相控阵雷达辐射场强改善方法研究

陈 栋，邢文革，田 钢，姜俊杰

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

现代化舰船作战系统要求雷达的探测距离愈来愈远，因此，要求雷达具有更大的辐射功率和天线口径，这导致了狭小的舰岛上电磁环境更加复杂，在实际使用中已经反映出相互之间的电磁兼容问题，大功率雷达同样会危害到甲板和周边军械、燃油等设施，它使得甲板区域存放的军械、燃油等设备的使用性和安全性大大降低。这些危害已经为人们所熟知，舰船在总体设计时常常采取电磁管理等措施来降低这种影响。但我们常常忽略了大功率雷达电磁辐射对长期在甲板作业的人员影响，他们处于辐射环境下，受到电磁辐射带来的直接或间接作用，导致热效应和非热效应［1］，这对人体都是十分有害的。不仅国外已经有军标和试验方法来限制和检测其强度，我国也早已有军标明确规定了辐射危害的强度限值并逐步完善。但雷达设计者也知道大功率雷达是保证远距离探测的基础，如何解决之间的矛盾已逐步摆在雷达设计者的面前。考虑到甲板作业环境和周边环境设施的高度低，我们考虑到如果对雷达的辐射功率进行有效分配则可以降低电磁辐射的危害。

1 电磁辐射标准情况介绍

GJB 5313-2004《电磁照射暴露限值和测量方法》中规定了对人体影响的电磁辐射的要求有两个方面:暴露限值和日剂量。暴露限值是指辐射区域的辐射电平不能超过的规定值，暴露限值可以采用平均电场强度、平均功率密度、日剂量表示。日剂量是指一日接受短波、超短波或微波辐射的总量，等于平均功率密度与暴露时间的乘积，计量单位为W·h/m2。

美国关于人员在电磁环境中所受辐射限值方面的主要标准有DOD6055.11《电磁场人员防护》和IEEE C95.1《3 kHz-300 GHz射频电磁辐射场的人员暴露安全级别标准》。规定了在控制环境区域的暴露限值为100 W/m2，6 min。

我国在电磁辐射方面开展的研究较晚，相当部分标准内容都是参照前苏联的标准，一般是针对设备的维修和操作人员制定的。因此，无论是民用标准还是军标都相对严格，且各类标准之间相差较大，最严格军标GJB5313规定了S波段雷达最大辐射限值为25 W/m2，6 min，最宽松的军标规定限值则和美国军标基本一致。

2 降低辐射场强的主要措施

目前，水面舰艇上的雷达主要担负警戒探测、目标指示、作战引导、火力控制、制导和照射等任务。其中，警戒探测雷达的峰值功率一般都达到上百千瓦，常常超过了我国军标规定的限值要求，通过日剂量计算出的每日可连续工作时间也只在数小时左右。这对甲板作业或维修的人员影响较大，而舰艇作战系统常常要求雷达能够探测更远的距离，这需要辐射更大的峰值功率。辐射限值和辐射伤害的相互矛盾需要我们在雷达设计时要充分考虑。

从军标的规定来看，峰值功率和暴露限值有关，平均功率则和日剂量有关。目前，我们考虑采取时域措施降低平均功率和空域措施降低峰值功率的方法改善辐射强度。

从雷达的距离方程看，可以通过延长脉冲周期，降低雷达脉冲发射占空比的方法，降低平均功率，减少日剂量，延长作业时间。降低占空比一般可通过两种方式进行:一是减小发射脉冲宽度，这会导致雷达探测距离下降，影响作战性能，一般不采用;二是通过增加辐射脉冲重复周期，这会导致搜索数据率下降，尽管会对雷达的战技指标产生影响，但可以根据系统的要求或在系统对数据率要求不高的情况下采用。

