舰载雷达设计考虑因素分析

郝金玉，左艳军

(1.海军驻426厂军代表室，辽宁 大连 116005;2.中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100192)

0 引言

下一代防空和反导要求舰船具备远程探测和跟踪低雷达截面积(RCS)目标的能力。掠海飞行反舰巡航导弹以及其他空中威胁对雷达提出了更高的要求。为此，美国海军正在筹划发展比目前装备在“宙斯盾”舰上的SPY-1雷达更为强大的舰载雷达系统。这种雷达系统将耗费更多可用的舰载资源，其巨大阵面将占据大部分甲板区域，电源和冷却设备体积需要占据更多的舱室空间。雷达系统对舰船发电系统、配电系统以及冷却系统的需求将大幅度增加。下面将讨论舰载雷达设计中对舰船设计的影响因素，以及将这些影响因素减到最小的方法。

1 舰载雷达系统

天线是最容易被人看到的雷达部分，通常也是雷达最为复杂的部分，如图1所示。支撑天线的各种外围设备与天线本身一样对舰船的影响也很大。雷达供电设备必须将舰船配电系统中的交流(AC)电转换为高质量的300 V直流(DC)电，输入到阵列中的DC/DC变换器。转换过程中，首先利用变压器降低舰船电压，同时为减少谐波失真，要将三相电输入变换为多相电，通常为12或18相。然后，AC/DC整流器将交流转换为直流。利用大型滤波器去除可能出现的电压波纹。在阵列中或阵列附近使用附加滤波器去除300 V直流线路上任何的附加噪声或波纹。300 V直流线路主要为雷达系统供电，但信号处理器、散热器、抽水泵、冷却系统以及控制电路也会消耗掉40%的电力。

图1 舰载雷达系统组成Fig.1 Shipboard radar system

通常，雷达系统总功耗中只有不到20%从天线阵面辐射出去。剩余热量必须靠舰船冷却系统移除。为促进散热，雷达阵面通常会含有流通冷却水的通道。由于雷达阵列处于极端的环境温度中，冷却液熔点必须足够低，通常是乙二醇和水的混合物(EGW)或丙二醇和水的混合物(PGW)。热交换器将热量从雷达系统冷却液输送到舰船冷却系统。交换器中的冷却液可以是舰船淡水、海水、冷水或由温度控制器控制的上述液体混合物。

2 雷达系统设计考虑因素

2.1 冷却液温度

雷达冷却液温度是雷达系统设计中对舰船影响的首要考虑因素，因为舰船设计中必须考虑到雷达系统热交换器需要的条件。若雷达系统使用冷却水吸热，冷却水按7℃供应时，则进入雷达的冷却液可以低至10℃。然而，多数雷达设计人员倾向于20℃的冷却液温度，以避免有害的冷凝。另一方面，海水温度可高达37℃，以至于冷却液温度可能达到40℃。进一步讲，冷却水温度基本恒定，但海水温度却随着季节和位置的变化而变化。

可靠性工程师倾向于让电子设备运行在可以达到的最低温度中，因而会选择冷却水为雷达散热。同时，由于发送功率和发射/接收模块中的大功率放大器的效率随着温度的升高而降低，高温环境会降低雷达输出功率。雷达系统的噪声系数也会随温度的升高而升高，进一步降低雷达性能。雷达性能每个dB都是以为阵面增加额外的辐射器和发射/接收模块，或增加每个发射/接收模块的功率为代价的。

由于发射/接收模块之间以及与其他组件之间存在生产差异，雷达系统的制造商需对所生产的每个阵面进行校准。每个发射/接收模块必须包含调整相位和幅度的方法。然而，这些调整会因温度变化而不稳定，因此只有在温度变化范围非常小时才有效。所以，使用海水吸热时，需要在最高预期温度对雷达进行校准，并且雷达冷却系统会在海水温度变化时依然维持该温度。工厂可能会提供几个不同温度范围的校准数据供客户选择。因此，系统软件将包含调整阵列校准值，以供在海水温度变化时进行选择性使用。雷达使用冷却水吸热时，与阵列校准相关和软件开发的额外成本与附加的机械、功耗和舰船尺寸的成本此消彼长。

