【鋪路爪雷達的相位陣列天線和其單元】

位於新竹樂山雷達站，用來為美軍偵測飛彈的鋪路爪雷達，其體積相當巨大，而為甚麼這座雷達站要蓋的那麼大，難道真的愈大的雷達性能愈好嗎? 這個問題就要牽涉到現今高性能軍用雷達的設計了。在1980年代之前，軍事雷達大抵仍然使用機械旋轉天線的模式，透過上下左右移動雷達波束來取得敵方飛機的方向，並且計算雷達波的來回時間得到其距離。但是機械的移動速度有其上限，所以雷達的掃瞄速度一直受到很大的限制。此時蘇聯美國的冷戰達到巔峰，蘇聯為了對付美國強大的航空母艦戰鬥群，發展出了同時間以大量飛彈同時攻擊美國艦隊的飽和攻擊戰術，以當時的雷達性能可說是絕對無法阻擋這種飛彈海的攻擊，一時之間空母的生存能力受到巨大威脅，各國海軍也開始懷疑是否航空母艦稱霸海上的年代會就此過去。

然而在這個時候，相位陣列雷達的技術突然間橫空出世，拯救了美國航空母艦戰鬥群的危險處境。相位陣列雷達是革命性的工程技術，它不使用任何的機械結構去改變電達波束方向，而是透過調整多個天線彼此之間電磁波的相位關係產生干涉相加及相消，藉此達到改變波束方向的目的。而相位天線陣列最大的特徵就是，隨著天線單元數量的增加，可以形成能量更加集中的波束。所以我們可以發現，不管是在美國的神盾驅逐艦還是鋪路爪雷達中，都會裝設一大片的天線罩，這個天線罩底下充滿了大量的天線單元，在精密的電子系統控制下能形成精準而集中的雷達波束，同時提高偵測距離和解析精度，進而達成掃瞄追蹤敵人戰機和飛彈的工作。而且由於電子工程的進步，這些運用的相位陣列雷達甚至可以同時掃瞄並追蹤數百個以上的空中目標，這也就是為甚麼海軍的相位陣列雷達會被命名為神盾系統。

我在看鋪路爪雷達的新聞時，特別注意到了其所使用的天線，形狀相當有趣，有點像是傘骨一樣往後收摺。在看了相關論文之後大概理解了其結構。鋪路爪雷達所使用的這個天線單元，其實是由兩個常見的dipole天線向後彎折所構成。而這裡就會讓人產生兩個疑惑了，第一，為甚麼要使用兩個dipole天線放在一起複雜結構去增加饋入和生產上的困難?第二，為甚麼好好的dipole天線不用，還要特定去把它掰彎呢?難到不能讓它好好當個直男嗎?

其實兩個dipole放在一起不是個奇怪的結構，反而是種有效率產生圓極化電磁波的方法。因為一般天線所產生的電磁波，其電場只會在同一個方向上做振盪，當遇到風雨或其它障礙物時，很容易被其影響而快速衰減。而在採用圓極化的電磁波後，當遇到某方向的阻礙時，另一個方向的電場能然可以通過障礙繼續傳播。而另一方面，圓極化的電波磁波在面對戰場上的敵方干擾時，也能夠有更強大的抗干擾能力，這點在軍事用途中可說至關重要。

而在dipole天線的形狀部份，則有兩個好處，首先是輸入阻抗的問題，在一般的dipole天線上，輸入阻抗並不是常用的50歐姆而是略高的75歐姆。而在天線折彎後，其阻抗會有效的下降，這是為了要達成能量傳輸的目的，通常為了阻抗匹配，電磁波的傳輸波導和天線會使用接近的阻抗，而如果這個特徵阻抗值取得愈小，波導將可以傳送更大的能量(阻抗愈小時，波導中能量由電場傳送的成份愈少，介質會更不容易被游離)。第二個好處則是這個向後彎的dipole場形，會比較接近一個球面，這在相位陣列天線中是一個相當大的好處，因為相位陣列最後產生的場形仍然和天線單元有相當大的關係，如果天線單元的場形愈接近球形，則最後透過相位陣列合成出來的場形會更加均勻且容易計算。

以上就簡單介紹了鋪路爪雷達的天線陣列，還有談了天線單位的設計，這篇文章先寫到這裡，之後關於鋪路爪雷達還有技術以外更有趣的相關主題，敬請期待~

圖片和一些參考資訊來源：
[1] E. Brookner et al., "Demonstration of accurate prediction of PAVE PAWS embedded element gain," 2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, Waltham, MA, 2010, pp. 417-422, doi: 10.1109/ARRAY.2010.5613333.
[2] https://www.qsl.net/....../Center-fed%20V-dipoles......