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频率与波长的关系

首先,与“雷达波长”不得不说的关系就是频率,这也是大家都知道的一个关系:波长越长,频率越低;波长越短,频率越高;波长与频率的乘积是固定值光速。

天线孔径和增益与波长的关系

我们知道天线的孔径大小和增益都会受到波长的制约,且看公式:

其中,G表示天线增益,Ae表示天线有效孔径。从上图公式可以直观的看出,在天线有效孔径大小相同的情况下,较短波长,可以获得较大的天线增益,成平方的反比关系;而要获得同样的天线增益值,天线有效孔径与波长的平方成正比关系,也就是波长越短,需要的天线有效孔径越小,所以想小型化需要利用更高的频率。

例如,同样都想达到40dB的天线增益,X波段需要的有效孔径不到1m2,而UHF波段的雷达需要数百平方米的天线孔径。所以,我们常见的机载火控雷达通常是X波段,而UHF反隐身雷达总是具有很大的块头。

雷达发射功率与波长的关系

由于波长对天线孔径尺寸的影响,也会间接影响到雷达的发射功率,因为雷达的发射功率会在很大程度上受到电压梯度和散热要求的限制。因此,毫不奇怪的是米波雷达可以发射数兆瓦的平均功率,而毫米波雷达仅可达到数百瓦。当然,雷达功率并不是说能多大就需要做到多大,而是综合考虑探测距离、重量、成本等因素。甚至是发射功率也可以自适应控制,在探测到目标后便减少到仅需的功率用以跟踪目标。

雷达波束宽度与波长的关系

从上述公式可以看出,获得较窄的波束宽度,需要较短的波长和较大的天线尺寸,这与天线增益的公式是对应的,因为窄的波束会带来高的增益。

空间拓展损耗与波长的关系

其中自由空间的损耗单位是dB,常数32.45是在距离单位是km和频率单位是MHz情况下计算出来的。波长越短,频率越高,空间拓展损耗越大。除了发射功率,空间拓展损耗大也是毫米波相比于米波雷达作用距离较近的一个原因。

大气损耗与波长的关系

大气损耗是指电磁波和大气中的水蒸气和氧气分子共振情况下产生的衰减,在10GHz以下一般忽略不计,但是随着更高频率的使用,其影响就不可忽略了,大气损耗与雷达频率(波长)的关系如下图:

从上图可以看出虽然有很大衰减, 但还是存在一些窗口可以利用,例如汽车雷达常用的24GHz/77GHz频段,另外还有35GHz以及94GHz频段附近的毫米波雷达。从上图还可以看出大气中的云和雨也会对电磁波产生较大影响。

那么,不同的雷达“波长”会对雷达系统产生哪些影响,雷达具备哪些特性?

波段划分

我们常说的S波段、X波段的波段划分方法源于二战时期,由历史演变而来,很不规范。后来,又有了规范的A/B/C...的划分方法。雷达波段代表的是发射的电磁波波长(频率)范围,一般情况下,长波(低频)的波段远程性能好,易获得大功率发射机和巨大尺寸的天线;短波长(高频)的波段一般能获得精确的距离和位置,但作用范围短。

P波段(A/B/C)

频率在1GHz频率以下,由于通信和电视等占用频道,频谱拥挤,一般雷达较少采用,只有少数大型的地面预警雷达和天波超视距雷达采用这一频段。使用这些较低的频率,更容易获得大功率的雷达发射功率,电磁波的空间拓展损耗也远低于使用较高频率;

但是,较低的频率需要具有非常大的物理尺寸的天线,限制了角度的分辨性能,并且带宽资源有限也限制了距离分辨力。目前,这些频段正在复苏,这是因为隐身技术在极低的频率下并不具有期望的隐身效果,因此具有反隐身的作用。另外,超宽带(UWB)雷达的新技术也在使用该波段。

L波段(D)

该频段经常传输具有高功率,宽带宽和脉冲内调制的脉冲,是远程地对空警戒雷达的首选;另外,空中交通管制(ATM)远程监控雷达工作在这一频段;这个频段对于远程探测卫星和洲际弹道导弹也是具有吸引力的。

我国的SLC-7雷达就是工作在L波段,采用多项最新雷达技术,作用距离远、测量精度高、抗干扰能力强,并兼具目标类型分辨和敌我识别能力。该雷达采用两维相扫、方位机扫体制,全数字有源相控阵体制,具备对常规空气动力目标,隐身飞机、巡航导弹、空地导弹以及临近空间等目标的探测能力。可为远程防空反导作战提供预警、目标指示、跟踪制导。还可对付目标无人机、火炮和火箭弹目标等。

S波段(E/F)

该频段的雷达系统需要比在较低频率范围内要高得多的发射功率,来达到大的作用距离,是远程探测和三坐标(距离/方位/俯仰)精确测量的折中,例如美军“宙斯盾”的AN/SPY-1系列舰载雷达等。另外,也可用于空中交通管制的机场监视雷达以及机载报警和控制系统。

C波段(G)

在该频带中有许多手持战场监视、导弹控制和地面监视雷达系统,具有中短距离。 天线的尺寸提供了极好的精度和分辨率,但是恶劣天气条件的影响将会非常大。虽然该波段兼具S和X波段的特性,但是一般优先选用S或者X。

X波段(I/J)

在该频带,所使用的波长和天线尺寸之间的关系明显优于较低的频带,这是军事应用中一个相对受欢迎的雷达频段,对于机动及轻量要求高而对作用距离的要求不高时是非常有意义的,例如AN/APG-77/81等机载雷达。

由于其可用带宽较宽,天线尺寸较小,因此该频段对于军事电子情报和基于合成孔径雷达(SAR)的空间或机载成像雷达也是很受欢迎的。

雷达对频段的选择依据主要有:作用距离的需求、天线尺寸的限制、多维信息的分辨性能、传输衰减情况、可用的带宽资源、工艺和成本、当然还要重点考虑雷达的用途和使用场景等等。这些依据中有些是相关的,有些是相互制约的,雷达波段的选择是经过各项因素利弊权衡后的择优结果。