ZHUK AE演示机在MAKS2007展示。很明显雷达按照俄罗斯的惯例在低波X波段运作。

预期ZHUK AE设计概念图。

ZHUK AE设计的3D效果图。

由Phazotron公司设计的米格-35 Zhuk AE AESA雷达是俄罗斯的第一个AESA设计，并且预期将为FLANKER的变型机升级配套而大量生产，因为Phazotron公司10几年来一直想打破NIIP公司在FLANKER雷达生产上的垄断。

概述

Zhuk AE是为米格-35和米格-29升级配套而研发的，它是俄罗斯第一个公开的主动相控阵雷达（AESE）。其制造商NIIR Phazotron公布了大量用于雷达的详细设计原理和技术文献资料。本文在工程技术角度探讨同设计特点有关的天线和收发通道以及此雷达重要的性能参数。虽然这个试产的雷达在X低波段运作，而且收发通道计数少于西方同孔径尺寸的雷达，但是它的功率孔径性能却比大多数雷达都为优越，除了西方最新的小孔径战斗机雷达。ZHUK AE使用了低密度液冷收发通道模组配套技术，这个技术可以同第一代美国AESA设计相媲美。

在ZHUK ASE雷达上进行了参数分析和功率孔径模拟，这个雷达是ZHUK AE的扩大版，并源自为 FLANKER飞机建造的ZHUK MSFE雷达。FLANKER规模的ZHUK ASE雷达加上俄罗斯现有的收发模组技术可以提供比美国APG-79 (F/A-18E/F BII) 和 APG-81 (JSF)级别的雷达高约60%的功率孔径性能，而且如果按照MIIR PHAZOTRON的提议，加装15瓦或更多的传输技术的话，它将比N035 Irbis-E (Su-35BM)和其他所有当前美国战斗机（除了APG-77(V)2 (F-22A Raptor)使用的雷达性能都好。为FLANKER飞机使用的ZHUK ASE可使用的IOC最早预计会到2010年。

背景和ZHUK 研发历史

俄罗斯的雷达工业从冷战后的预算不足中恢复了过来，并且从那时起就为出口市场进行了强度调整。三个最著名的雷达工业家族Tikhomirov NIIP, Phazotron NIIR and Leninetz, Tikhomirov NIIP占了最大的出口收入，而且大多收入来自其对FLANKER飞机雷达供应不可动摇的地位。另一方面Phazotron已经成为了俄罗斯工业中的技术革新者。

Phazotron拥有一个作为苏联时期主要的雷达设计权威的历史，而且是米格-29战斗机脉冲多普勒雷达N019 Topaz / Slot Back系列的主要设计者。ZHUK雷达系列从冷战以来就占用大部分Phazotron设计者，这个雷达是N019系列的后续进化版。

第一个ZHUK（甲虫）雷达是为了1980年代中期的米格-29M/米格-33“支点”升级和生产研发的。它被命名为N010 ZHUK，是以美国APG-65 和 APG-68为模型的较为现代的脉冲多普勒设计，它利用一个槽式平面阵列天线以及0.68米的孔径半径，平均峰值为1千瓦，峰值为5千瓦。随着冷战结束，Phazotron作为一个独立实体出现在市场上，它致力于在ZHUK上投入打算为米格-29，苏-27/30和其他苏联时代的老式战斗机升级研发一系列雷达设计。

ZHUK-27是N010为基础的一个变型，但是安装了半径为0.98米的较大槽式平面阵列天线，并且也可能装有升级的TWT，这个雷达是为苏-27SK FLANKER B设计的。与它同时代的ZHUK-8P为解放军空军 J-8-II “长须鲸”研发，装有较小的天线以及相应范围较小的性能。重要的是在这个时期也看到了ZHUK-F的研发，这是一个被动ESA（PESA）或0.98米半径孔径的相阵。ZHUK-F进一步发展成为SOKOL，这个是当前FLANKER飞机使用的ZHUK-MSF/MSFE PESA变型雷达的基础。ZHUK的PESA变型最接近NO11M BARS的变型，但是利用的是固定的PESA孔径，而不是NIIP的万向节设计。最新的西方相同技术是法国“阵风”飞机的RBE3PESA雷达。

