雷达的工作频率

雷达的工作频率

无论工作在哪个频段，只要是通过辐射电磁能量来检测和定位目标，并且利用目标反射回波来提取目标信息的设备都可认为是雷达。目前常用的雷达工作频率范围为220~35000MHz，实际上，仍然有些雷达的工作频率超出了上述范围，如，天波超视距(OTH)雷达的工作频率为4MHz或5MHz，地波超视距雷达的工作频率为2MHz，毫米波雷达在94GHz以上，实验毫米波雷达的工作频率超过240GHz。

历史上，最早的雷达使用的是米波，这一波段被称为P波段（P为Previous的缩写，即英语“以往”的字头）。

最早用于搜索雷达的电磁波波长为23cm，这一波段被定义为L波段（英语Long的字头），后来这一波段的中心波长变为22cm。

当波长为10cm的电磁波被使用后，其波段被定义为S波段(英语Short的字头，意为比原有波长短的电磁波）。

在主要使用3cm电磁波的火控雷达出现后，3cm波长的电磁波被称为X波段，X形似准星，被用来代表座标上的某点。

为了结合X波段和S波段的优点，逐渐出现了使用中心波长为5cm的雷达，该波段被称为C波段（C即Compromise，英语“结合”一词的字头）。

在英国人之后，德国人也开始独立开发自己的雷达，他们选择1.5cm作为自己雷达的中心波长。这一波长的电磁波就被称为K波段（K = Kurtz，德语中“短”的字头）。

“不幸”的是，德国人以其日尔曼民族特有的“精确性”选择的波长可以被水蒸气强烈吸收。结果这一波段的雷达不能在雨中和有雾的天气使用。战后设计的雷达为了避免这一吸收峰 ，通常使用比K波段波长略长的Ku波段（2.2cm，Ku，即英语K-under的缩写，意为频率在K波段之下）和略短的Ka波段（8mm，Ka，即英语K-above的缩写，意为频率在K波段之上）的波段。

这种用字母标识频段的习惯沿用至今。工程师曾经试图用其他字符来细分波段的整个频谱（如在波导中使用和在电子对抗措施中使用），但在雷达领域，仍然采用L、S、X、C、K这些字符来标识频段。由于雷达使用了新的频段，其他的字符是后来增加的。（其中UHF代替了P波段，P波段不再使用。）

雷达的常用工作频段很方便用字母来标识。在军事应用上，它的重要作用是它不必用雷达的确切频率来描述雷达的工作频段。当实际需要时，可加上确切的工作频率或替换掉字母。

国际电信联盟（ITU）为无线电定位（雷达）指定了特定的频段(下表中的第三列)。它们适用于包括北美、南美在内的ITU第Ⅱ区。其他两个区的划分略有不同。例如，尽管L波段如表中第二列所示，它的范围从1000～2000 MHz，实际上，L波段雷达的工作频率均在国际电信联盟指定的1215～1400 MHz的范围内。

每个频段都有其自身特有的性质，从而使它比其他频段更适合于某些应用。下面将说明在雷达已采用的或可以工作的电磁波频谱中各部分的特性。实际上，频域的划分并不像名称那样分明。

常用的雷达频段如下表所示。ref.1

IEEE标准雷达频率字母频段名称

波段命名
标准频率范围
ITU专用雷达频率范围
标称波长/cm


HF
3~30MHz




VHF
30~300MHz
138~144MHz
216~225MHz



UHF
300~1000MHz
420~450MHz
850~942MHz



L
1~2GHz
1215~1400MHz
22


S
2~4GHz
2300~2500MHz
2700~3700MHz
10


C
4~8GHz
5250~5925MHz
5


X
8~12GHz
8500~10680MHz
3


Ku
12~18GHz
13.4~14.0GHz
15.7~17.7GHz
2


K
18~27GHz
24.05~24.25GHz
1.25


Ka
27~40GHz
33.4~36GHz
0.8


v
40~75GHz
59~64GHz
0.4


w
75~110GHz
76~81GHz
92~81GHz
0.3


mm
110~300GHz
126~100GHz
144~149GHz
231~235GHz
238~248GHz

* 摘自“IEEE Standard Letter Designations for Radar Frequency Bands”, IEEE std. 521-1984.

