控阵雷达”也并不神秘。
1 惠更斯原理
在揭开“相控阵雷达”的面纱之前，我们先回忆一下高中物理课本中关于“波”的几个概念和惠更斯（C.Huygens）原理。
（1）波线：从波源沿着波的传播方向画出的带箭头的线称为波线。
（2）波面：从波源发出的波经过同一传播时间而达到的各点所组成的面，叫作波面。
（3）波前：某一时刻波动所达到最前方的各点所连成的曲面。
平面波
球面波
惠更斯原理：波在传播过程中所到达的每一点都可看作新的波源，从这些点发出球面形状的子波，其后任一时刻这些子波波前的包络面就是新的波前。
根据惠更斯原理，知道某一时刻一列波的某个波面的位置和波速，可以用几何作图法确定下一时刻的波面。因此这一原理又叫惠更斯作图法，它在很大程度上解决了波的传播方向问题。
用惠更斯原理确定下一时刻的波面
2 相控阵雷达的基本原理
惠更斯原理描述了波的传播方向，在实际应用中，电磁波的传播主要有以下3种形式。
（1）球面波。单一天线发射的雷达波以球面的形式扩散，最常见的是通信发射塔。
（2）抛物面天线。在抛物面焦点处安装发射天线，经抛物面反射形成近乎平行的波束。目前直升机雷达以及陆基防空雷达、机场雷达等多使用这种天线。抛物面形状加工时比较困难，因此一般用球面或椭球面来代替，并非真正抛物面。
（3）平面阵列雷达。在一个平面上布置许多天线，借助波的干涉原理来制造近乎平行的波束，可以探测信号较弱的目标。这种雷达与昆虫的复眼有类似的原理。平面阵列雷达的扫描方式是机械式，只不过在每台雷达上都有同步机构，以使得所有发射单元的电磁波指向同一方向，聚焦到同一目标。欧美的第三代战机多用这种雷达，如F-15、F/A-18等。
美国海军F/A-18“大黄蜂”战斗机装备的AN/APG-65型火控雷达
抛物面和平面阵列雷达都属于机械扫描雷达，靠机械转动天线面来改变波束方向，其数据更新率与机械转动周期有关，这受到机械结构等问题影响而不会太快，一般更新周期以秒计。
相控阵雷达的英文名称为“Phase Array Radars”，直译为“相位阵列雷达”，其含义为相位控制阵列雷达，重点在于“相位”和“控制”两个词，即由许多小型的发射组件以阵列的形式排列组成，并利用相位来控制扫描方向的雷达。
相控阵雷达的波束产生原理与平面阵列雷达其实是相同的，但多了相位控制功能因而可不必借助机械而改变波束方向。
要正确理解相控阵雷达的工作原理，有两个概念必须明确：波前和相位。波前就是与波行进方向垂直的曲线或曲面，例如平行波波前即为垂直于波束的平面，球状发射波的波前为球面，换言之，波前的不断扩散就是波的行进过程。相位就是相角，与位置、波长、周期、时间等有关，相位差就是相位的差异。如果撇开数学，纯粹定性的话，在平面阵列雷达的天线面上，各天线同时发射电磁波，则各电磁波就是同相，如果各天线发射电磁波有先后次序，则各天线发射的电磁波有相位差。
为了简单明了地说明相位差与电磁波行进方向的关系，可以建立一个数学模型。在x轴上等间距放置一系列同样的点波源，由左到右依次编号1，2，3，…
如果所有的点波源同时发射同样的电磁波（相位相同），各波波前交织在一起，重复若干个周期后，不论里面交得多乱，最前端的形状几乎是一样的，即许多圆弧交线的最前端，也就是波前。在每两点中间再加一个点波源，以相同方法作图，会发现最前端曲线，也就是合成波前，更加平滑，所以说，当点波源距离越近，合成波前就越接近与这些点波源平行的曲线（在此为直线）。
同相位电磁波行进方向示意
假设由1开始每隔一个周期T的时间，点波源依次开始发射电磁波（T为电磁波的一个振动周期）。t=0时，1号开始发射。t=T时，2号开始发射，因为经过了一个周期，所以1也开始发射下一个波。t=2T时，以1号为圆心有两个半圆，以2号为圆心有一个半圆，同时1、2、3同时发射下一个波。重复若干个周期后，就会发现跟先前同相时的例子一样的圆弧交线，而且是朝着右上方传递的，当波源很接近时，该曲线就接近直线了。波的传播方向就是这样往右偏折的。同样的道理，可以知道波如何往左、往上、往下偏。这就是电子扫描相控阵雷达的原理。当然要提升其效能就有其他复杂的工程问题了，如天线的密集度、处理信息的能力等。
