[烛光生存狂]-二战美国雷达的发展

Morgan McMahon于1942年加入美国海军，曾分配到Oklahoma A&M海军电子学校，Treasure Island，和MIT’s Radiation Laboratory。后被委派到珍珠港基地教授导航系统，却是在U.S.S. Stephen Potter, DD-538上。从1944四月到1946一月该舰退役，他负责管理舰上所有电子设备。U.S.S. Stephen Potter, DD-538参与了第三，第五舰队在太平洋上的所有主要行动。Morgan McMahon对船用雷达电子对抗设备的研究很感兴趣。曾因“使重要装备在对敌作战中发挥更大作用”而获得指挥官，驱逐舰及太平洋舰队的嘉奖。战后Morgan McMahon到了U.C. Berkeley从事晶体管方面的研究工作，并参与编写了《早期雷达系列丛书》。

这是一篇由雷达发展的见证者从使用者的角度出发所编写的关于雷达的有益的文章。Morgan McMahon的描写综合了基础知识，技术理论以及个人经验。

简介

电子学在二次世界大战中度过了它狂野的青春期，展示了科学与艺术的结合，这过程来源于神奇的工具——雷达。

雷达！这个由你嘴里吐出的字眼，它是新世界的碰撞，是未来的冒险！事实上雷达甚至比生命更重大。虽然它的原理很简单，但它的极限远在任何人的想象能力之外。不同学科逐一参与，从制作锡皮玩具到生产出雷达。第二次世界大战雷达的产生，犹如马赛克镶嵌般，使电子技术最终变为了电子工业。

雷达的发展证明了需求确实是发明的母亲。它表明，技术一旦用于战场，真正的英雄能顶住压力，科学家与工程师证明了像磁控管，速调管，收发开关，半导体检波器以及其他缺少的部件在难以想象的短时间内就可以发明出来，改进出来和生产出来。

雷达（无线电探测器字首的缩写）掀起了黑夜的面纱，在夜晚，在恶劣的天气下，在光学仪器的作用范围外，雷达可以精确的探测和跟踪敌方舰船和飞机的运动。它可以全天候地控制火炮，鱼雷和炸彈实施准确打击。

雷达是盟军赢得二战的关键。它使很多战斗变得对我方有利。它大大增强了我方武器的效用：在不列颠之战中，它成功引导数以千计的战机作为拦截机，而早期同样的任务需要万架飞机不停巡逻。

请注意本文所涉及的有关雷达的成就仅到1945年二战结束为止，而至今已经历了两代人以及数代的改进型雷达。

雷达系统

雷达如何工作？它发射无线电波，电波遇到任何物体能反射。由目标所反射的无线电波回迹的方向能确认其方位角，电波发射和折返的时间可以确认其距离，每英里需时1.24*10-6 S，目标的仰角可被用以确认其高度。

图一显示了雷达如何探测并在示波器显示目标。雷达示波器不断扫描，同时距离校准。图一：脉冲离开天线，目标反射，回波返回，雷达示波器显示光斑。照片：雷达系统的基本原理。

图二显示了单波瓣指向天线通过转动得出最大回波信号来探测目标的方位角。在示意图中，天线在左方，气球形线表示波束集中区域——天线方向。当需要精确的方位角，如指挥火炮时采用双波瓣发射（图三），两波瓣回迹强度相等时便可获得精确的目标方位角，这被成为“波瓣法”。这个办法同样可以用于测量目标仰角。

图二：单波瓣天线，搜索时波轴处的目标回波最强。照片：雷达系统基本原理。

图三：用以精确跟踪的双波瓣天线方向图，回波信号强度相等时便能精确的显示出目标c的位置。照片：雷达基本原理。

雷达装置

看起来雷达装置只是一堆里头布满各种先进线路的金属盒子，一台显示雷达图象的显示器，外加一个通常不停旋转或以某中方式扫描的天线。

图四显示了典型的雷达装置的几个功能块。这些方框里的功能块不一定对应雷达装置里具体的某只盒子。通常控制台安在显示器组件上。计时器则通常包含在舰艇的“主机”里，发射机，接收器，动力供应以及收发双工功能位于天线系统。

图四：雷达的基本功能块，下文有进一步的描述。照片：雷达基本原理

计时器：与相关线路合作，为发射器和示波器发送同步信号

发射器：由激励器，调节器和射频震荡器组成，用以生成强大的短脉冲能量。

天线系统：将发射机发出的无线电射频会聚成无线电射束，接收回波并传送到接收机。在单天线系统中设置了收发开关以控制电波的发射与接收。

接收机：将目标返回的无线电回波放大并转化为示波器上可见的脉冲信号。

示波器：根据需要显示可见的回波信号。常整合在雷达操控台上。（图8~11显示了常用的雷达示波影象）

图五：叠层偶极平面（弹簧床）天线。照片：雷达系统基本原理。

图六：抛物线“碟”形偶极天线，象手电筒后面的反光面一样会聚雷达波束。照片：雷达系统基本原理

图七：带塑料辐射体的定相阵列天线。电波沿杆顶端方向发射，技术上称为“顶端发射”。照片：雷达系统基本原理

图八：“A”模式用以测量距离和目标分析。照片：雷达系统基本原理

图九：PPI模式为地图式显示。照片：雷达基本原理

图十：“B”模式用于侦察与导航。照片：雷达基本原理

图十一：“C”模式用于截击，在应当开火时目标回波会发亮。照片：雷达基本原理

雷达的使用

二战中雷达担负起很多工作，不同的系统有不同的要求。雷达的制.造者们不得不考虑各种东西：理想的雷达系统该是怎么样的？现实又是怎么样的？可利用的部件，紧迫的时间，设计技巧，可生产性，操作技巧，宽度，尺寸，可靠性，弱点，检测能力，抗干扰性，物理强度以及在实际环境中的表现。众多优秀的设备在以月而不是以年为单位的时间表下构思出来，研制出来和生产出来，着实让人惊叹。

