[蘑菇，盘子，平衡木]什么蘑菇栽在自己家盘子里能长出来

　　说起“预警机”，大家总是会联系到高技术、大投入。这也难怪，因为在现代空军中，预警机不仅非常重要，也是装备国家和数量很少的一种军用飞机。它的作战任务就是把一部雷达背上天，高高在上地观察整个战场，更好地指挥空战。因此，雷达是看一架预警机好坏的最大特征。而判断雷达的好坏，最直观的方法就是看它最大、最明显、最暴露的一个部件――天线。很多军事爱好者还根据天线罩的外形，为预警机起了各种外号，比如“盘子”、“平衡木”。
　　早期的预警机上，雷达天线都放在机腹的一个半圆形或卵形的雷达罩里，像是――木棍上的大蘑菇
　　打开这个“蘑菇”，你会看到一片弧形的金属板(网)，这就是抛物面天线。它的主体是一片金属板(网)制成的反射器，前面焦点位置放了一个馈源，工作原理和探照灯一样：馈源发射出的无线电波，被反射到一个很小的角度内，因此能传播到远处。经过数学计算我们可以发现，如果这个反射器的弧度是抛物线，那么各点反射回去的电波是平行的，因此这种天线就被叫做“抛物面天线”。
　　抛物面天线是我们最常见的一种天线形式。比如接收卫星电视节目的“锅”，就是由一条抛物线旋转一周形成的。很多防空导弹的制导雷达，高炮的火控雷达，也采用“锅”状天线。它们能产生一束像针一样的波束――针尖在雷达这一头，针尾指向天空。我们经常听说的“针状波束”，就是说它。这种波束能在水平、俯仰两个方向上精确地跟踪目标，针束越细，跟踪精度越高。早期的机载火控雷达也大多采用“锅”状天线。
　　在搜索海面、地面目标时，我们不必知道它的高度。搜索远处的空中目标时，也可以不区分它的高度。因此有一种抛物面天线，在水平方向很宽大，垂直方向则比较小，形成的波束像一片竖起来的扇子，水平方向窄，垂直方向宽。很多军舰上的搜索雷达，还有地面防空车辆上的对空搜索雷达，都是这种抛物面天线，看起来像片贝壳。
　　在雷达发展史上，抛物面天线可以说是用得最多的，因为它在设计上比较简单，可以把无线电波当做光束那样考虑。现在，人们已经根据各种需要，设计出了很多种抛物面天线，比如切割抛物面天线、抛物柱面天线、卡塞格伦天线，等等。但是抛物面天线的应用，也有一些条件限制。比如天线尺寸要比工作波长大很多，因此远程预警雷达(它们经常工作在米波、分米波)很少采用这种天线。
　　预警机上的雷达采用抛物面天线，可以说是一种无奈的选择。把一个“锅”状天线放到飞机上，还要让它能旋转，就会形成一个半球形的大凸起，飞起来阻力会很大。人们最初研制预警机时，主要目的是发现远处的低空目标，知道它的方位就够了，因此采用了“贝壳”样的抛物面天线，这样天线罩能够少凸出点。但这个“贝壳”天线再怎么扁，也会让雷达罩像一个大蘑菇长在机身外，不仅产生不小的阻力，还会影响飞机的起降。在《舰载预警机的早期发展》一文中，你可以在AD-4w、PB-1w、E-IB上看到抛物面天线对飞机的破坏性影响。
　　人们曾想了很多办法去解决这个问题，比如给天线加个升降装置，起飞时缩回机腹里，但都治标不治本，因为天线的尺寸和形状摆在那。后来人们想起了另外一种更薄的天线，八木天线。它让预警机变成了――
　　
　　
　　顶盘子的杂技师
　　
　　其实说起这种天线来，你，或者你的父母，一定在家里见过。在我们看有线电视前，为了让图像更清晰，很多人都在自家的屋顶上竖起一根天线，顶上是一横排的金属棍，其中一个接上了两根电线，通到电视机上。甚至很多天线，是家里的老爸老哥根据杂志上的介绍，自己用铁丝做成的(见下页图)。这就是八木天线。它由几根平行的金属棍组成，就像几根天线同时接收电视信号。当八木天线对准一定方向时，几根金属棍收到的信号正好叠加到一起，形成一个更强、更清晰的信号。
　　雷达采用八木天线时，接收回波的工作原理和这种电视天线一样，发射雷达波时，则正好相反。当然，八木天线上的引向器、反射器该多长，和波长、阻抗都有关系。有时一个八木天线产生或接收的信号强度不够，就需要用几个八木天线按一定的位置排列起来，构成八木阵列天线。早期的一些预警雷达，就采用这种天线。