相控阵雷达可选择雷达面上相邻的数个天线来当一个雷达用，或选用多个区块构成多组雷达来侦查同一目标以增加分辨率。由于是使用电子控制相位差扫描而不用机械，再加上可针对性的扫描，因此数据更新率以微秒计，远优于机械式雷达。此外由于相控阵雷达可制造窄波束，因此也具有电子战功能，当然波束能有多窄是取决于其他技术的，像美国APG-77雷达就可发射波束角仅2°的窄波束，具有更好的反探测及电子战能力。
不同相位电磁波行进方向示意
3 无源相控阵雷达
相控阵雷达的主要“亮点”在于用改变电磁波相位的方法将上千个发射单元的电磁波瞬间偏转到某一个方向，就目前的技术水平而言，改变电磁波相位差的方法主要有两种：移相器和发射/接收组件（T/R模块）。使用T/R模块的称为有源相控阵雷达（Active Electronically Scanned Array，AESA），使用移相器的称为无源相控阵雷达（Passive Electronically Scanned Array，PESA）。
移相器的作用是将信号的相位移动一个角度。相控阵雷达天线是由大量的发射单元（小天线）组成的阵列，发射单元少则几百，多则数千甚至上万，每个发射单元的后面都接有一个数控移相器（NC phaser），每个移相器都由电子计算机控制。当相控阵雷达搜索目标时，虽然看不到天线转动，但上千个发射单元通过电子计算机控制发射不同相位的电磁波，从而形成一个合成波束，集中向一个方向发射、偏转。
移相器本身只能“改变”电磁波的相位，无法“产生”电磁波，因此，无源相控阵雷达也称为被动式相控阵雷达。这种雷达在工作时，发射机内的行波管（TWT）负责输出电磁波能量，并经过导波管传送至天线内的各发射单元。在电磁波进入各发射单元之前，一部专责的高速计算机会先计算将波束指向理想角度时各发射组件电磁波所需的相位差，然后传送控制信号至各发射组件前的移相器，以改变各发射组件电磁波的相位。
无源相控阵雷达的最大缺点是导波管的传播损失，以及行波管的长度。以舰载雷达为例，雷达发射机通常位于主甲板的舰体结构内，而阵列天线通常位于甲板上方的高层建筑，当行波管与天线间的距离越远时，导波管就越长，而能量损失就越严重。如果不愿增加能量的损失，阵列天线的位置就不能太高，如此便限制了阵列天线的高度，进而缩短了水平方向的探测距离。另外，由于一具行波管负责提供许多发射组件的电磁波能量，当行波管发生故障时，便会直接影响雷达的效能。
尽管无源相控阵雷达有一些缺点，但是在功能上却明显优于普通机械扫描雷达，它作为相控阵雷达家族的一种低端产品，仍具有很大的实用价值。
美国海军“提康德罗加”级导弹巡洋舰上装备了无源相控阵雷达，是“宙斯盾”系统的主要组成部分（2011年4月1日）
4 有源相控阵雷达
有源相控阵雷达在欧美国家被称为主动相控阵雷达（Active Phase Array Radar，APAR），其天线由许多发射/接收模块（Transmit/Receive modules，又称T/R模块）构成，每个T/R模块包含功率放大器、移相器、双工器、接收机的高频放大器与混频器、中频放大器等组件，每个组件都拥有制造、发射、接收雷达波与控制相位的功能，载台只需提供电源以及传递波束指令的信号而已。由于天线本身就负责制造雷达波，因此将这种雷达称为“有源相控阵雷达”。在设计上，一定数量的T/R模块配合一个波束控制系统，便构成一个基本的子阵单元，再由多个子阵单元构成整个雷达阵面，总功率是每个T/R模块单个功率的总和；理论上，每一个T/R模块都可以拥有独自的控制单元，然而实际上这不仅增加设备成本，而且根本没必要存在，因为同一道波束势必要由相当数量的T/R模块负责，才能达到合乎性能需求的功率与阵面孔径。