2.2 阵面个数和形状

雷达本身设计的考虑因素是天线阵面数量的确定。单阵面雷达系统可以满足某些应用，如单目标导弹跟踪，但当需要覆盖360°范围时就需要3～4个阵面。如“宙斯盾”作战系统需要同时跟踪很多快速移动的目标，这对于单阵面雷达来说就是一个挑战。雷达设计人员需要根据由雷达功能确定阵面数量。用于防空和导弹防御的舰载雷达即使阵面数量有多有少，但都要求辐射单元总数保持不变。对于3阵面雷达系统，由于需要从舷侧扫描60°范围，扫描损耗比只需扫描45°范围的4阵面雷达更大。为补偿这种损耗，3阵面雷达的每个阵面含有更多辐射单元。也就是说，3阵面雷达的直径要比4阵面雷达直径约大15%。

类似地，雷达阵面面积直接影响到甲板室尺寸，因此当甲板室宽度受限时，可采用4阵面雷达系统，如图2所示。多数舰船配置中，除雷达之外的其他天线也会安装在甲板室或上层建筑表面，从而增加了对甲板室表面区域的空间需求。这些配置中的甲板室表面尺寸需要做相应增加，以容纳其他天线。在本文的后续分析中，假设雷达采用4阵面配置。

阵列形状是雷达设计人员的另一个关注点，因为它决定了电磁辐射波束形状。有些设计人员喜欢采用圆形或八边形阵面，以便实现对称的波束截面。但舰船结构多数是直角形的，圆形阵列会浪费直角结构的各角区域。方形阵列在甲板室表面区域利用方面比圆形阵列利用效率更高。

图2 阵面数目Fig.2 Number of array faces(Left:3-face;right:4-face)

2.3 发射/接收模块功率和有源阵面积

［1］指出，雷达敏感度正比于发射/接收模块功率和阵面辐射单元总数乘积的立方:

敏感度∝P0×N，其中，P0为发射/接收模块的输出功率;N为阵列中辐射单元总数。由于每个辐射单元都有对应的面积，因此，敏感度也正比于有源阵面积的立方，或正比于单元直径6次方。

1)电源

近年来，雷达设计概念中采用300 V直流电源对天线阵供电，并采用DC/DC变流器变换之后为发射/接收模块供电。系统发射脉冲时的功耗比接收脉冲时大得多。在执行弹道导弹防御任务时，雷达需要比某些传统雷达系统用更长的时间发射脉冲，其发射功率会很高。但系统是连续耗电的，其总功率是发射/接收模块功耗的时间平均。根据立方关系，小型阵列必须要有更高功率的发射/接收模块才能达到所需灵敏度。随着阵面积增加和发射/接收模块功率降低，接收功耗在总功耗中变得更加重要，并且总功耗降到最低。

2)冷却

只有大约20%的雷达系统功耗由天线发射出去，舰船的散热设施必须将剩余热能去除。由于散热负载与阵列尺寸几乎无关，它对舰船的影响与电力有相同的趋势。图3给出了冷却设备对舰船的潜在影响。

3)覆盖区

雷达外围设备所需的甲板区域主要由电力和冷却设备占据。因此，它对舰船的影响趋势与电力的相同。图4给出了改变有源阵面积时，为维持雷达性能不变而对甲板空间造成的影响。图中假设舰船集成系统拥有足够的电力，且舰船无需为雷达功耗安排额外机组容量。否则，甲板对雷达系统的可变覆盖区则需要大幅增加，因为燃气涡轮需要穿越几个甲板的大型进气和排气管道系统。

4)阵列重量

敏感度阵列重量随着面积增大而非线性增加。随着辐射单元数量增加，每个阵元功率会按前述的立方关系降低。为描述有源阵面积改变对阵列重量的影响，可以将阵列组件归为2类。

类型1:重量与阵面积成正比的组件;

