大连某航修厂工程师严家兴为您揭秘雷达的原理与应用

雷达的图像。 制图：侯继超

说起雷达的起源，要追溯到第二次世界大战时期。

英德之间的不列颠空战，成为雷达大显身手的历史舞台，拉开了雷达快速发展的序幕。

如今，雷达已不再是军事领域的专利。 随着科技的进步，雷达在机载、舰载、星载、车载等各个领域大放异彩，将发挥不可或缺的作用。

别出心裁的技艺

现代战争，已经告别了近乎血腥的冷战时代，正在超越看得见的范围战斗着。 能否在战斗中打头阵，决定空战的胜负。

为了在超视距作战中取得千里之外的胜利，雷达系统成为了战斗机的亲密战友，发挥了重要的作用。

之所以能担当这个角色，是因为雷达有独门绝技——，可以快速发现、跟踪、拦截目标，在战斗中选择合适的武器进行攻击，实现“先敌发现、先敌发射、先敌命中”，掌握作战主动权

世界上第一台雷达诞生于二战时期。 当时，英国“本土链”雷达投入使用，开创了雷达在军事领域的应用先河。

在随后几十年的发展过程中，战斗机不断升级以避免雷达探测。 就像“矛”与“盾”之战一样，为了在战斗中占得先机，设计师们在雷达领域也从未停止过探索。

无线电研究的进展和制造技术的进步给雷达的升级换代带来了可能性。 现代雷达探测距离可达数百公里至数千公里，瞄准不同方向、不同目标，完成对多个目标的同时跟踪和攻击。

不仅如此，凭借全天候、全天时的优势，雷达日夜都能探测到遥远的目标，不受雾、云、雨等恶劣天气的影响。 雷达发射的独特波长，能使远距离目标逃逸，是名副其实的“千里眼”和“顶风”。

那么，雷达如何实现“能看到远处”“听得清楚”呢？ 简而言之，雷达探测依靠高性能发射系统与接收设备的紧密配合。

当雷达开始探测时，雷达发射机通过天线发射电磁波。 电磁波以天线为中心向周围扩散，像小石子落在池子里一样，引起波纹向外扩散。 雷达发射的波长取决于探测的需要。

电磁波遇到被探测目标后，会沿着目标的形状向各个方向反射，其中一部分返回雷达方向，被雷达天线捕获，成为回波信号。

光接收回波信号是不够的。 众所周知，地球本身就是磁场。 就像常用的电视、收音机因干扰而“雪片屏”“吱吱”，雷达电磁波也会受到地面、空中等四面八方的电磁干扰，影响雷达的“听力”。

这种“噪声”的干扰会使回波信号非常弱。 在实际检测过程中，电磁波信号也随着距离的增加而衰减。

此时，雷达接收机发挥作用。 可以对干扰信号进行滤波，放大微弱的回波信号，使回波信号清晰，并传递到处理器进行“翻译”。 然后，我们就可以用显示屏表现出目标的距离、飞行航迹、速度等一系列信息。

进化之路

随着科学技术的飞速发展，雷达的功能越来越强，种类也越来越多。 现代巨型雷达的直径超过100米，但微型雷达只有指甲盖的大小，它们的应用领域也不一样。

虽然形状各不相同，但是雷达的结构几乎一样。 通过电磁波的辐射和回波实现探测功能。 虽然这个方法看起来很简单，但是在实际应用中电磁波的检测之旅是封锁的。 如何减少“杂波”干扰，提高探测距离和探测精度，正为一代又一代雷达设计师推进艰巨的探索。

19世纪末，麦克斯韦方程的建立帮助人类敲开了电磁理论的大门。 随后，意大利工程师马尔科尼提出了远程探测中的无线可能性。

战争的爆发刺激了科学技术的迅速发展，使许多曾经从概念上认为的设计理念得到了实用化。

实际上，雷达的最初发明来自人类的“无心插柳”。 1935年，英国科学家罗伯特瓦特团队试图用电波作为攻击武器摧毁德军飞机，但很快就得到了失败的结论。

出乎意料的是，他们发现通过测量从机体反射回来的无线电回波的长度，可以知道飞机的飞行方向和距离。 同年，该团队给英国空军带来了令人振奋的消息，成功研制出了世界上第一台雷达。

雷达横空出世，英国人在空战中占了优势。 当时，英军在海岸线上安装了大型雷达天线，其探测信息帮助英军拦截了许多德军轰炸机。 雷达在实战运用中的巨大成功，让设计师们萌发了将雷达搭载在飞机上的想法。