空域措施是通过对相控阵雷达发射波瓣的副瓣在空间的分布进行调整从而降低区域的最大值和平均值，延长作业时间减少日剂量。考虑到甲板作业区和周围环境都是特定区域，且一般都处于雷达辐射波束下部副瓣照射区，而决定相控阵雷达附近场强分布的因素除了功率外，还取决于波瓣宽度、波瓣形状、副瓣电平等。其中，副瓣电平包括第一副瓣电平和平均副瓣电平，第一副瓣决定了电场强度的最大值分布情况，平均副瓣电平决定了平均电场强度情况。因此，从原理上分析，我们可以通过改变相控阵雷达辐射的副瓣电平来改变场强的分布，这也是相控阵雷达的优点，即可以通过相位修正来达到波瓣形状的变化。

对于相控阵体制雷达，该方法易于实施，即可以在装备研制时考虑，对已经定型使用的装备也可以在现场改造，不影响设备技术状态。当然，由于能量是守恒的，其他区域的电场强度必然会增加，这在雷达设计和使用时也要酌情考虑。以下主要对采取空域措施的方法进行研究和分析。

3 主要研究方法

相控阵雷达天线由数千个在平面上按一定规律布置的天线单元组成。每个天线单元都有一个移相器，用以改变单元辐射的相位，因此，相控阵雷达是在波束控制器的控制下，通过改变天线单元之间的相位和幅度关系实时快速地改变天线波束的指向和波束形状［2］，其原理这里不再叙述。

相控阵的优势在于天线波束可以通过相位加权的方法或对阵列单元的稀疏排布方法来实现不同的现状，这为改善辐射场强的分布提供了基础。

3.1 稀疏阵设计方法

为了提高雷达在复杂电磁环境中的作战和使用效能，数字阵列雷达的研究已成为新的热点，目前已经取得突破进展。但是大规模数字阵列雷达的阵元数多，其成本和复杂度也大，因此，为了节约成本，在不降低性能的基础上，一般采用稀疏阵列方法设计［3］，此时，数千阵元数的排列分布对阵列的仿真和研究带来难度，所以，如何建立一个仿真系统，分析阵元数、单元间距、单元上电流的幅度与相位分布获得好的天线性能是阵列研究的方向。针对这一研究提出了很多方法，Skolnik采用密度锥削的方法，这种方法很容易应用于大型阵列的设计中，但它不能保证副瓣峰值电平被抑制到安全电平，因此不太实用。而动态编程法是一种控制副瓣峰值电平的好方法，可以应用于大型阵列，但是极易陷入局部最小值。另外许多传统的优化方法(例如Powell方法、共轭梯度法等)已不适合优化大量参数或离散参数。

近年来，遗传算法和模拟退火算法等概率性全局优化算法得到了广泛关注与应用。采用遗传算法对线阵进行了优化，改善了阵列的副瓣电平，但是，实际应用时遗传算法极易陷入局部最优。从目前研究来看，稀疏阵列的研究局限于实现基本的雷达功能和指标，还不能应用于改善辐射场强的分布，另外，由于稀疏阵排布的方法只适用于新设计雷达，而相位加权法既适用于新设计的雷达也适用于已经服役装备的改造，因此，本文重点研究对服役装备采取相位加权的方法来改善场强分布。

3.2 相位加权方法

相控阵雷达为了得到最大的发射增益，一般雷达对发射单元的相位采用均匀权(即不加权)方式，即为了获得不同的口径照射函数以实现高增益、低幅瓣要求。如果要选择最佳照射函数，馈线设计将相当复杂。图1为采用均匀权的发射波束方向图。

为了改善甲板的电磁辐射强度，可以通过采用加权的方式来降低甲板面的副瓣辐射强度，一般采用二维-30 dB或-40 dB的Taylor分布加权方式。研究表明在采取不同的发射加权方式后，发射的最大副瓣电平降低了5 dB～10 dB，如图2所示，相当于功率密度下降3倍～10倍，作业时间平均延长4倍，其效果还是相当明显的。

图1 均匀权仿真结果

图2 -30 dB和-40 dB权值仿真结果

在采用相位加权方法时，我们应考虑到能量是守恒的，采取不同的加权方式尽管可以降低一边的辐射副瓣电平，但同时会抬高另一边的辐射副瓣电平，上部的副瓣能量将增加，这在电磁兼容设计时应予以考虑。

