雷達波段與其應用原理簡介

在前一篇《雷達與無線射頻技術概要》中，我們介紹了雷達的歷史、運作原理，並且簡介了在軍事用途上的應用。本篇我們介紹雷達各種不同的波段，並說明其應用的原理。

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在文章開始之前在節錄《雷達與無線射頻技術概要》的部分關於雷達波段應用的內容：

• HF雷達(High Frequency)：3-30 MHz，主要用於超過地平線的偵測。
• VHF雷達(Very High Frequency)：30-300 MHz，用於長距離偵測和早期警告。
• UHF雷達(Ultra High Frequency)：300-1000 MHz，用於火控和飛彈追踪。
• L波段雷達：1-2 GHz，常見於航空母艦上，具有長距離偵測能力。
• S波段雷達：2-4 GHz，主要用於防空搜索和偵測。
• C波段雷達：4-8 GHz，常用於天氣監測和空中交通管制。
• X波段雷達：8-12 GHz，常用於軍事和氣象預報中的短距離偵測。
• K波段雷達：18-27 GHz，主要用於飛行測試和目標跟踪。
• Ka波段雷達：27-40 GHz，通常用於高分辨率應用。
• W波段雷達：75-110 GHz，用於高分辨率偵測和近距離偵測。

雷達波段的選擇是基於各種物理和應用上的考量。波長和頻率會影響雷達信號的許多屬性，包括其傳播特性、能夠解析的目標大小、對氣象條件的敏感度、穿透能力等。以下簡單解釋各種波段的選擇原理：

• 波長與目標大小：波長越小(即頻率越高)，雷達解析度通常越好。這意味著對於需要高分辨率的應用，例如近距離目標偵測或測試，較高的頻率(例如Ka或W波段)可能更適合。
• 大氣吸收：某些頻率(如W波段)的雷達信號在大氣中的吸收率較高，這可能限制了它們的偵測範圍。因此，這些頻率較適合近距離偵測。
• 氣象敏感度：某些頻率對氣象條件(如雨滴)特別敏感。C波段雷達就常被用於天氣監測，因為它能夠偵測到雨滴的存在。
• 穿透能力：較低的頻率(如HF、VHF和UHF)通常具有較好的穿透能力，尤其是在雨或其他干擾物的情況下。這使它們特別適合長距離和超過地平線的偵測。
• 天線大小與波束寬度：波長越長，為了獲得相同的解析度，所需的天線直徑就越大。同時，天線的大小也與其波束寬度相關。一般來說，天線直徑越大，波束寬度越小，這意味著雷達的方向分辨率越高。
• 干擾和免許考量：頻率的選擇也可能受到其他無線通信系統的干擾或法規的影響。選擇某一波段可能是為了避免與其他系統產生干擾，或是因為該頻率獲得許可較容易。

HF雷達(High Frequency, 3-30 MHz)

HF雷達適用於超過地平線的偵測，其背後的原理主要涉及電波在大氣中的傳播特性，尤其是與電離層的互動；偵測範圍為數百到幾千公里。以下是使用HF雷達進行超過地平線偵測的原因：

• 電離層反射：HF波段的電波能夠被電離層的特定層(通常是F層)反射回地面。當這些電波從地面雷達發射時，它們會向上傳播，碰到電離層後反射回地球表面，然後再次被反射回電離層，如此往返。這種多次反射的現象允許HF電波遠超地平線的可視範圍，並可涵蓋數千公里。
• 大氣吸收低：在HF波段中，電波在大氣中的吸收率相對較低，這使得它們能夠在長距離上保持足夠的能量。
• 穿透力：與較高頻率的電波相比，HF電波具有較好的穿透能力，特別是在雨、雪或其他形式的大氣干擾中。

這些特性使得HF雷達特別適合於超過地平線的偵測，如海洋監控、遠程飛機偵測以及其他跨大陸的應用。然而，值得注意的是，由於HF雷達使用的波長較長，所以其解析度較低，這意味著它可能無法像更高頻率的雷達那樣精確地識別目標。

VHF雷達(Very High Frequency, 30-300 MHz)

VHF雷達適用於長距離偵測和早期警告，偵測範圍為數十到幾百公里；由於以下幾個特性和考量：

• 電離層反射：與HF雷達相似，VHF雷達的電波也可以被電離層的部分層反射。雖然它不像HF那樣有效，但在某些情況下，VHF雷達仍然能利用電離層的反射來擴展其偵測範圍。
• 減少吸收和干擾：VHF頻率範疇中的電波在大氣中的吸收相對較低，特別是當與更高頻率比較時。此外，它們也較不易受到天氣因素(如雨)的干擾。
• 大氣散射：VHF雷達能夠利用大氣散射效應來偵測目標。這種效應在較高頻率(如UHF和以上)更為明顯，但VHF仍然可以利用它來進行一定的偵測。
• 解析度與偵測範圍之間的折衷：雖然VHF波長比HF要短，但它仍然比較長，這意味著其解析度不如更高頻率的雷達。但由於它的波長較長，這使得它具有較大的偵測範圍，適合用於早期警告。
• 對隱身技術的某些感知能力：一些軍事分析認為，由於VHF雷達的波長較長，它可能對某些隱身技術(專為較高頻雷達設計的技術)具有偵測能力。