1937年，英国安森号机安装了世界上第一台机载雷达。 3年后，“英俊战士”战斗机上搭载的机载雷达在空战中首次使用，备受瞩目。

受雷达技术的限制，这一时期的雷达探测距离只有几公里。 由于机身外部的“方”天线体积较大，影响飞机机动，雷达没有广泛应用。

初始雷达采用普通脉冲体制，探测能力较弱，尤其是下视探测时，微弱的目标回波信号大部分被噪声淹没，失去对目标的探测能力。 这种探测方式很快就被历史淘汰了。

20世纪60年代，机载脉冲多普勒火控雷达研制成功，并逐渐投入使用。 克服了早期雷达的缺陷，具有下视功能，抗干扰能力强，在三代机上普遍应用。

这种机械雷达旋转天线进行扫描，发射单个波束。 也就是说，通过“转动身体”来移动“眼睛”进行探测。 空战中，随着战斗机速度的提高和数量的增加，设计师发现机器扫描方法速度慢，容易迷失目标，在多目标跟踪时更是“力不从心”。 此外，由于只有一个发射机，如果损坏，整个雷达将失效，难以确保可靠性。

于是，采用电子扫描的相控阵雷达应运而生，经历了从无源到有源的发展。 先进的有源相控阵雷达将整个发射机分布在数千个收发模块中。 即使一个收发单元损坏，也不会影响雷达整体的动作。 这种雷达天线类似于蜻蜓的“复眼”，不仅“身体”工作，“眼球”也能工作，同时瞄准不同方向、不同目标进行跟踪。

不仅如此，通过强大的数据处理技术，雷达可以同时实现对空、对地探测等多种功能。 作用距离远、抗干扰能力强、隐身性能好、可靠性高等一系列优势，成为战斗机中科技含量最高、技术最复杂的装置之一，也是衡量战斗机战斗力的重要指标。

尖端技术

作为战斗机的“千里眼”和“顺风耳”，雷达最重要的性能之一是保证探测的准确性。

为保证准确性，电磁波的发射、接收、信号变换等一系列步骤必须绝对可靠、畅通。

在机载雷达的众多组成部件中，雷达天线承担着发射电波的任务，天线的精度决定着其能否准确完成雷达探测任务。

以先进的有源相控阵雷达为例，其天线由成千上万个收发模块组成，是该雷达的核心部件之一。 为了适应雷达探测需要，一些收发模块的横向尺寸必须控制在毫米尺寸，相当于一张微型SIM卡的尺寸，给设计人员带来了很多挑战。

经过多年的研究，设计者终于找到了微组装技术——，利用微焊接等技术将各种半导体集成电路芯片和小型化元气模块组装在高密度多层互连基板上，形成了高级微电子模块。 这个操作就像在蝉翼上做了刺绣一样。

“微”技术是一项高科技技术，它的收发组件从制造到顺利装机和使用，需要经过许多考验——

第一步是选择素材，在收发单元中制作“好身体”。 收发单元虽然体积小，但内部集成了多种精密芯片。 因此，作为多芯片和芯片之间布线连接的基板选择是特别重要的。

为了满足不同的需求，收发模块采用多块电路板混合的构成方式，在达到高密度、小型组装效果、降低传输损耗等方面提出了要求。

第二步是组装，将各种芯片组装到基板上。 该芯片组装技术集超声波清洗、共晶焊接、粘接、金丝超声键合等环节，是微组装工艺中的重要环节。

虽然步骤看似简单，但对装配环境、刀具选择、精度控制、时间控制等指标的要求非常严格。 实际操作也必须用高倍率显微镜进行。 其中，键合工艺是技术含量最高、难度最大的步骤之一。

键合是指用比头发丝细的金线连接芯片和外部电路。 该过程通过针尖的超声振动，金线与焊盘形成分子的连接达到微键合目的。 资料显示，1克黄金可引出直径10微米、长661米的金线，相当于头发丝的八分之一，纤细到超出肉眼识别范围。

第三步是打包，保护组装好的发送接收模块。 作为精密电子元器件，收发模块对封装的要求非常“挑剔”。 随着技术的发展和工艺的优化，先进的封装技术可以防止空气中的灰尘、水蒸气等微粒进入模块内部造成污染，保证寿命和可靠性。

一系列工序完成后，装机完成后的雷达需要进行信号、功率、灵敏度等数十种参数测试，才能在搜索跟踪、搜索测距、拦截、格斗等多种战斗状态下正常工作

近年来，科研人员在新材料、新技术的应用上不断探索研究，推动雷达的迭代发展。 未来，随着更多先进技术的投入，雷达的应用范围和探测能力也将越来越强。

来源：解放军报