3.3 仿真数学模型的建立

在仿真分析时我们选用天线阵面的笛卡尔坐标系，空间为自由空间，如图3所示，仿真分析了在水平面上方多个高度层的平面内的辐射场强。

在以天线中心为原点的笛卡尔坐标系中，定义x方向为水平向，y方向为垂直向，z方向为距离向，并遵循右手法则。此时，若天线阵面垂直放置，能够将天线阵面前方任意位置处的场写成如下方式，单位为V/m。根据天线方程，

式中:P为单元辐射功率，单位W;K为波数;Gm，n(x，y，z)为第(m，n)单元在(x，y，z)方向增益;rm，n(x，y，x)为第(m，n)单元与(x，y，z)场点的距离。

图3 天线阵面

若计算坐标系中某处位置的平均功率密度，则可采用如下公式，单位为mW/cm2。

式中:ρ为雷达工作脉冲的占空比［4］。

仿真结果会有一定误差，和实际测试大约在3 dB～6 dB，主要因素有:

(1)数学模型误差，上述模型采用解析方式，忽略了很多高阶要素，对大型阵列天线近区场的表征有一定误差;

(2)阵面单元通道在加工中辐射单元方向性有不一致误差和表征误差;

(3)仿真建立在自由空间，忽略了舰船周围的环境要素［5］。

4 实际测试结果

我们将样机架设在陆上开阔地，周围没有金属物体遮挡或反射，通过利用加权设备将计算好的相位代码送至天线单元，并利用远场测试设备对比测试了天线辐射的最大副瓣电平和波瓣形状，测量和仿真结果平均差值在3 dB左右，符合仿真分析研究的结果。

由于近场场强的分布情况较为复杂，本文采用远场测试的方法虽不能完全代替近场场强的分布结果，特别是在受到环境因素的影响后，近场场强的分布更是难以分析，但对甲板作业人员或维修人员的影响主要考虑平均值，因此，我们还是可以通过测试平均值来验证仿真分析结果。

通过测试和体积分析，采用相位加权的方法后，近场场强的平均值得到改善，其改善程度和远场测试结果也符合反正分析的结果。

5 结束语

随着我国现代水面舰艇数量增多，作战系统对雷达的功能和性能要求增多，雷达的功率也逐步增大，部队对舰载雷达的使用和维护的安全意识也加深。因此，舰载雷达设计人员不仅要考虑雷达的性能，更要考虑使用和作业人员的安全，本文通过分析和研究多种降低辐射强度的方法，对舰载雷达的设计、改造和和使用维护都有很强的现实指导意义。

［1］ 汤仕平，王 征，成伟兰.舰船电磁辐射危害及防护［J］. 船舶工程，2006，28(2):55-58.Tang Shiping，Wang Zheng，Cheng Weilan.Hazards and protection of shipboard electromagnetic radiation［J］.Ship Engineering，2006，28(2):55-58.

［2］ 张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.Zhang Guangyi，Zhao Yujie.Phased radar technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronic Industry，2006.

［3］ 周强锋.基于改进遗传算法的相控阵适当随机馈相方法［J］. 现代雷达，2013，35(10):50-52.Zhou Qiangfeng.Appropriate random phasing technique for phased array antennas based on improved genetic algorithm［J］.Modern Radar，2013，35(10):50-52.

［4］ 王 侃，朱瑞平.相控阵天线的电磁环境分析［J］.电子学报，2012，40(3):571-574.Wang Kan，Zhu Ruiping.Analysis of electromagnetic environment of phased array［J］.Acta Electronica Sinica，2012，40(3):571-574.

［5］ 聂在平.目标与环境电磁散射特性建模—理论、方法与实现［M］.北京:国防工业出版社，2009.Nie Zaiping.Electromagnetic scaetering modeling of target and enviroment-theory，method and implementation［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2009.