ZHUK ME是ZHUK M系列的常规衍生设计，有米格-29可使用的0.7米孔径规格，或是为苏-27/30使用的0.96孔径规格。ZHUK MSE经过了飞行测试并在苏-30MK3变型机上证实，但是到目前还没有人订购。

机械驱动的ZHUK进一步发展，产生了米格-29“支点”用的N010M ZHUK-M和ZHUK-ME变型，以及为苏27/30使用的Zhuk-MS 和Zhuk-MSE。这些结合了L波段IFF偶极阵列，和槽式平面阵列以及大幅提高的处理器硬件，以支持攻击模式的合成孔径雷达。

Zhuk MSF/MSFE（上）是一个被动ESA设计，意图是为了完成NIIP的NO11M BARS。它利用一个Phazotron公司在波导管馈电底板上的特别的辐射式排列，和分离的发射器件放置。ZHUK MSFE拥有一个0.98米的孔径半径，和1662个发射器件，它是为给解放军空军制造的苏-30MK3 FLANKER G航空配套装备研发的。ZHUK-MSFE在苏-33UB演示机中使用，该机（下图）采用Al-31FU引擎推动。

最先进的PHAZOTRON FLANKER雷达是ZHUK-MSFE PESA的变型，当前在苏-27KUM/苏-33UB海军版双座舱机型上进行飞行测试，解放军海军可能采购它作为“瓦良格”CVA航母上的飞行机队。这个雷达通常有2千瓦的均值和8千瓦的峰值，是苏-27K/苏-35 FLANKER E 上使用的NIIP N011MSA雷达的性能。PESA设计共有1662个放射源。

ZHUK-AE是ZHUK-ME/MFE变形的后续版本，一个源自于N010M ZHUK-M和ZHUK-ME变型的0.7米半径孔径，它是为印度为替换其大约400架俄罗斯战斗机中的128架所竞拍的米格-35“支点”而设计。

印度的这个订单之大，让西方和俄罗斯的竞标者公开了大量同他们产品相关的资料，而且Phazotron公司还特别发行了Phazotron杂志，自重包括了一些Phazotron公司关于ZHUK-AE内部结构详细工程图的技术文献，以及设计原理。这是目前为止在AESA设计上最大的一次技术公开。本分析大量依靠该文献，但是也探讨了一些其他的公开资料源。

ZHUK AE的战略重要性不容忽视。俄罗斯工业已经跨越了设计和整合GaAs MMICs，以及执行AESA一体化和设计的技术障碍。从此点上我们可以看到西方科技在AESA上不断增加，如新技术如氮化镓HEMT晶体管的合成，以及美国式的成套技术不断跟进等。发展的速度可能大部分收到在研发投入范围的限制。

这个分析以比之前APA分析更深的技术程度上对ZHUK AE的技术以及它的设计原理加以密切关注，并探讨Phazotron声称要为FLANKER扩大设计的意义。

ZHUK AE设计原理—一个雷达工程师的角度

Phazotron的设计提供了一些优秀的设计原理和可达到的性能，和ZHUKAE设计的性能增长。稍不如意的是原始设计没有很好的翻译成英文，一些技术语言没有正当的翻译，让读者不能精确理解原始的设计。

ZHUK AE的设计起始点是当时的ZHUK MF，因为当时的工程师做出的纠正性评估显示整体新设计的成本和风险太高。因此他们跟进在APG-79上使用的Raytheon和在APG-80上使用的Northrop-Grumman模型，而不是APG-77上Northrop Grumman“全新”的方法。目的是为液冷的AESA重新设计PESA概念，并尽可能维持PESA的概念。主要设计目的是提供增强的可靠性，灵活的激光驱动，减少噪音指数来提高范围，以及更高的带宽提供频率捷变，促进孔径在干扰和高速数据链接下的使用能力。虽然没有表明，但是其频率捷变明显是追寻低干扰度模式。