UHF雷達(Ultra High Frequency, 300-1000 MHz)

UHF雷達適用於火控和飛彈追踪，偵測範圍為數十到上百公里，這是基於以下的特性和考慮因素：

• 中等解析度：UHF頻率的波長比VHF和HF短，這意味著它能提供較好的解析度。這使得UHF雷達更容易追踪快速移動的目標，如飛彈，並提供更準確的目標位置信息，這對於火控系統非常重要。
• 持續追踪：UHF頻率允許雷達對目標進行持續的、穩定的追踪，這在火控和飛彈導引中是非常重要的。當飛彈發射後，對其進行精確的追踪並導引至目標至關重要。
• 大氣干擾較少：UHF頻率的電波在大氣中的吸收較低，並且較不容易受到天氣因素的干擾，這有助於提供更可靠的目標追踪。
• 寬頻寬：UHF範圍內的雷達可以設計為使用寬頻寬，這使它們能夠更快速地掃描和偵測目標，這在飛彈追踪和火控中是很有價值的。
• 多模式操作：許多UHF雷達設計為多模式，能夠進行搜索、追踪和火控等多種任務。
• 對地和對海搜索：UHF雷達因其特定的頻率特性，對於對地和對海搜索也有優勢，這在某些火控和目標追踪應用中可能是有益的。

L波段雷達(1-2 GHz)

L波段雷達在1-2 GHz的頻率範圍內工作，並且在軍事和航空應用中具有特定的優點，偵測範圍為幾十到上百公里；以下是為什麼L波段雷達適合於航空母艦並具有長距離偵測能力的原因：

• 中等波長：L波段雷達的波長處於中等範圍，這意味著它們可以提供相對較好的解析度，同時又具有較長的偵測範圍。
• 大氣效應較小：L波段的頻率使其在多種氣象條件下，特別是在雨中，能夠有效地運作。這對於航空母艦上的雷達系統非常重要，因為母艦可能會遇到多種氣象條件。
• 跨越地平線的偵測：航空母艦的主要任務之一是提前警告和航空控制。因此，它們需要一個雷達系統，能夠在遠距離內偵測到低飛和高飛的目標。L波段雷達在這方面表現出色。
• 目標分辨和識別：L波段雷達的頻率特性使其能夠在一定程度上區分飛機、飛彈和其他目標。這對於航空母艦的防空任務很有用。
• 抗電子干擾能力：航空母艦常常是主要的敵方目標，所以它們可能會受到電子干擾攻擊。L波段雷達具有較強的抗干擾能力，可以在高威脅環境中繼續工作。
• 大小與功率：對於航空母艦這樣的大型船艦來說，雷達系統的大小和功率不是主要的限制因素。因此，可以安裝具有高輸出功率的L波段雷達，從而增加偵測範圍。
• 多模式能力：現代的L波段雷達通常設計為多模式，這意味著它們可以同時或輪流進行搜索、追踪和目標識別。

S波段雷達(2-4 GHz)

S波段雷達的頻率範圍在2-4 GHz之間。這一特定的頻率範圍為S波段雷達提供了若干特性，使其特別適合於防空搜索和偵測；偵測範圍為數十公里。以下是使用S波段雷達進行防空搜索和偵測的主要原因：

• 平衡的解析度與偵測距離：S波段雷達提供了一個在解析度和偵測距離之間的平衡。其波長允許雷達具有合理的空間解析度，同時還保持了良好的偵測距離。
• 大氣穿透力：在S波段頻率下，雷達的波束受到大氣衰減的影響較小，特別是在雨中。這使得S波段雷達在各種氣候條件下都能有效地運作。
• 多目標追踪：許多現代S波段雷達系統具有先進的多目標追踪能力，這對於防空任務至關重要，因為可能會有多個同時入侵的威脅。
• 敵方電子干擾的抵抗性：在此頻率範圍內，雷達系統可以使用技術和策略來抵抗和/或減少敵方的電子干擾。
• 大型反射器：S波段雷達的較長波長允許使用大型的天線反射器，這可以提供更大的偵測範圍和更好的解析度。
• 抗地面反射/雜波：對於地面上的對象（例如建築物或樹木）的反射（稱為地面雜波）會干擾雷達信號。S波段雷達的某些特性可以幫助減少這種雜波的影響，從而提供更清晰的目標信號。
• 廣泛應用：由於其在解析度、偵測距離和抗干擾能力上的平衡特性，S波段雷達已被廣泛應用於各種地面和海上平台，進行空中和海上目標的搜索和追踪。