　　采用八木天线后，预警机的雷达就可以做成薄薄的一片。要让它旋转，就用两片盘子样的罩，把天线扣在中间。于是机背上顶一个盘子，很快成为预警机的“标准照”。
　　比如预警机中的典型代表E-2“鹰眼”。它就采用了八木阵列天线，因此机身上方的雷达罩很薄，只有0.79米(直径7.32米)。人们还精心设计雷达罩上下表面的弧度，让它像机翼一样，在飞行中能产生一定的升力，不仅旋转起来更容易，对飞行机动的影响也尽量减小了。
　　不过八木天线不是万能的，它也有一些缺点。最大的一条就是工作波长。一般来说，雷达的工作波长越短，分辨率就越高，但是探测距离会变短。比如米波雷达，能发现几百，甚至上千千米外的目标，但它可能分不清是一架飞机，还是一群飞机；毫米波雷达则相反，作用距离只有几十，甚至几千米，但可以形成一张精细的目标图像，让你看出目标是小鸟样的战斗机，还是蝌蚪样的直升机。E-2的雷达工作波长在1米～30厘米之间，在这方面甚至可以说是“退步”了(TBM-3W的雷达工作波长在2.4～3.75厘米之间)。
　　为了提高探测性能，有必要重新采用更短的波长，但问题就来了。从前面的介绍中我们已经看出，八木天线上的那些金属棒之间，距离一般不超过波长的1/4。雷达的工作波长越小，金属棒就得摆得越密，互相影响就更大，有源振子、引向器、反射器之间的匹配、设计就更难了。比如波长小于30厘米后，金属棒之间的间距还不如一个手掌宽：工作波长再小，比如到以前的3厘米，金属棒的间距就得小到0.75厘米，这多半都摆不下了!另外，随着电子对抗的发展，雷达的工作波长不能一成不变，否则敌人一干扰，雷达就“瞎”了。能够根据战场情况，灵活地改变自己的工作波长(变频、跳频、频率捷变、扩频)，逐渐成为雷达的基本要求。八木天线在这方面的本事也不大，因为要改变工作波长，就得改变那些金属棒的间距，或者用好几个八木天线组成一个天线阵。E-2预警机上的雷达天线，就是一个双层的背靠背八木阵列，有7800多个组件。即使这样，它也只能在四个频率点上变化，一旦被干扰，探测距离会下降50％。
　　因此在雷达上，八木天线的应用不算广泛。它能用到预警机上，可以说完全是靠尺寸优势。至于性能方面，已经越来越不适应战场形式的发展了。
　　柳暗花明又一村，人们在这时发明了另外一种适合短波长的天线，波导裂缝阵列天线。它说起来很先进，因为现代主力战斗机上的机载火控雷达，军舰、地面上的对空搜索雷达，普遍采用这种天线，比如F-15C、F-16、苏-27、“台风”等战斗机，“库兹涅佐夫”、“尼米兹”航母，“现代”级驱逐舰等。美国空军的E-3“望楼”预警机，也是采用这种天线。但是你把雷达罩打开后会 惊讶地发现，波导裂缝阵列天线，只不过是一根根――挨千刀的金属管
　　波导裂缝阵列天线，也经常叫做平板裂缝天线、波导缝隙阵列天线、平板天线。它究竟是怎样的结构?怎么工作?我们可以把它的名字拆开――波导，裂缝，阵列――一个一个解释。
　　波导，可以看作“电磁波的导体”的简称。它是由引导电磁波的一组物质边界或构件制成的传输线。最普通的波导，就是一根空心的金属管。其实在我们常用的微波炉中，就有一个波导，它负责把磁控管产生的无线电波，导向中间的托盘上。在我们这里所谈的雷达天线上，波导一般都是一根方形截面的金属管。在它的一端输入信号(专业上叫馈电)，波导管内就会产生无线电波。
　　裂缝，就是开在金属管壁上的狭缝。它就像一根水管上的缝隙，让波导中传输的无线电波“漏”出来。不过这个裂缝的开法很特别：如果是在管壁的中心线上，沿着中轴线或垂直于中轴线开，就不能让电波辐射出来；可是转一点角度，或者离开中心线，电波就能辐射出来了!另外要注意的是：波导中跑动的无线电波的波长，和“漏”出来的无线电波的波长，是不一样的。前者叫做“波导波长”，后者叫做“自由空间波长”。
　　阵列，就是在波导上按一定间距开一定数量的裂缝，再把多根波导按一定的规律排列起来，所形成的一个阵列。从这一排排、一列列小缝中辐射出的无线电波，叠加到一起，就能形成一个波束，指向某一个特定的方向。当然，只用一根开了几道缝的波导，也可以算是一种阵列，比如右图中的天线。