类型2:特征随进到阵列的总能量变化而变化的组件。

类型1组件包括辐射单元自身、发射/接收模块及其相关电路、一部分最难替换单元(LRU)结构和基础设施、数字波束形成系统、天线屏蔽器、支持电子设备的天线结构以及安装辐射单元的结构。

类型2组件包括一些阵列中的组件，如DC/DC变流器，能量存储组件、电力滤波器和电子结构及基础设施等。

5)系统总重量

阵列的大部分外围设备都是电源和冷却设备组件，阵面积在转折点以下时，会引起重量的增加。另外，还有些设备，如处理器，重量决定于雷达类型及其任务，并且几乎不论阵面积的大小，重量都一样。

6)燃料消耗

从图5可知，维持雷达系统正常运行5天，需要与雷达本身重量相等的燃料(该分析假设每千瓦时需要消耗0.7磅燃料)。图5给出了典型舰船在维持灵敏度不变时，阵面积和燃料消耗的关系。

2.4 电源系统体系结构和占空比

雷达实际发射时间所占的比例，是雷达功率需求的主要决定因素。多数情况下，弹道导弹防御比防空作战需要更大的脉冲宽度，因此占空比更大。但弹道导弹防御每次使用一个雷达阵面，而防空作战使用所有可用的阵面。因此，一个好的配电管理系统能够按需配电，可以为单一雷达阵面分配所需电量，或同时为所有雷达阵面分配相对较小的等额电量。为实现这种功能，雷达设计人员需要确保，采用4阵面雷达的防空作战任务使用占空比是采用单一阵面雷达导弹防御任务所需占空比的1/4或更小。理论分析表明，雷达无法时分复用一个阵面同时充分完成弹道导弹防御任务和防空作战任务。因此，有必要同时保证防空作战和导弹防御雷达阵面能够有效发射，进而增加雷达所需的总发射功率，影响舰船总体设计。

2.5 受约束的舰船

下一代舰载雷达系统可以安装在新舰船上，也可以安装在现有海军平台上。当将新型先进雷达系统集成到现有的舰船上时，就需对雷达系统设计严格限制，包括发电能力、冷却能力、阵列尺寸、舰船稳定性和总排水量限制，以及可用的甲板室和机械空间。

现有舰船将限制新型雷达的设计对雷达系统产生重要影响。在受限制的舰船上，为实现最佳性能，雷达系统可能不得不选择非最优设计，如在阵列尺寸受限时，可能需要增加电源模块来满足雷达性能需求，从而对电源、制冷和重量造成负面影响。

在舰载雷达设计中，需要从各种决策角度考虑舰船限制。为了在受限制的舰船上实现最优的雷达性能，就需要在雷达和舰船设计人员之间进行设计迭代。需要进行平衡研究，以在各种限制下实现雷达性能最优。因此，舰船和雷达设计之间需要进行紧密协作。

3 结语

雷达设计人员能够减少大型先进雷达系统对舰船的影响。对于舰船的影响，4阵面雷达系统可能比3阵面雷达有一定的优势。雷达设计人员应该考虑与舰船冷却系统独立的系统。雷达电力体系结构应该兼顾弹道导弹防御任务和防空作战任务。总之，减少这些对舰船影响的工作对舰船设计大有裨益。下一代雷达系统将对舰船设计的诸多方面产生影响。为实现性能和成本的最优化，必须综合考虑雷达和舰船设计。二者分别独立的设计将无法实现最优雷达/舰船设计。虽然雷达和舰船设计人员之间的协作有困难需要克服，但这对海军获得整体最优的系统来讲却是至关重要的。

参考文献:

［1］FRANK J，et al.Impact of T/R module power level on the attributes of active phased array radars［A］.Proceedings of the 50th Tri-Service Radar Symposium，Monterey，CA，June 2004.

［2］TRUNK G V.Optimal number of phased array faces and signal processors for horizon and volume surveillancerevisited［A］.2003 Tri-Service Radar Symposium，Boulder，Colorado 23 －27 June，2003.