PHAZOTRON同托姆思科的一个半导体制造商签约，由托姆思科电子大学支持来为雷达的重要TR模组发展氮化镓MMIC（单块微波集成电路）技术。

新雷达会使用一个新的天线和类似的数据转化器设计，一个新的驱动平台，但是会保留当前的接收链，处理器和连续振荡器。对产品的提高设计包括更好的处理和更宽的可编程主振荡器模组。后者为了可以提供许多在西方最新的AESA中的能力。

Phazotron把关键的设计组件概括如下：

·发射器放在前面的天线

·TR电子通道，每个链接一个发射器

·制冷片液冷系统

·阵列电源供应

·每个TR通道的控制逻辑

·RF阵列输入

·备用电力供应

·激光控制处理器以产生光束驱动命令。

设计团队以覆盖每个具体的设计方面而组建，包括孔径设计，发射器设计，TR通道电路设计，TR通道MMIC和控制逻辑EPLD设计，TR通道和模组排布，TR模组热控制，热效能和备用供应设计，TR模组控制设计，TR模组备用电源设计，来自主振荡器和激发平台的RF输入设计。

设计目标是建立一个最大激光制导角度为70°的X波段阵列，不能够产生任何的不希望的旁瓣。这个是所有AESA设计的主要问题，目前光栅瓣要求器件空间少于半个波长，但是这样的排布密度产生了散热问题。

驱动晶体管的输出和PAE（功率增加效能）被看做是另外一个问题，初始估计为6到8瓦。飞机的小尺寸和它有限的动力和制冷能力被看做是严重的局限性。驱动晶体管在A级状态运作可以提供最好的线性能力，而设计中PAE总体性能损失为22%--25%。C级运行状态因为它对信号纯度的影响而被拒绝。

PHAZOTRON曾经称，显而易见最大的困难是TR模组的设计。在对几十个备用方案进行了评估之后，采用了在一个单一（四合一）模组中整合4个TR通道的方法，最后发现这个是最佳选择。一个有趣的观察是这个计划同美国在1980年代后期第一代AESA使用的模组一摸一样，源自于美国AESA产品的TR“粘连模组”设计。

散热被证明是最为困难的一个问题，PHAZOTRON称最终产出了一个具有高效导热的设计。

ZHUK AE产品的规格是为了可以为传统“支点”上的雷达在现有飞机上能够进行直接升级提供配套装备，也可以为新生产的飞机提供雷达。

PHAZOTRON对ZHUK AE寿命周期的生产阶段中的目标包括对AESA组件测试的全自动化，可以允许强度更高的运作模式和性能测试的信号模拟器，雷达处理部件上更好的软硬件，信号处理和激光控制更有效的运算法则，以及一个对装备整个寿命周期内可靠性管理的统计数据库。

进行了大量的设计对比研究，包括了平均TR模组功率从1瓦到15瓦范围的功率孔径和范围性能热应力性能。一个重要的问题是激光转向到70°时会引起旁瓣和在超过60°角时的投射孔径区域。

一个被拒绝的提议是使用模拟多主瓣，因为这个造成了一系列不希望的困难。

PHAZOTRON似乎正在进行数字化激光形成技术，这个技术被主设计师Dolgachev称为是一个两阶段的处理计划，初始激光形成由AESA内形成，另外的的激光形成在数字接收器内进行，ADC阶段的下行数据流。AESA设计还有一个好处就是可适应性主瓣归零干扰器。

Dolgachev也观察到在设计进行汇总的一个主要问题是对性能参数的关注，以及开发一个在整个设计过程可以使用大量的计算机模拟的问题。

AESA设计的起点是为设计研发一个完整的计算机模拟，其目的是可以勘测各种设计对比以找出最好的一个。因为4通道的模组设计有更好的散热效能，就否决了单通道的TR模组。在早期PESA中使用的金刚石点阵发射器点阵因为在同多相中心要求的单脉冲角追踪清晰地分割阵列上遇到了困难而被否决。最终的模组规格设计以在阵列表明和输入之间最短的几何途径携带RF信号，同时冷却液横向流经天线视轴。

这些对比研究的最终结果是将发射器按照垂直条状排布，每一条排列都是整数倍的4个发射器来适应TR模组结构。最后的组件排布达到的性能是，第一旁瓣-30分贝，平均较高指令旁瓣50分贝，最大转向角的主瓣宽度降低4分贝，而且在激光转向角内没有衍射旁瓣。