　　波导，裂缝，阵列，天线，可以说既复杂又简单。说复杂，是因为裂缝的长度、宽度、间距、倾斜角度，波导的截面尺寸，馈电方式，波导波长、自由空间波长，等等很多参数之间，是一系列非常复杂的数学关系，要想搞清楚它们，需要用到高等数学的很多知识。比如馈电频率变一点，就会让波导波长改变，进而改变雷达波束的波长和方向。
　　说它简单，是因为在设计上，人们已经想出了很多理论计算方法，因此能根据各种用途需要，比较精确地算出天线的各种尺寸。比如波导的宽边、窄边各自应该宽多少厘米，上面的裂缝应该几厘米长、几毫米宽，两个波导是交叉放，还是平行放，互相之间隔多远，等等。而且在制造上，现代的机加工工艺已经很成熟，能够精确地加工出所需要的金属管，准确地车出裂缝。说到这，你恐怕应该体会到，波导裂缝阵列天线说白了，就是用一根根挨过刀砍的金属管排成的。
　　军用飞机上，这种“挨千刀”的管子现在仍旧是主力。不仅战斗机上，预警机上也是主力。比如美国的E-3、E-767预警-机，俄罗斯的卡31预警直升机。后者飞行速度慢，可以把波导裂缝阵列天线直接吊在机身下，像一块大平板。E-3则不行，因此把天线放在机背的一个“盘子”里，这和E-2仍旧一样。不过E-3的雷达罩更厚(1.8米，直径9.1米)，因为波导裂缝阵列天线和八木天线比起来，还是要高一些。但是和战斗机上的火控雷达相比，E-3的雷达要“扁”得多，不是圆圆的一块，为什么呢?这里有两个原因。一是，战斗机雷达对水平、俯仰测量的要求都比较高，因此波束在水平、俯仰方向都得窄。E-3的雷达对俯仰测量的要求低一些，因此波束在俯仰方向宽一些，天线就可以矮一点。第二，战斗机雷达上，波导管都不长，裂缝开在宽边上，因此波导排起来比较薄，但面积比较大。人们一般把它叫做“平板天线”。E-3的雷达呢，波导管很长(最长的7.3米)，裂缝切在窄边上(5厘米高)，因此天线是个椭圆形。
　　波导裂缝阵列天线不仅在军用飞机，在很多对空搜索(警戒)雷达、地面战场侦察雷达上，也得到了广泛的应用。本文第一页中“现代”级驱逐舰上的那两块“板”，就是“顶板”三坐标对空搜索雷达的天线。但是和以前的抛物面天线、八木天线一样，它形成的波束相对天线本身，方向都是比较固定的，因此需要一套机械装置来转动天线。E-3的雷达天线很宽大，又是用金属管排成的，重量超过1吨，飞机还要作各种机动，因此这套机械装置更“劳累”。飞行中，它的雷达即使不工作，天线罩还得低速旋转，以保持转动机构的润滑。工作时，天线转速为6车专／分钟，因此在发现一个目标后，E-3得过lO秒钟才能再探测一次，这已经能让战斗机飞行3千米了。
　　
　　随着战场形势的变化，人们越来越希望雷达可以快速地变换方向。对于火控雷达，这能增加攻击多个目标的能力。对于机载雷达来说，这能减少设备重量，加强稳定性、可靠性。随着微电子技术的发展，人们的这一梦想得以实现，那就是相控阵天线。预警机采用这种雷达天线后，不仅作战性能有了很大提高，外形也变得更加简洁。而相控阵天线的先进之处，就在于它充分利用了一条原则――
　　
　　组织协调很重要
　　
　　相控阵，可以理解为“通过调整相位，来控制波束方向，的阵列”。因此，它首先是一个由很多小天线(专业上叫辐射单元)排成的阵列。这些小天线可以是一根简单的金属棒(就像老式电台、对讲机上的)，也可以用前面看到过的波导天线，甚至手机上那种微带贴片天线。它们每一个都能产生无线电波，但不是雷达所需要的窄窄的波束，而是一个半球形的辐射电波。很多个半球形的电波碰到一起，就会产生干涉：在某些方向，这些电波的波峰正好碰到波峰，波谷碰到波谷，辐射能量正好叠加到最大值；而在某些方向，一个电波的波峰碰上了另一个电波的波谷，两两对消，辐射能量就变成了零。这样，就形成了一个有方向性的雷达波束。
　　这种电波干涉现象，其实在雷达中很常见。前面介绍过的波导裂缝阵列天线上，一个个裂缝就像小天线，它们“漏”出的无线电波碰到一起后，就形成了一个窄窄的雷达波束。既然这样，那相控阵天线和它相比，又先进在哪呢?
