阅兵场上的“千里眼”，秘密居然藏在双缝干涉里！

刚看完N年一度的九三大阅兵，作为一名并不资深的军迷，小编现在已经是激动得坐不到工位上了~

今年的阅兵式上会展示各种各样夺人眼球的新式装备，在这篇文章推送到各位手上之前，海量的新装备照片应该已经席卷了互联网~

为什么小编一定要强调新装备呢？这就得说起8月16日在军迷圈子抢跑的那一轮装备照片了。让小编来说的话，只能说“除了99A都不认识不是怎么是99B啊”。

谢邀，刚看完阅兵，已经是军盲了

然而话又说回来了，不管新装备的种类如何繁多，有心人肯定能注意到，许多装备上都出现了一种“大平板”的身影，没错，就是所谓的有源相控阵雷达“AESA”。

图为今年阅兵的预警探测方队，可见明显的折叠大平板特征

电影和现实中的1130，福建舰的1130已经悄悄换装了相控阵大平板

虽然不管是普通人还是普通军迷，大家都认不出来新装备是干什么用的，但是相控阵大平板作为近年来军事报道以及各种新闻中的常客，大家应该都很熟悉了。

电影《流浪地球2》中的核弹相控阵，通过控制爆炸时间将冲击汇聚到中心

那么今天小编就以逐渐白菜化的相控阵雷达为切入点，带各位读者学点物理，也了解一下军事技术日新月异的发展~

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什么是相控阵技术？

大家在搜索“相控阵”时，可能会看到这样的专业描述：

“在天线理论中，相控阵通常指电子扫描阵列，即由计算机控制的天线阵列，它产生的无线电波束可以通过电子方式控制指向不同的方向，而无需移动天线。”

这样的解释虽然准确，但对非专业读者来说，确实有些抽象难懂。今天，我们就从物理图像出发，用最直观的方式为大家讲清楚：到底什么是相控阵？

让我们暂时把相控阵放一放，先回顾一下波动光学中一个经典的实验——杨氏双缝干涉。

（注：这里说的是经典波动实验，不是量子层面的单光子干涉，雷达技术还没那么“玄幻”~）

双缝干涉以及干涉条纹

如图所示，从点光源发出的光照射在两条狭缝上，使它们成为一对相干光源。它们发出的球面波在后方光屏上叠加，形成了明暗相间的干涉条纹。

我们小学二年级就已经知道，单频电磁波可以表示为三角函数的形式。如果借用复数的工具（欧拉公式），可以将电磁波表示成

在一对狭缝构成的光源中，由于位置不同，它们与原始光源之间的光程R1和R2不同，这导致了两点光源之间存在初始相位差。

此外，当这两束光传播到光屏上某一点时，由于狭缝间距d的存在，它们又会产生新的光程差r1-r2，因此，总相位差为

光屏上的条纹分布完全由这个相位差决定：当相位相差2nπ时，两束电磁波峰值叠加，光强增强；当相位差为（2n+1）π时，两束电磁波波峰与波谷互相抵消，光强相消。这种相位差在空间中的分布，就呈现为我们所看到的明暗交替的干涉条纹。

如果我们增加狭缝的数量，用类似的方法也可以计算多缝干涉的条纹分布。可以直观地想象：当狭缝数量越来越多时，干涉图案会逐渐收敛，最终在某个方向上形成一个强度极高的主瓣，周围则伴随着一些强度较低的旁瓣。如下图所示：

更复杂的干涉波形

基于以上内容，我们可以讨论，如果在每个干涉狭缝处人为增添一个逐次增加的相位差，会有什么效果呢？答案很简单，形成的干涉条纹会开始左右转动！

15个天线（波源）组成的阵列，通过控制波源之间的相位差调整主瓣指向

至此，相控阵的核心思想已经呼之欲出：

所谓相控阵，就是通过直接控制阵列中每个波源的发射相位，从而改变合成波前的方向与形状，实现波束的快速指向与扫描——整个过程完全由电子控制，无需机械转动。

通过调节相位使得波前指向发生改变的示意图

根据相位调节方式的不同，相控阵雷达可分为无源（PESA）与有源（AESA）两种：

无源相控阵（PESA）：使用一个中央高功率发射机产生信号，再通过移相器网络为每个辐射单元分配特定相位。

有源相控阵（AESA）：则是每个辐射单元都配有独立的收发组件（T/R组件），可独立控制信号的相位和振幅。这种架构带来极大的灵活性，使AESA在性能上对PESA形成代差优势。

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雷达的进化之路

雷达（Radar），源于“Radio Detection and Ranging”的英文缩写，其基本原理是向空间发射电磁波，并通过接收目标反射的回波来探测物体的方位与距离。自诞生以来，这部“电子眼”就朝着三个方向不断进化：看得更远、看得更清、看得更快。

雷达的基本工作原理

早期的雷达往往配备不断旋转的巨型天线和装满真空管的机柜，运转时发出低沉的嗡鸣。从最初的LC振荡电路到后来的磁控管，雷达工作波段从米波逐步迈向微波，发射功率也大幅提升，实现了“看得更远”。但受限于技术，早期雷达波束指向固定，必须依靠机械旋转天线才能扫描整个空域。

