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战鹰如何变得“耳聪目明”,工程师为您揭秘雷达的原理与应用

大连某航修厂工程师严家兴为您揭秘雷达的原理与应用——

让战鹰变得“耳聪目明”

雷达示意图。制图:侯继超

说起雷达的起源,要追溯到二战时期。

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

时至今日,雷达早已不再是军事领域的专利。随着科技进步,雷达在机载、舰载、星载、车载等各个领域大放异彩,起到不可或缺的作用。

独门绝技

现代战争早已告别短兵相接、近距厮杀的冷兵器时代,作战距离超过肉眼可见的范围。能否在战斗中料敌于先、占据主动,决定着空战胜负。

为了在超视距作战中决胜千里之外,雷达系统成为战机的亲密战友,起到了关键作用。

之所以能够担此重任,是因为雷达有着独门绝技——能够快速发现、跟踪、截获目标,并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”,掌握作战的主动权。

世界上最早的雷达诞生于二战时期。当时,英国的“本土链”雷达投入使用,开创了雷达在军事领域应用的先河。

随后几十年的发展历程中,战机为了躲避雷达探测不断升级。就像“矛”与“盾”之间的较量,为了在战斗中占得先机,设计师们在雷达领域也从未停止探索。

无线电研究的深入和制造工艺的进步为雷达的更新换代创造了可能。现代雷达的探测距离超过几百甚至上千公里,可以瞄准不同方向、不同目标,完成对多个目标的同时跟踪和攻击。

不仅如此,全天候、全天时的优点,使得雷达不论白天和黑夜都能探测远距离目标,且不受雾、云、雨等恶劣天气影响。雷达发射的独特波长,能够让千里之外的目标无所遁形,是名副其实的“千里眼”和“顺风耳”。

那么,雷达是如何实现“看得远”“听得清”的呢?简单来说,雷达探测靠的是高性能发射系统和接收装置的密切配合。

当雷达开始探测时,雷达发射机便会通过天线发射电磁波。电磁波以天线为中心,向四周传播,就像池塘里丢了一颗石子,产生一圈圈波纹向外扩散。为了满足不同探测需求,雷达发射的波长也不尽相同。

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

仅仅接收到回波信号还不够。众所周知,地球本身就是一个磁场,就像人们经常使用的电视机、收音机会因为干扰出现“雪花屏”“吱吱声”一样,雷达的电磁波也会受到来自地面、空中等四面八方的电磁干扰,影响雷达的“听力”。

这种“杂波”的干扰,会让回波信号非常微弱。在实际探测过程中,电磁波信号也会随着距离的增加而衰减。

此时,雷达接收机将发挥作用。它能够将干扰信号过滤掉,放大微弱的回波信号,使回波信号变得清晰,并传递给处理机进行“翻译”。然后,目标的距离、飞行航迹、速度等一系列信息就能通过显示器呈现出来了。

进化之路

随着科技快速发展,雷达的功能越来越强大,种类也越来越多。现代巨型雷达直径超过百米,微型雷达却只有指甲盖大小,它们的应用领域也不尽相同。

虽然形状各异,雷达的工作原理却大致相同:靠电磁波的发射和回波来实现探测功能。这种方法看似简单,但在实际应用中,电磁波的探测之旅却一路坎坷。如何减少“杂波”干扰、提高探测距离和探测精度,推动着一代代雷达设计师进行艰难的探索。

早在19世纪末,麦克斯韦方程组的建立帮助人类叩开了电磁理论的大门。随后,意大利工程师马可尼提出了无线电在远距离探测方面的潜力。

战争的爆发刺激了科技的飞速发展,也使很多曾经概念性的设计理念得到实际应用。

事实上,雷达的最初发明来自于人类的“无心插柳”。1935年,英国科学家罗伯特·瓦特团队希望把无线电波作为一种攻击武器用来摧毁德军飞机,但很快便得到了失败的结论。

意外的是,他们发现通过测量从机身反射回来的无线电回声长短,可以得知飞机的飞行方向和距离。同年,该团队为英国空军带来振奋人心的消息,世界上第一部雷达研制成功。

雷达的横空出世,让英国人在空战中占尽优势。当时,英国军队在海岸线上架设了大型雷达天线,其提供的探测信息帮助英军拦截了不少德军轰炸机。雷达在实战运用中的大获成功,使得设计师们萌生了把雷达装上飞机的想法。