** 波长和频率的换算关系为：\(\lambda=\frac{v}{f}\)，其中，\(\lambda\)为波长(m)，\(f\)为频率(Hz)，\(v\)为电磁波的传播速度，在真空中为光速\(v=c=299792458m/s\)。

高频（HF, 3～30MHz）

二战前夕，英国研制的第一部实用雷达工作在该波段(22~28Hz)，这是当时大功率器件能够可靠工作的最高频率。这些雷达对飞机的防御距离达200 n mile(海里，1n mile= 1.1516 mile)，在不列颠战役中发挥了重要的空中警戒作用。

高频电磁波能被电离层反射，可以在500～2000 n mile的距离外反射回地面，实现了目标的超视距探测，因此，目前仍有该波段的新型雷达在研制或应用。

民用的广播电视广泛采用该频段，对雷达的干扰作用显著，在工程应用中需要严格选择接收机的频率并用窄带滤波器组进行频率预选。

甚高频（VHF, 30～300 MHz）

20世纪30年代开发的大多数早期雷达都工作在该频段。在当时，这些频率的雷达技术是技术领域大胆的探索，处于技术前沿。这些早期的雷达很好地适应了当时的需要，并牢固地确立了雷达的实用性。

和HF频段一样，VHF频段很拥挤，带宽窄，外部噪声高，波束宽。但是与微波频段相比，所需的工艺简单、价格便宜。大功率和大尺寸天线都现成可用。对于性能好的MTI雷达所需的稳定的发射机和振荡器来说，该频段较更高频段更容易实现，并且可以免受频率升高时盲速对MTI效能的限制。雨的反射不成问题。在好的反射表面上（如海面）采用水平极化，直射波和表面反射波间的相长干涉会大大增加雷达的最大防空距离（几乎为自由空间作用距离的两倍）。但伴随而来的相消干涉会导致覆盖范围内某些仰角能量为零和低仰角能量降低。该频段是低成本、远距离雷达诸如卫星探测设备的一个好的工作频段。理论上，要想减小大多数空中目标在该频段的雷达截面积是很困难的。

尽管甚高频有许多诱人的特点，但是它的优点并不总能弥补它的局限，所以许多雷达不采用该频段。

超高频（UHF, 300～1000 MHz）

在很多情况下，甚高频雷达也适合于超高频，但比起VHF频段，超高频段外部噪声低，波束也较窄，并且也不受气候的困扰。在有合适的大天线情况下，用于监视宇宙飞船、弹道导弹等外层空间目标的远程警戒雷达都选用该波段。它特别适合于机载早期预警（AEW），例如使用AMTI检测飞行器的机载雷达。超高频段的固态发射机能产生大功率，并且具有可维护性和带宽大的优点。

L波段（1.0～2.0GHz）

L波段是地面远程对空警戒雷达首选的频段，如作用距离为200 n mile的用于空中交通管制的雷达（美国联邦航空局（FAA）命名为ARSR）。在该频段能得到好的MTI性能和大功率及窄波束天线，并且外部噪声低。军用3D雷达使用过L波段，也使用过S波段。L波段也适用于必须检测外层空间远距离目标的大型雷达。

S波段（2.0～4.0GHz）

在S波段，对空警戒雷达可以是远程雷达，但比在较低频率上更难达到远距离。随着频率升高，MTI雷达出现的盲速数量增多，从而使MTI的性能变差。雨杂波会明显减少S波段雷达的作用距离。但对于必须准确估计降雨率的远程气象雷达来说，它是首选频率。它也是对空中程监视雷达的较好频率，例如航线终端的机场监视雷达（ASR）。该频段波束宽度更窄，因而角精度和角分辨力高，从而易于减轻军用雷达可能遭遇的敌方的主瓣干扰的影响。由于在更高的频率能得到窄的仰角波束宽度，也有军用3D雷达和测高雷达采用S波段。远程机载对空警戒脉冲多普勒雷达也工作在该频段，如机载预警和控制系统（AWACS）。