机械扫描雷达就像一座电磁灯塔：通过物理转动天线，周期性地“照亮”周围空间。

老式机械扫描雷达

很像一座灯塔

这种雷达结构简单、技术门槛低，但其扫描速度受机械惯性限制，难以同时跟踪多个目标。于是，工程师将目光投向了相控阵技术——它无需机械转动，仅通过电子控制就能实现波束的快速扫描，刷新率和多目标跟踪能力远超机械雷达。

早在二战期间，相控阵技术就已走上战场。

1943年，USN大型战舰上的Mark 8火控雷达是世界上第一部服役的相控阵雷达，使用机械移相器阵列实现相控阵效果。

Mark 8火控雷达，可见排列成三排的发射器

同一时期，纳粹德国也搭建了使用机械式移相器的Mammut雷达。此时的相控阵采用单一微波源，经过移相器阵列达成对波束相位的调制，属于无源相控阵技术。

Mammut雷达，将1到2个波源发出的电磁波经过6到8个移相器的调制，形成相控阵效果

这些早期系统都采用单一微波源＋移相器阵列的结构，属于无源相控阵（PESA）。尽管实现了电子扫描和多目标跟踪，但由于系统复杂、电子管可靠性差，其在测量精度和稳定性上仍有明显局限。

转机出现在1950年代。贝尔实验室发明晶体管，其体积小、功耗低、可靠性高的特性迅速获得青睐，并率先应用于机载雷达。

巨大的晶体管和小巧的电子管

此时工程师们意识到，既然晶体管体积远小于电子管，那我把无源相控阵的每个波源都换成一个晶体管发射器，不就可以单独控制每个波源的相位了吗？

于是，雷达技术的“终极形态”——有源相控阵雷达（AESA）登上了历史舞台。借助半导体工艺的飞速发展，AESA得以在有限空间内集成成千上万个独立的收发单元（T/R组件），不仅扫描速度极快、能同时形成多波束，可靠性和精度也远超传统雷达。

有源相控阵be like

如今，有源相控阵已成为世界主流强国雷达技术的核心。而中国，正是这一领域发展最为迅速的国家之一。

各式各样的现代相控阵雷达.

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无处不在的有源相控阵？

在之前的回顾中，相控阵雷达总是与“高性能、高复杂度、高成本”紧密相连。但如今，从军事装备到商业产品，相控阵技术似乎无处不在。难道这项技术一夜之间变得“白菜化”了？

事实并非如此。

至今，俄罗斯空天军大量苏-35S战机仍在使用无源相控阵（PESA）雷达，航电性能明显落后于中美。美国的情况也并不轻松：尽管AESA技术起步早、发展快，其主力驱逐舰“阿利·伯克”级直至最新的2A型仍广泛使用SPY-1无源相控阵雷达。直到最近，才有一艘伯克3型服役，总算用上了先进的SPY-6有源相控阵系统。

满头天线的阿利伯克，和055相比简直是某种现代违章建筑

回过头看中国海军，055型驱逐舰以一体化综合桅杆和“四面盾”式设计，呈现出干净利落的隐身外形。在这简洁的外观之下，是多波段有源相控阵雷达系统的高度集成与强大性能。

干干净净的055

这一切的背后，是一条半导体技术发展的“暗线”——中国氮化镓（GaN）基半导体技术已步入成熟阶段。

在完善的产业链支持下，你甚至可以看到新能源相控阵坦克（感谢军迷大佬 @老枪赵 制图）

GaN作为第四代半导体材料，相比传统的砷化镓（GaAs）具有显著优势：GaN可支持比GaAs高5~10倍的功率密度，极大提升雷达探测距离与分辨率；高温环境下可靠性更强、寿命更长，大幅降低维护需求与成本；不仅用于军用雷达，也快速渗透至民用消费电子、通信和工业领域。

也正是这些优势，推动GaN技术走出实验室、走向大规模量产。市场爆发点恰恰来自民用需求，尤其是快速充电、5G通信基站、工业能源等领域。

大家手里应该都有GaN充电器，这个是小编自己正在用的

甚至农业无人机也可以带盾，上图大疆T60的两个圆柱雷达内部就是两个相控阵雷达

民用市场的海量需求，推动中国GaN产业链迅速成熟——产能攀升、成本下降、可靠性不断提高。这又反过来为军事领域大规模应用AESA雷达打下坚实基础，实现了“民技军用”的良性循环。目前中国氮化镓相控阵技术走在世界前列，就是这种正向循环的直接结果。

可以说，中国相控阵技术的普及和飞跃，是“军民融合”战略的一个生动缩影。技术不分军民，创新没有边界，真正强大的科技生态，必然是实现“军转民”与“民参军”的双向赋能。

军民团结如一人,试看天下谁能敌

结语

当阅兵式上战机的呼啸声渐渐远去，那些由无数“智慧之眼”构成的相控阵雷达，却仍在无声地守护着我们的天空与海洋。

这项技术早已超越军事，融入5G通信、医学、超声等生活的方方面面。它的辉煌，不仅源于电磁理论的精妙，更扎根于一个国家完整的产业链和自主创新的决心。

我们为受阅的尖端装备而震撼，为新中国的综合实力位列世界前列而喜悦，更应为背后不懈努力奋斗的人民群众而自豪。

一万年太久，只争朝夕

参考资料：

[1] 马科斯・玻恩,埃米尔・沃耳夫.光学原理:光的传播、干涉和衍射的电磁理论[M].电子工业出版社,2006.

[2] 赵凯华,钟锡华.光学:重排本[M].北京大学出版社,2017.