总的来说，早期预警雷达需要高脉冲能量，有效的天线系统和灵敏的接受系统。然而，对早期的雷达侦测能力来说，锐利的分析能力，精确的方位和距离精度有时候需要做出取舍。在实践中，最适合的防空预警频率在100MHz以下，而对海的搜索频率在10000MHz左右。更高的频率对发现较小的目标如潜艇的潜望镜更有利。

机载雷达需要低至144MHz频率来搜索和攻击水面舰船，但低频率天线系统对飞机来说大而笨拙，且增大了风阻。磁控管的发展使机载雷达可以使用3000和10000HMz的频率，这将大大减少雷达的重量和体积。这类雷达专门用于远程搜索，侦察，导航和精确轰炸。某些雷达，如AN/APS-3可担当多种任务。值得注意的是，更高的频率意味着更高的精度和更清晰的目标确认能力。

技术

关于雷达系统的种种构思就象鸡和蛋的关系一样螺旋式发展，不断需要新技术和新的认知。例如对微波雷达的需求导致了多腔磁控管的发明，而这又带来了对收发双工机与接收器的需要，反过来又需求更高频率的磁控管…就这样转来转去，雷达因此获益良多。

重要的革新包括磁控管脉冲发生器，速调管振荡器，“灯塔”管以及半导体微波混频二极管…清单可以一直开列下去。顺带提一下，关于半导体微波装置的深入研究诞生了新一代的晶体管科学家，他们将发起半导体革Ｍ，为将来电子计算机革Ｍ作硬件的基础工作。

美国海军雷达的发展

早期海军雷达的研究与发展于1930年代的中后期由海军研究实验室（NRL）开始。1940年NRL改名为海军电磁波实验室（Navy Radiation Laboratory）并搬迁到MIT与贝尔电话实验室。一些工业实验室如RCA（Radio Corporation of America）给予了早期的支持。

1937年NPL早期雷达研制工作的成果安装在U.S.S. Leary号驱逐舰上进行测试。经过对这架“试验电路”的测试，一种更正式的原型雷达XAF于1938年安装在U.S.S. New York号战列舰上。这台雷达发射功率15KW，频率200MHz，脉冲宽度5usec.。它有一面比“飞行床垫”（另一种雷达的戏称）大两倍平板状天线。由于表现理想，另外20套被称为CXAM的雷达便被安装在战列舰，巡洋舰，航空母舰和一艘水上飞机母舰上。作为出色的搜索雷达，这些雷达装置在战争的整个过程中都有使用。

从XAF后，海军计划研制转移到输出功率330KW，工作频率200MHz，具有灵敏的接收机和“弹簧床”天线的对空搜索雷达上。它们能前所未闻地发现150英里以外的飞机。这批雷达的生产型样机分别是GE制.造的SC和SK型雷达以及RCA制.造的SA型雷达。SC用于驱逐舰，与之一样的SK则配有双倍大的天线，用于巡洋舰，战列舰和航空母舰，部分后期的SK安装了大型碟形天线。SA则用于护航驱逐舰之类的护航舰只。这些雷达同样装备到了盟军的舰艇上。

工作在400到600MHz的高频XAF的后继型号如强大SR系列也生产出来了。

海军XAF“试验电路”的另一个后代是XAS潜艇用防空预警雷达。1941年6月由U.S.S. Gar号装艇测试，成为潜艇用可靠的SD系列对空搜索雷达。它的输出功率为140KW，工作频率114MHz。

磁控管

高能磁控管“Maggie”是二战中对雷达影响最大的新型装置。它使雷达能以更大的脉冲强度在微波波段工作。它使目标综合分辨精度（锐利度），方位精度和距离精度有了数量级的提高，使天线体积更小而性能更高，使海面和地形干扰杂波能更好地检测出来，使脉冲宽度达到微秒级，使最小探测距离从半英里缩短到几百码，使拦截机的枪炮可以完全由雷达控制，使笨重的天线可缩小到能放进机翼里或炸彈大小的荚舱里。

1940年9月Sir Henry Tizard被委派将磁控管从英国带到美国。这是盟军互相公开，联手以电子技术以击败轴心国力量策略的一部分。作为样本的磁控管能以10KW的功率发射3000MHz的微波。为了走捷径，美军决定只进行必要的修改便把英国人设计出来的这种非凡的磁控管立即投入生产。对双方来讲都有一个共同的问题，如何避免磁控管的模变，也就是电波经常会跳到无意义的频率。然后英国人发明了“多腔磁控管空腔间的异体耦合”技术，把磁控管的交变齿捆绑在一起来约束它稳定。结果获得在3000MHz下50KW的输出功率。对微波雷达来说这已经足够功率了。

磁控管于1921年就有了，但多腔高能磁控管直到1939年才由英国伯明翰大学的蓝德尔和布特发明出来。Tizard行动泄露给美国之前一直是个机密。几个月内这种装置迅速投入生产。NRL，MIT电子实验室与贝尔电话实验室是美国最早发展本国版本的磁控管并将其应用于雷达的三个领导者。主要的微波雷达策略指引由国家防务研究委员会（NDRC）发出。

图十二：多腔高能磁控管（已剖开）。照片：《雷达基本原理》

磁控管（图12）基

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