　　先进在“调整相位”上。一个波导加工完成后，裂缝之间的距离就固定了；很多波导管排列成一个天线板后，它们之间的距离也是固定的。因此，波导裂缝阵列天线发出的雷达波束，和天线板之间，是一个固定的夹角关系(一般为了取得最好的效果，波束是垂直于天线板的)。当然，调整波导波长，能改变雷达波束的方向，但频率也会变。因此这种调整很不灵活，而且变化幅度不大，只能用在某些特定场合。比如在很多波导裂缝阵列天线上，波导管之间有一段蛇形波导管，可以放大每根管子之间的相位差(专业上叫延迟线路)。再周期性地变化波导波长，雷达波就能在俯仰方向上变化(水平方向也会有变化，但很小)，这样就能形成几种频率不同的雷达波束，分别指向不同仰角。看看目标回波是哪个频率的，就能知道目标的高度。你如果再听说某个雷达“在水平方向机械扫描，俯仰方向电气扫描”，或者“俯仰方向频扫”、“频扫三坐标”，就是这么回事。很多对空搜索(警戒)雷达，就是通过这种方式来测量目标高度的，比如俄罗斯军舰上常用的“顶板”，美国军舰上常用的AN/SPS-48、AN/SPS-52。
　　相控阵天线和它相比，虽然都是电扫描，但不是“电气”扫 描，而是“电子”扫描。它是通过电子元器件、线路，随意改变各个小天线(辐射单元)之间的相位差，从而改变雷达波束的方向。通过上面这几张图，你可以看出相控阵天线如何改变波束方向。根据所有电波叠加后的总辐射功率，我们还可以画出一张相控阵天线的方向图。
　　调整相位，就能调整波束方向，因此电子扫描和电气扫描、机械扫描相比，要灵活多了。而且这种灵活对雷达性能的影响，是革命性的!
　　E-3所谓的“能同时跟踪数百个目标”，实际上只是“每10秒钟对数百个目标探测一次”，一种很不及时的假跟踪。F-15等战斗机采用机械扫描天线时，同时跟踪多个目标的能力也受天线旋转速度的限制。即使现在最快的机载雷达天线，转动速度也很难超过100°／秒。因此我们经常听到某某战斗机能同时跟踪、攻击多少个目标，是有很多条件限制的，比如目标距离、分散角度等。简单计算可以得出，战斗机对于夹角10°的两个目标，最快每0.1秒才能探测一次。
　　采用相控阵天线后，预警机、战斗机可以在发现目标后，停止扫描，把雷达波束“转”回来，再探测一次。而这个“转”，几乎不耗费时间。这时，才能实现真正的“同时跟踪数百个目标”。此外，相控阵天线还能让雷达具备更好的动目标检测能力、抗干扰性、低探测概率，甚至可以让雷达具备电子侦察能力。
　　结构上的便利和高可靠性，也是相控阵天线对雷达的杰出贡献。由于它没有转动部件，因此可以固定在船身、机身上。这一点对军用飞机，尤其是预警机特别有利。很多新一代预警机采用相控阵天线后，气动外形要比E-2、E-3等好得多。
　　现在，相控阵天线已经发展出了无源相控阵、有源相控阵等多种结构，使用范围也已经从大型反导预警到便携式战场侦察。当然，它用到预警机上，也还有一个不尽如人意之处，那就是前后方向的探测还不够理想。“爱立眼”只能对两侧进行探测；“楔尾”的T形雷达罩顶部两端有一些辐射单元，但数量少，探测能力有限；“费尔康”在机头安装了一个球形雷达罩，对气动外形仍有不利影响：A-50I则把三块天线放到一个“盘子”里，虽然实现了360°探测，但对气动外形的影响比E-3还大。
　　不过随着技术的发展，相控阵天线的布置方式越来越灵活。人们正在研制“共形天线”，就是把天线与飞机蒙皮结合到一起，让它紧紧地“贴”在飞机上。一旦实现，预警机就可以把雷达天线布置在机翼前缘，实现对前半球的探测。也许在不久的将来，我们将看到与普通飞机长得一模一样的预警机，不再需要那些蘑菇、盘子、鼓包、背鳍、平衡木。