1937年,英国“安森”号飞机安装了世界上第一台机载雷达。3年后,装备在“英俊战士”战斗机上的机载雷达在空战中首次使用并崭露头角。

受到雷达技术限制,这时期的雷达探测距离只有几公里。由于位于机身外部的“犄角”天线体积庞大,影响飞机机动,雷达并没有得到广泛应用。

早期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几乎被淹没在杂波中,从而失去对目标的探测能力。这种探测方式很快被历史淘汰。

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。它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。

这种机械式雷达通过旋转天线进行扫描,发射单一波束,即靠“身体转动”来带动“眼睛”探测。空战中,随着战机速度提高、数量增多,设计师发现,机械扫描方法速度慢,极易跟丢目标,多目标跟踪时更是“力不从心”。同时,由于发射机只有1个,一旦损坏,整部雷达也会失效,可靠性难以保证。

于是,采用电子扫描相控阵雷达应运而生,并经历了无源到有源的发展。先进的有源相控阵雷达把整部发射机分散到数以千计的收发组件上。即使一个收发组件损坏,也不会影响整部雷达工作。这种雷达天线类似于蜻蜓的“复眼”,不仅实现了“身体”能动,“眼球”也能动,还可以瞄准不同方向、不同目标,同时进行跟踪。

不仅如此,通过强大的数据处理技术,雷达能够同时实现对空、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,使其成为战机上科技含量最高、技术最复杂的装置之一,也成为衡量战机战斗力的一项重要指标。

尖端工艺

作为战机的“千里眼”和“顺风耳”,雷达最重要的性能之一便是要保证探测的准确性。

要保证准确性,电磁波的发射、接收、信号转换等一系列步骤,必须绝对可靠、畅通无阻。

在机载雷达的众多组成部件中,雷达天线承担着发射无线电波的工作,天线精度决定着雷达的探测任务能否精准完成。

以先进的有源相控阵雷达为例,其天线由数以千计的收发组件组成,是该雷达的核心部件之一。为了适应雷达的探测需要,一些收发组件的横向尺寸必须控制在毫米大小,相当于一张微型SIM卡的尺寸,这给设计师带来了不少难题。

经过多年研究,设计师终于找到一种微组装技术——采用微焊接等工艺技术将各种半导体集成电路芯片和微型化元气组件组装在高密度多层互联基板上,形成高级微电子组件,这种操作如同在蝉翼上绣花。

“微”技术却有高科技,收发组件从制造到顺利装机并投入使用需要经过重重考验——

第一步是选材,给收发组件一副“好身板”。别看收发组件的体积小,内部却集成了多种精密芯片。所以,作为多芯片和芯片间布线连接的基板选择就尤为重要。

为了满足不同需求,收发组件采用由多种基板混合的组成方式,以达到高密度小体积组装效果、减小传输损耗等方面要求。

第二步是组装,将各种芯片组装在基板上。这种芯片组装技术集合了超声波清洗、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一环。

步骤看似简单,组装环境、工具选择、精度控制、时间把控等指标要求却非常苛刻。实际操作甚至要在高倍显微镜下进行。其中,键合工艺是技术含量最高、难度最大的步骤之一。

所谓键合,即用比头发丝还细的金线,将芯片与外部电路联通。这种工艺通过针尖的超声震动,使得金线与焊盘形成分子间连接达到微焊接目的。资料显示,1克黄金可拉出10微米直径、661米长的金线,相当于头发丝的八分之一,细到早已超过了肉眼识别范围。

第三步是封装,即对完成组装的收发组件进行保护,作为精密电子部件,收发组件对封装要求非常“挑剔”。随着技术发展和工艺优化,先进的封装技术能够防止空气中的灰尘、水汽等微型颗粒进入模块内部造成污染,从而保证使用寿命和可靠性。

完成一系列工序后,装机完毕的雷达还需要进行信号、功率、灵敏度等几十种参数测试,以满足其在边搜索边跟踪、边搜索边测距、截获、格斗等多种战斗状态下正常运转。

近年来,科研人员始终在新材料、新工艺的应用上不断探索研究,推动雷达迭代发展。未来,随着更多先进技术的投入使用,雷达的应用范围和探测能力也将变得越来越强大。(孙畅 宋茹 孟金玲

编辑:鹿筱悦
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