通常，比S波段低的频率适合于对空警戒（大空域内探测和低数据率跟踪多目标）。S波段以上的频率更适合于信息收集，例如高数据率精确跟踪和识别个别目标。若使雷达频率既用于对空警戒，又适于精确跟踪（如基于多功能相控阵雷达的军用防空系统），S波段是合适的折中。

C波段（4.0～8.0GHz）

C波段介于S波段和X波段之间，可看做是二者的折中。但是，在该频段或更高的频率上实现远程对空警戒很困难。该频段常用于导弹精确跟踪的远程精确制导雷达中。多功能相控阵防空雷达和中程气象雷达也使用该频段。

X波段（8～12.5GHz）

X波段是军用武器控制（跟踪）雷达和民用雷达的常用频段。舰载导航和领港、恶劣气象规避、多普勒导航和警用测速都使用X波段。工作于该频段的雷达的尺寸适宜，所以适合于注重机动性和重量轻而非远距离的场合。X波段雷达的带宽宽，从而可产生窄脉冲（或宽带脉冲压缩），并且可用尺寸相对小的天线产生窄波束，这些都有利于高分辨力雷达的信息收集。一部X波段雷达可小到拿在手里，也可大如麻省理工学院林肯实验室的“干草堆山”（Haystack Hill）雷达。它的天线直径为120 ft，平均辐射功率为500 kW。不过，下雨时会大大削弱X波段雷达的功能。

Ku, K和Ka波段（12.5～40GHz）

在二战期间发展起来的初期K波段雷达中，它们的波长都集中在1.25 cm（24 GHz）。由于该波长很接近水蒸气的谐振波长，而水蒸气的吸收会降低雷达的作用距离，因此选择这个波长是不适宜的。后来，以水蒸气的吸收频率为界将K波段细分为两个频段。低端用Ku表示，高端用Ka表示。这些频率受到关注是因为其带宽宽，并且用小孔径天线可获得窄波束。但是，在该波段难于产生和辐射大的功率。由于雨杂波和大气衰减的限制，工作在较高频率愈加困难。所以，并没有多少雷达采用这些频率。但是，用于机场地面交通定位和控制的机场场面探测雷达由于要求高分辨力，它们工作在Ku波段。在这种特殊应用中，由于作用距离短，该波段特性的缺点并不重要。

毫米波波段（40 GHz以上）

尽管Ka波段的波长约为8.5 mm（35 GHz），考虑到Ka波段雷达的工艺与毫米波的相比更接近微波雷达的工艺，它很少被认为是毫米波波段的典型频率。所以毫米波雷达的频率范围取在40～300 GHz。当频率为60 GHz时，由于大气中氧气吸收产生的异常衰减，排除了雷达在其邻近频率的应用。因而，94 GHz频率（3 mm波长）通常代表毫米波雷达的“典型”频率。

40GHz以上频段被进一步分成字母波段。尽管人们对电磁频谱的毫米波波段感兴趣，但是到目前为止还没有现役雷达运行于Ka波段以上。大功率、高灵敏度接收机和低损耗传输线在毫米波波段不易实现，但这并不是根本问题。即使在“晴朗”的天气下，毫米波波段也存在很高的衰减，这就是雷达很少采用该频段的主要原因。实际上，所谓“传播窗口”（94 GHz）处的衰减也大于22.2 GHz水蒸气吸收频率点处的衰减。毫米波雷达更适合于那些工作于没有大气衰减的空间雷达。对近程应用，当总衰减不大且可承受时，人们在大气层内的近程雷达中也考虑采用这些频率。关于v，w频段的最新研究和应用情况，可参考WaVe。

激光频率

红外光谱、可见光谱和紫外光谱的激光雷达可得到幅度、效率适当的相参功率和定向窄波束。激光雷达具有的良好的角度和距离分辨力，对目标信息的获取来说颇具吸引力，例如精确测距和成像。它们已用于军用雷达测距器和勘探的距离测量。人们已考虑利用这些雷达从太空测量大气温度、水蒸气、臭氧的分布剖面以及测量云层的高度和对流层风速。激光雷达孔径的实体面积比较小，因而不能用于大空域的警戒。激光雷达的严重缺点是在雨、云或雾中不能有效地工作。

电磁波谱