C波段雷達(4-8 GHz)

C波段雷達在多個應用中被廣泛使用，但特別在天氣監測和空中交通管制中是非常受歡迎的，偵測範圍為數公里到數十公里；以下是這一特定頻率範圍的雷達在這些領域中之所以受到青睞的原因：

• 水滴的反射特性：在天氣監測中，雷達需要檢測到雲層中的水滴和冰粒。C波段的波長與許多雨滴的大小相匹配，這使得它們能夠有效地回射雷達信號。這意味著C波段雷達能夠較為準確地測量中到大型的雨滴，從而得出降水率。
• 中等的解析度和偵測距離：C波段雷達提供了一個在解析度和偵測距離之間的平衡，對於天氣監測和空中交通管制而言，這是非常有利的。
• 減少大氣衰減：雖然C波段雷達受到的大氣衰減較X波段和K波段雷達更大，但它仍然能夠在大多數天氣條件下有效地運作，特別是在中等到重的降雨中。
• 空中交通的廣泛監測：C波段雷達的距離和解析度特性使其成為空中交通管制中的一個理想選擇，特別是在機場附近，其中空中交通密度可能很高。
• 抗地面雜波能力：C波段雷達的波長可以較好地區分地面雜波和真正的航空目標或氣象現象，這對於空中交通管制和天氣監測都是非常重要的。
• 機體大小和設備成本：相對於其他頻率範圍的雷達，C波段雷達的天線和設備尺寸適中，且價格合理，使得它在機場和氣象站中是一個經濟有效的選擇。
• 低風切變誤差：在氣象應用中，C波段雷達受到風切變引起的誤差影響較小，這對於準確測量風速和風向很重要。

X波段雷達(8-12 GHz)

X波段雷達在軍事和氣象預報中的應用是基於該頻段的特定特性，偵測範圍為數公里到數十公里；以下是X波段雷達在這些應用中的主要優勢和原因：

• 高解析度：由於X波段雷達的波長較短，它可以提供更高的解析度，使其能夠檢測到較小的物體或氣象現象。這在軍事應用中非常有價值，因為它可以更清楚地辨識目標和其他相關的物體。
• 適合較小的裝置：短的波長意味著雷達裝置(如天線)可以相對較小，而仍保持足夠的解析度。這在空間有限或需要流動性的場合(例如，軍用車輛或飛機上)特別有用。
• 短距離偵測：儘管X波段雷達具有很高的解析度，但它在某些條件下可能會受到大氣衰減的影響，特別是在濃厚的雨中。因此，它最適合用於短距離偵測。
• 雨滴的偵測：在氣象預報中，X波段雷達特別適合於測量較小的雨滴。這使得它在測量雨量和預測降雨類型(如細雨、霧等)時非常有用。
• 目標識別：在軍事應用中，高解析度和細緻的掃描能力使X波段雷達非常適合於目標識別，特別是在短距離內。
• 快速掃描速度：由於可以使用較小的天線，X波段雷達系統可以快速掃描，這在動態變化的情境中(如戰場或劇烈變化的天氣條件)非常有用。
• 地面雜波的減少：短波長有助於減少地面雜波，這對於清晰地識別和追踪目標非常重要。

K波段雷達(18-27 GHz)

K波段雷達在飛行測試和目標跟踪中的應用基於該頻段的特性，偵測範圍為一般是幾公里內；以下是K波段雷達在這些應用中的主要優點：

• 非常高的解析度：K波段的波長非常短，這使其能夠提供非常高的空間解析度。在飛行測試中，這種高解析度能夠捕捉到細微的目標詳情或飛行動態。
• 小型天線設計：由於其短的波長，K波段雷達可以使用相對較小的天線，這使得整個系統更加輕便和流動，非常適合在飛行測試平台上使用。
• 高更新率：較小的天線和高頻率允許雷達系統以更高的速度掃描目標，這對於跟踪快速移動的目標或測試飛行動態非常有用。
• 較少的地面雜波：在這個頻段中，雷達對地面或海面的雜波敏感性較低，有助於在低空追踪目標時減少干擾。
• 更好的目標識別能力：由於其高解析度和高更新率，K波段雷達在目標識別和分類上具有優勢，特別是在複雜的環境中。
• 增強的目標跟踪能力：K波段雷達的這些特性使其能夠持續、穩定地追踪小型、高速或高動態的目標。
• 大氣影響的考慮：雖然K波段對大氣條件(如雨或霧)中的衰減較為敏感，但在許多飛行測試和目標跟踪的應用中，這可能不是主要的問題，尤其是在良好的天氣條件下或較短的距離內。