早年受限于电子科技的水平，有源相控阵的T/R模块只能以传统的真空管式组件，如磁控管、调速管、行波管、正交场放大器（CFA）等构成，尺寸根本无法缩小到可以配置在UHF波段以下的天线单元，使得早年的有源相控阵只能使用较长的波长，而且整套系统极其庞大笨重，只能部署于陆地上充当远程预警之用。全世界第一种实用化的有源相阵雷达是美国在20世纪60年代末期服役的AN/FPS-85 UHF波段导弹预警/太空追踪雷达，使用的就是真空管组件。在80年代初期，FPS-115“铺路爪”（Pave Paws）陆基远程预警雷达进入美军服役，同样采用UHF波段，但已经改用全固态晶体管组件，可靠度比FPS-85高出许多，其平均故障间隔（MTBF）达到14万小时；然而，“铺路爪”的固态发射机的功率仍不如采用真空管的FPS-85，而且价格昂贵得多。80年代后期微波集成电路科技（MMICS）日渐成熟，能制造出几公分大小且够轻便可靠的电磁波收发装置，主动相控阵才逐渐小型化，并能部署于船舰与飞机上。第一种进入服役阶段的机载主动相控阵是日本F-2战机使用的J/APG-1，紧接着则是美国F-22战机上的AN/APG-77，以及一系列由现役APG-63/68/73等由传统构型雷达改进而成的系统。全球第一种进入服役的舰载主动式相控阵则是荷兰主导开发的APAR，同时期的舰载系统还包括日本FCS-3以及英国的Sampson等。
美国AN/FPS-85 UHF波段导弹预警雷达
有源相控阵雷达的核心组件是T/R模块，它需要在稳定微波频率下可靠地输出几百毫瓦至数十瓦的射频功率，因此需要在微波频率下具备良好的功率增益和效率。经过二十多年的发展，在重量和体积大大减小的同时，性能得到了显著提高，成本也在不断下降。
有源相控阵雷达的第一代T/R模块是硅双级晶体管，最高工作频率约8GHz，不过在此频率运作的信噪比很大，没有实用价值，一般只能在0.1~3GHz的工作频段里工作，信噪比约为1~2dB；整体而言，硅双级晶体管只适合制作工作频率在3GHz以下的UHF~L波段雷达，此波段雷达的天线体积太大，分辨率也不高。
第二代则是砷化镓（GaAs）场效应晶体管制作的微波集成电路，其工作频率远远高于硅双级晶体管制作的功率管，最大达到60GHz以上，可在1~20GHz频率范围内做放大器工作，在1~12GHz工作频率下的信噪比仅有0.5~1.4dB。由于组件工作频率直接关系到雷达的瞬时宽带性能（关系到分辨率与反干扰能力），加上噪声较低，砷化镓半导体比硅双级晶体管更适合用来制作有源相控阵雷达所需的T/R组件。不过砷化镓半导体的导热性比硅双级晶体管差，功率容量较低，其输出功率不能超过25~35W，而硅双级晶体管组件可达50~500W。此外，砷化镓的击穿电压亦低于硅双级晶体管，所以对功率控制的精确度要求极高，否则电子可能直接击穿导致组件损毁。
20世纪90年代初期，日本堪称全世界制造砷化镓半导体的翘楚，据说当时日本制造的砷化镓微波集成电路T/R模块的单位成本，只有美制同级产品的1/8。由于砷化镓半导体集成电路约占T/R模块的1/3，而T/R模块又占整个主动相控阵成本的30%~50%，因此只要砷化镓半导体集成电路的单价能降低一半，雷达整体成本就能降低15%~25%。而美国也是从日本取得砷化镓半导体集成电路相关技术、逐步压低本身T/R组件生产成本之后，才能让一系列空用主动相控阵实用化。欧洲与日本在20世纪初期的几种代表性舰载主动相控阵如英国SAMPSON、德国/荷兰APAR、日本FCS-3改（第一代），都是使用砷化镓半导体来制作T/R组件。
有源相控阵雷达的第三代微波集成电路技术则是氮化镓（GaN）半导体，其击穿电场/电压是砷化镓的数十倍、是硅双级晶体管的数倍，能大幅提高天线阵面的功率密度。同时，氮化镓还具有比砷化镓更优异的高频段工作性能以及更好的热稳定性，可以在更高的温度下持续正常工作。此外，氮化镓半导体组件对于主动雷达导引导弹寻标器的“相控阵化”，也具有决定性的意义，因为导弹前部的空间很小，只有单位输出功率更高的氮化镓组件，才能制造出功率足够大、体积非常小的有源相控阵雷达。
美国优力公司（NuPower）生产的高效率氮化镓T/R模块，平均发射功率6W，尺寸仅为7.6cm×5.0cm×2.9cm