计算机模拟用来判断天线TR通道相阵和增益控制的适当量化增量。发现振幅用5字节就足够了，相阵控制用6个字节。阵列的每个TR通道各自处理控制总线。

底板输入利用了一个未公开的辐射状波导设计，而不是西方第一代的AESA和ESA上所看到的分段线性分支输入。在输入网络和TR模组间的同轴波导开关网络用来控制阵列中心和执行单脉冲统计和区分角追踪模式。

每个TR模组的配电上显示出同“PULLING”模组在暂时耗电量上一样的问题，因为采用了一个有效地临时措施，在每个TR模组旁的主通电链接上附加了一个大容量电容。

制冷通过把每个TR模组安装在一个一体化的通过液体制冷的冷却片上。热量从每个MMIC或晶体管上转移到模组底部，之后传导给冷却片散热。PHAZOTRON没有公开TR模组冷却片的厚度，但是很明显横向的组件排布是一个难点限制。每个TR模组包括一个内置的热感应器，如果过热它可以强制模组关闭，直到模组冷却再次开启。所有的模组都在振幅和相位上有热补偿以保证性能指数在温度和运作波动时保持一致。

Dolgachev称当前的TR模组参数为：

·均值5瓦

·发射增益34分贝

·接收增益30分贝

·接收噪音指数2.5分贝

·相位转化器控制增量5.625°

·振幅控制增量0.7分贝

·振幅控制动态范围24分贝

·总统PAE25%

模组和通道分别独立运行，为通道保留了两个低阶位，为模组提供了8个高阶位。

研发了一个激发器放大平台来增加主振荡模组输出来补偿向天线输入底板注入的插入损失。这个液冷的放大器模组有4个放大器链，其峰值为20瓦。

构建了一个自动化排布来测试TR模组的振幅和相位性能，以便可以让调整和补偿错误限制于3°容错范围内。需要研发进一步的自动化装备来测量和调整全部的阵列，因为均值3千瓦的输出对人体有危险。一个测试方案利用一个同天线视轴一致的功率感应器，每个模组分别进行驱动（其他的模组全部关闭）来测量正确的相位和振幅性能。之后测量编入软件分析决定天线整体性能。

Phazotron相信当前的ZHUK AE设计没有达到其最高性能，因为它使用的大部分程序都没有对早期的机械驱动阵列加以改善，因此还没有对AESA进行优化。

Semyonov et al的另外一篇文章讨论了一些在TR通道增益控制，驱动器和移相器模块上使用的GaAs MMICs一些设计细节。这些IC都是单一的热传导优化的金属容器内8 x 22.5 x 2.5 mm大小的部件。

5字节的数字控制衰减器是使用了50欧姆方形电阻膜的GaAs MMIC模块。其主动零件是Schottky电阻。高阶位平台阶段在两个8分贝阶段进行，总控制损失为16分贝。低阶位控制阶段在1分贝阶段进行，控制衰减器的总插入损失为8到10分贝，在4到11吉赫之间RMS容错为0.5分贝，同衰减器拨款是4到14吉赫。

6字节移相器功能在两个GaAs MMIC模块间分割。PHAZOTRON称移相器计划利用一个定向耦合器建造而不是开关过滤器。4个高阶位包括在一个模块上进行的180.0°, 90.0°, 45.0° 和 22.5°转变，两个低阶位11.25° 和 5.625°在第二个较小的模块上转变。这个方法用来避免生产中设备产生的问题。它还打算利用4字节的移相器来进一步降低产品在180°阶段变动的敏感性，并减少2.5到1.5分贝的每个阶段的插入损失。设计证明在8到11吉赫之间运作RMS容错置为6°左右，也即一个字节。为了补偿衰减器和移相器的阶位插入损失，在混合设计中加入了一个额外的放大缓冲器。这个GaAs MMIC设计提供了一个在8到11吉赫运作之间7到9分贝的增益。

按照PHAZOTRON的说法，因为用来连接模块和IC针脚的布线问题，使得混合设计的性能比预期低，而且相位和衰减误差也超过预计，可能是利用集成块的固有问题。计划转移到LTCC（低温淬火陶瓷）和MCM-D（多芯片模组集成）技术来获得高产出量。在模型模组上，通过对阵列输出的控制，大多增益和相位错误得到积极的补偿。

