Re: [提問]AESA和APAR的差別，賞金500P

※ 引述《dalastw330 (dalastw330)》之銘言：
: 常看到 APAR（Active Phased Array Radar，APAR radar）一詞，
: 說是AESA radar的一種，網上爬文又看不出這兩個名詞的差異，到底
: 假設今天我公司要推銷開一個　氮化鎵Ｔ／Ｒ連接天線的雷達，我要
: 稱這個雷達是 AESA雷達 還是 APAR雷達?
: AESA和APAR的差別在哪，誠心求教, 獻上我的膝蓋和小額賞金500P, 請笑納,謝謝!

今天來寫相控陣列雷達...

但我覺得 dalas 兄要開的公司可能要想另一套業務名詞. XD
因為雷達講的是整個系統的行為, 不組成系統是沒辦法討論的.
譬如 AESA/PESA 甚至鋼彈配備的 pizza 雷達, 基本單元可以都一樣.

------
第一個先討論: 最簡單的雷達如何搜索目標??

說到最簡單的目標搜索嘛...
電磁波打出去, 根據回波的時間差計算距離... 像山谷回音那樣?
但其實呢, 用到「時間差」這已經是進階版的雷達了.

最簡單的雷達像是用手電筒找蚊子, 或者用探照燈找飛機.
把光束打到空中, 掃來掃去, 同時認真看空中有沒有亮亮的東西.
這種設計不需要計算任何時間差, 簡單粗暴又有效.
雷達碟面就是在收束這束電磁波的輻射行為, 碟面轉來轉去就是指向.

所以你看, 最簡單的雷達可以去掉各式先進的訊號模組, 只剩碟子.
這個「做一個手電筒找蚊子」的碟面貫串整個雷達的演化, 不可小覷.

------
然而 radar 這個詞裡面有 ranging（測距）, 這要加別的東西.
我們先快轉, 忽略其他各式各樣遙測技術的可行性.
就說偷看歷史答案, 決定把「回波時間差」量出來以增加測距的功能.

概念不變: 手電筒在空蕩蕩的空間中掃射找蚊子.
我們從基本的「連續波」與「脈衝波」開始...
連續波雷達就是手電筒的燈泡一直開著, 當然雷達還是要轉來轉去.
脈衝波就是把燈泡改成高頻閃光燈「啪啪啪啪啪!!」, 也要轉來轉去.

兩種設計的特性, 依直覺相比就很明顯...
一直開著的燈泡比較不會漏掉目標, 但閃光燈很亮可以傳很遠.
對, 工程結果也差不多這樣: 連續波比較難躲, 因為有持續性的照明.
但功耗上, 連續波就輸脈衝波一大截, 同樣偵測距離會多幾百倍的功耗.

車用的 ADAS 微波雷達幾乎都是連續波雷達, 雷達波一直開著.
因為這個測距就是百米級頂多到一兩公里, 但威脅不能漏接.
但打仗要看百公里, 連續波功耗大概得接反應爐, 又會過熱把車船燒穿.
譬如 AN/TPS-75 這個車載雷達, 瞬間功率 2.8 百萬瓦...
幸好它是脈衝式, 平均功率 4.7 千瓦, 比吹風機大沒多少. XD

但, 我們終究是要測量「回波的時間差」對吧?

閃光燈比較容易想像, 似乎發光時間跟看到蚊子的時間相減就是答案!?
其實不是.

但我們先從連續波開始, 追溯這個直觀的「回波時間差」.
手電筒一直開著的時候, 空中的蚊子也都亮亮的, 那怎麼算出時間差?
很簡單, 讓手電筒的光色一直變化就好, 紅橙黃綠一路變過去.
然後我們根據蚊子的顏色就知道時間差了, 很聰明吧?

這叫做 signal modulation, 中文叫做訊號調變.

有趣的是說, 閃光燈也需要這種調變技術, 而不是簡單把時間相減就好.
因為電磁脈衝這種東西在傳遞過程中是會色散的.
衝擊波是很特殊的白噪混合態, 從低頻到高頻, 大家要講好相位一致.
白噪是說什麼頻率都有, 而且每個頻率的強度都一樣, 不能有偏好.
至於相位一致, 可以簡單想像成每個頻率在這裡要一起達到振幅的最大值.

但是這種一致的相位只會在有限的空間裡出現, 跑遠了就沒了.
譬如說前後找一公尺, 波長一米的起伏一次, 波長半米的起伏兩次.
既然起伏的次數都不一樣了, 那怎麼可能維持「相位一致」的條件?
而且, 真正的衝擊波從無限小到跟宇宙一樣大的波長, 都要維持相位一致.
脈衝波的物理條件就簡單一點點, 微米級到千公里的波長同相位就好. XD

所以跑著跑著, 脈衝波就變形了, 就算真空中也一樣, 這叫空間色散.
這也是說, 拿白色閃光燈去照蚊子, 只要蚊子夠遠, 而眼力也夠好...
我們會看到蚊子在照明過程中會變色, 但紅藍黃綠白不一定是什麼順序.