Ka波段雷達(27-40 GHz)

Ka波段雷達的特性使其特別適合高分辨率應用，偵測範圍為數公里的距離，以下是一些原因：

• 短波長：Ka波段雷達的波長非常短。短的波長意味著能夠捕捉到目標的細微詳情，從而實現高空間解析度。
• 窄波束寬度：由於其高頻率，Ka波段雷達可以產生非常窄的波束寬度，即使使用相對較小的天線。窄的波束寬度意味著雷達掃描時會有更高的方向性，這有助於提高目標分辨率和降低側緣雜波。
• 小型化天線：高頻率允許使用較小的天線達到所需的解析度。這使得雷達系統可以更輕巧和緊湊。
• 高速資料傳輸：Ka波段的寬頻帶允許高速的資料傳輸，這有助於捕捉動態場景中的細節，特別是在高分辨率成像中。
• 較少的干擾：Ka波段通常較少被其他通訊系統和雷達使用，這減少了可能的頻率干擾，使其成為某些軍事和民用的理想選擇。
• 大氣吸收問題：需要注意的是，Ka波段雷達對於大氣中的水蒸氣和雨滴有較高的吸收，這可能限制了其在某些天氣條件下的使用。但是，在良好的天氣條件下，或者在目標和雷達之間的距離較短時，這通常不是主要問題。

W波段雷達(75-110 GHz)

W波段雷達是微波雷達中的一個高頻段，其主要特性與高分辨率和近距離偵測的需求相匹配，偵測範圍為一般在幾公里以內。以下是使用W波段雷達進行高分辨率和近距離偵測的一些原因：

• 非常短的波長：在W波段，雷達的波長變得非常短。這非常短的波長使得雷達能夠捕捉到非常小的目標和細節，提供極高的空間解析度。
• 窄波束：由於其高頻率，W波段雷達能夠產生非常窄的波束，即使是使用相對小的天線。這種窄的波束有助於提高目標識別和分辨率。
• 高頻率的反射特性：由於W波段雷達的高頻率，它特別敏感於小物體的反射，如雨滴、雪花或冰晶。這使得W波段雷達在氣象觀測中尤為有用，能夠捕捉到天氣中的細微變化。
• 較小的天線尺寸：較高的頻率意味著可以使用較小的天線尺寸來獲得相同的解析度。這使得W波段雷達設備可以更加小型和便攜，適合於近距離偵測任務。
• 高頻帶寬：W波段允許較寬的頻帶寬度，這意味著雷達可以使用更大的傳輸帶寬來進行掃描，這有助於提高分辨率。
• 大氣吸收：W波段的一個限制是它在某些大氣條件下，如霧、雨或雪中，會有較高的信號衰減。這意味著W波段雷達更適合近距離的觀測。

雷達波段	波段	應用範圍	特性	直徑大小 (估計)	偵測距離 (估計)
HF	3-30 MHz	超過地平線的偵測	利用電離層反射	>20m	數百到幾千公里
VHF	30-300 MHz	長距離偵測、早期警告	滲透力強，適合長距離	1-10m	數十到幾百公里
UHF	300-1000 MHz	火控、飛彈追踪	火控、飛彈追踪相關應用	0.3-1m	數十到上百公里
L波段	1-2 GHz	航空母艦、長距離偵測	良好的滲透能力	0.15-0.3m	幾十到上百公里
S波段	2-4 GHz	防空搜索、偵測	平衡了滲透能力和解析度	0.075-0.15m	數十公里
C波段	4-8 GHz	天氣監測、空中交通管制	中等距離的目標、天氣情況偵測	0.0375-0.075m	數到數十公里
X波段	8-12 GHz	軍事、短距離氣象預報	較高的解析度，短距離偵測	0.025-0.0375m	數公里到數十公里
K波段	18-27 GHz	飛行測試、目標跟踪	高頻率特性，適合飛行測試和目標跟踪	0.011-0.0167m	幾公里內
Ka波段	27-40 GHz	高分辨率應用	非常高的解析度	0.0075-0.011m	數公里
W波段	75-110 GHz	高分辨率偵測、近距離偵測	極高的解析度，適合近距離和高分辨率偵測	0.0027-0.004m	幾公里以內

參考資料

• Wikipedia: 波段
• 雷達頻段與原理
• 雷達波, 你知多少

OTORI Z + ChatGPT

民國112年9月6日