PHAZOTRON把ZHUK AE看做是一个新的雷达产品，也是一个传统米格-29“支点”机队的一个新的升级配套。也会有一系列FLANKER使用雷达变型。

第一个投入使用的AESA是F-15C上使用的AN/APG-63(V)2.它是原来使用了1500发射器的AESA 的AN/APG-63(V)雷达的重大升级。

从一个重要的技术角度看ZHUK AE，它是一个引人注目的演习，它通过利用一个显示了在关键领域如原件包装和MMIC装配上投资不足的技术基础来生产一个切实可行的设计。ZHUK AE在科技角度上可同美国最好的第一代AESA如在有限的F-15C飞机上使用的1990年代APG-63(V)2设计相比。该技术特别是模组封装上类似于1980年代美国的研发设计。

西方雷达工程师对ZHUK ME的第一印象是它的652个TR通道是美国雷达大50%或70%，后者一般为900到1200个TR通道模组。这个是俄罗斯工业的封装技术限制所造成的，它的技术比美国和欧盟落后了一个时代。毫不意外，美国在发展高密度封装技术上做出大量投入，以制造适合AESA天线需要的热量环境难题。

美国在1990年代因为低下的产出量和可复制性废弃了多通道TR模组技术，引入了封装的但通道TR模组技术。在这些模组中，功能由不同介层分离，热量通过周围的金属部件从模组导出。而俄罗斯工业还么有跨越在第一个AESA上利用封装模组的障碍，他们有美国的模组可以学习，从而会比美国花费较少的时间来发展这个技术。用美国一个高级工程师的话说“我们曾不得不付出很大的代价”。

低原件数量将在旁瓣性能中反映出来，由于像ZHUK AE设计上稀疏的排布对TR通道阵列在相位和振幅的错误比那些高密度阵列更为敏感。由于缺乏在阵列中植入的相位和振幅错误纠正机制的性能数据，就很难准确进行评估。如果它们运作良好，那么这就不会有问题，如果不好，那么30分贝的旁瓣就很难达到。

PHAZOTRON没有公开其采用的降低功能，甚者也没有暗示到。降低功能的选择将影响孔径效率，旁瓣表现和主瓣中的相前性能。因为它是TR通道增其设置的动态参数之一，PHAZOTRON的降低功能可能逐渐会设计这个领域。激光转向灵活度对转变模组的持久性上也没有公开，但是参考俄罗斯ESA设计，估计会有类似0.4毫秒的设计。

俄罗斯TR通道模组输出均值为5瓦，单个通道峰值没有公布。ZHUK AE的峰值曾经公布为6千瓦，考虑到一些降低功能对总体功率输出的降低，这样每个通道的峰值大约为10瓦。PHAZOTRON没有公布的是TR模组封装和冷却片设计提供的顶部空间冷却能力，这个会增加TR通道峰值，但他们暗示了有增长可能。鉴于俄罗斯设计者的偏好，会尽可能在设计中建造此类的顶部空间，所以随着在设计中逐渐增多的使用氮化镓晶体管这个也不会成为问题。

AESA的波宽没有公布，在此类的设计上瓶颈通常是移相器模块，因为GaAs MMIC固定是宽波段。因此估计随着进一步在MMIC设计和封装上的改良，一个总计为9吉赫的2到3吉赫的TR模组也会合理。然而这个同阵列设计不一致。

AESA的频率上限将由部件空间和衍射旁瓣构成决定，对于当前的设计来说，考虑到在水平方向的17.5毫米的空间，这个上限可能是8.5吉赫。这个显示了可用波宽为1吉赫总计不少于8.5吉赫。辐射状输入细节没有公开，这个会进一步限制可用波宽。文章引用了“16的中心频率”，如果它是被100兆赫分割的波段，那么大概就是1.6吉赫。这个可以让总波宽达到7.7吉赫，而这个同过去的惯例符合。