因此就算是閃光燈模式, 也還是要處理訊號調變的問題.

那, 要不要一開始就調變閃光燈, 攜帶資訊讓我們判定蚊子的距離?
是的, 當然可以......反正你都要開歐洲車的嘛.

------
電磁波的調變, 一樣從連續波開始比較容易想像.

想像我們用手電筒照蚊子, 燈泡一直恆亮, 但燈色是可以變的.
調變就是說, 大家約定好燈色怎麼變化...
會先選一個主色當基準, 然後加入一些其他的顏色來承載資訊.
譬如說你的燈泡主色就是紅色, 可以從酒紅變化到橘紅.
而我的燈泡主色是黃色, 但可以從橘黃變到黃綠.
這個紅色或黃色叫做載波, 「酒紅到橘紅」或「橘黃到黃綠」叫頻寬.

這個燈色變化有無窮多種選擇, 但根據應用場合有簡單分類.
雷達這個家族, 可以改變「相位, 振幅, 頻率, 偏振」這四種物理量.
改變振幅或頻率的, 就跟 AM/FM 這種調幅或調頻電台的意思一樣.
改變相位的也叫「相位調變」, 是今天的主題.

至於偏振就比較特別一點, 因為它跟其他三個不相關.
這意思是說, 相位, 振幅與頻率, 你改其中一個就會影響其他兩個.
但偏振這個物理量可以單獨改變它, 其他的不受影響.
當然這種調變分類比較古典, 另外像光纖就有 multi-mode 的變化.
而且還有線性跟非線性, 量子跟非量子這種更大的分類.

但也不是說古典的調變就很簡單.
譬如從「酒紅到橘紅」的變化, 要考慮不同頻率的響應不一樣.
這個響應是燈泡有差異, 空氣有差異, 蚊子有差異, 拍照的底片有差異.
我們拍到一百隻橘紅色的蚊子, 可能一百隻距離都不太一樣, 還會漏掉.
（真實情況更複雜, 比較像看一副抽象畫, 根據水彩的顏色報明牌. ）

但又要快轉了, 工程問題留給工程解決... XD
我們來講「連續波的相位調變」.

------
相位調變有一個很特殊的對應: 它一定等於雷達碟面的某一種機械參數.
其他的調變都沒有這個對應.

這個相位調變, 參考我們的主色（載波）會有對應距離（波長單位）.
在特定時間內變化某個相位, 一定會等於把雷達碟面改成某個形狀.
如果我們只看主色紅色的部份, 這個碟面形狀的變化幾乎沒什麼限制.
甚至可以讓碟面在想像中轉來轉去...
而這些轉來轉去的電磁波, 狀態都會等於彼此之間相位調變的結果.

那, 既然相位調變等於雷達碟面的機械參數...
我們可不可以去掉這個機械式的碟子了? 連掃描時的轉動都不要了!
可以... 需要一堆場源, 就是陣列式的相控雷達.
最簡單的想像就是用這堆陣列式的場源, 在每個點模擬出碟面的反射波.
這個陣列上的每個點, 其實就是一組相位調變的結果.

除了模擬這個碟子的旋轉的相位調變之外, 也可以加上其他的調變.
所以一樣可加上「酒紅到橘紅」的變化, 只要自己知道怎麼變的就好.
可以調頻調幅, 增加其他的相位或者變化偏振... 這個不限定.
就是說, 只要適合用來判定回波時間差的訊號特徵都可以加上去.

這個做出來了, 就是連續波的 PESA 雷達... 嗯, 發射的部份.

至於 AESA 雷達呢, 也不難...
我們剛剛做完的 PESA 是用紅色光找蚊子的相控陣列雷達.
另外再做一個黃色的 PESA 的相控陣列雷達, 兩組場源加起來就好了.
這樣我們的相控陣列雷達就可以追蹤兩隻蚊子了, 這就是 AESA.
這可以用同一組陣列式的天線做出來, 但是改成機械的碟面就沒辦法.
因為不知道如何在原地疊出一個往左看, 另一個往右看的碟子.

所以說可以追蹤一百個目標的 AESA 其實就是在原地疊一百個想像的雷達.
用不同的顏色看不同的方向, 不難想像吧!? XD
相位調變可以做到這件事...

這些只是單頻連續波, 脈衝波要考慮的頻寬更廣, 儘管設計哲學是一樣的.

然後這邊只講到發射的部份...
接收與測量的部份會用到的一階訊號干涉或二階訊號干涉都還沒說.
大部份說 AESA 與 PESA 的差異其實都在講量測的階段.
合併一百組不同的 PESA, 就是要有一百組不同的訊號產生器跟示波器.
不然沒辦法分離雷達所接收到的訊號屬於哪一片 pizza...

但實在是太長了, 要先停住.

------
最後回到 dalas 兄的問題...
就是說, 系統不搭起來的話沒辦法知道它到底是什麼分類. XD

--