雷达横截面对于倾斜式产品来说是合理的，但是对于垂直式就不是那么合理了。在0.7米的天线结构中的0.6米孔径区域周围的较大边沿就会有边缘处理损耗的可能，但是在演示机上却没看不到。也可能会使用一个选择虑色片屏幕，但是在演示机上也没有看到。

3到3.5分贝的噪音指数对于接收器来说还算合理。这个同当前西方的AESA比较会产生很高的接受敏感性。ADC和主振荡器的性能参数没有公布。

ZHUK AE因为使用了封装技术，所以在可靠度上可以同西方AESA一样出色， PHAZOTRON的宣传资料显示的900小时MTBF同更为复杂的美国APG-79 AESA的917小时MTBF接近。这可能反映了俄罗斯的超标准设计组件的惯例，这样在散热问题下会让设备在低于其最大功率情况下运作。

在总功率孔径性能上看，ZHUK AE的峰值良好，同FLANKER雷达一样有竞争力，包括NO11MBARS，但是像所有的F-16和F/A-18大小的雷达一样收到小孔径的影响，而这个是总体监测范围性能之一。

随着设计不断发展，只要利用当前的封装和原件排列，那么提高天线波段可能要求总运作频率低于8吉赫。很明显，如果模组的制冷片设计和冷却系统可以满足的话，那么利用采购西方的更高功率的氮化镓商用晶体管来提高TR通道峰值就没有问题---就算是这样会增加最大范围搜寻模式工作周期也是值得的。其他重要的决定性性能如振荡器参数和ADC动态范围和噪音等也从公开内容中删除了。

很明显装置了ZHUK AE的米格-29/33/35将轻松胜过F-16 和F/A-18的性能，除了F/A-18E/F/BII。但是它同任何F-15雷达相比都没有优越性。

俄罗斯雷达工业当期竞争的项目是早期FLANKER变型机队中的模块升级市场。这个市场由早期的苏-27SK，J-11B，苏-30MKK，和苏-30MK2变型占领，所有这些飞机都装备着低峰值的传统N001/N001V系列MSA雷达，该雷达用1980年代的MSA技术制造。这个市场由大约500架飞机升级构成，特别是解放军空军和解放军海军机队。

ZHUK ASE AESA----为FLANKER升级ZHUK AE

PHAZOTRON公开的意向之一就是为FLANKER升级ZHUK AE，按照ZHUK-27和ZHUK-MSFE变型的方式，使用0.98半径孔径。

如果我们假设这个升级会使用ZHUK AE所使用的四模组技术，和加大的冷却片和安装框架，那么其性能也会根据孔径的尺寸加大。对于0.98米天线外半径，假设在发射器阵列周围有类似的位使用区域，那么总体可用孔径半径为0.8米左右，原件数量大约为1160个。如果我们假设收紧排布，利用一个1.1米外径的天线，跟PERO PESA使用的一样，那么总体可用孔径半径将会是0.95米，原件排布数量为1630，或是相当于ZHUK-MSFE PESA设计。

按照每个通道峰值为10瓦计算，那么后者峰值为16.3千瓦，这样的雷达会胜过NO11M BARS,APG-63(V)1，APG-71和APG-79功率孔径性能。这样的雷达如果适当加以投入的话，可以在2010年达到初始作战能力，同NIIP IRBIS E相同。

如果PHAZOTRON 按照其声明提高TR通道功率，那么就要谨慎考虑其结果。

一旦PHAZOTRON设计出拥有1630个TR通道的ZHUK ASE，那么只需要改变TR模组设计利用更强大的晶体管和提高AESA中的单个模组散热性能，就可以提高功率孔径性能。两者都是风险比较低的渐增性设计修改。

美国追寻高密度封装的紧迫性是对降低AESA大规模生产成本，良好的构造式横截面性能，和紧凑原件排列来最大化带宽，以扩大AESA的功能，通过频率捷变最大化LPI能力。目前尚不清楚这些是否是俄罗斯工业在近期内的迫切任务—它们也可以成为对PAK-FA航空电子升级的内容。

但是毫无疑问PHAZOTRON将尽力为当前FLANKER市场上的升级配套装备推销其ZHUK ASE，因为这个市场光中国一家就有500架飞机会有此需求。