相控陣?yán)走_輻射場強改善方法研究

陳 棟，邢文革，田 鋼，姜俊杰

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

現(xiàn)代化艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)要求雷達的探測距離愈來愈遠，因此，要求雷達具有更大的輻射功率和天線口徑，這導(dǎo)致了狹小的艦島上電磁環(huán)境更加復(fù)雜，在實際使用中已經(jīng)反映出相互之間的電磁兼容問題，大功率雷達同樣會危害到甲板和周邊軍械、燃油等設(shè)施，它使得甲板區(qū)域存放的軍械、燃油等設(shè)備的使用性和安全性大大降低。這些危害已經(jīng)為人們所熟知，艦船在總體設(shè)計時常常采取電磁管理等措施來降低這種影響。但我們常常忽略了大功率雷達電磁輻射對長期在甲板作業(yè)的人員影響，他們處于輻射環(huán)境下，受到電磁輻射帶來的直接或間接作用，導(dǎo)致熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)［1］，這對人體都是十分有害的。不僅國外已經(jīng)有軍標(biāo)和試驗方法來限制和檢測其強度，我國也早已有軍標(biāo)明確規(guī)定了輻射危害的強度限值并逐步完善。但雷達設(shè)計者也知道大功率雷達是保證遠距離探測的基礎(chǔ)，如何解決之間的矛盾已逐步擺在雷達設(shè)計者的面前?？紤]到甲板作業(yè)環(huán)境和周邊環(huán)境設(shè)施的高度低，我們考慮到如果對雷達的輻射功率進行有效分配則可以降低電磁輻射的危害。

1 電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)情況介紹

GJB 5313-2004《電磁照射暴露限值和測量方法》中規(guī)定了對人體影響的電磁輻射的要求有兩個方面:暴露限值和日劑量。暴露限值是指輻射區(qū)域的輻射電平不能超過的規(guī)定值，暴露限值可以采用平均電場強度、平均功率密度、日劑量表示。日劑量是指一日接受短波、超短波或微波輻射的總量，等于平均功率密度與暴露時間的乘積，計量單位為W·h/m2。

美國關(guān)于人員在電磁環(huán)境中所受輻射限值方面的主要標(biāo)準(zhǔn)有DOD6055.11《電磁場人員防護》和IEEE C95.1《3 kHz-300 GHz射頻電磁輻射場的人員暴露安全級別標(biāo)準(zhǔn)》。規(guī)定了在控制環(huán)境區(qū)域的暴露限值為100 W/m2，6 min。

我國在電磁輻射方面開展的研究較晚，相當(dāng)部分標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容都是參照前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，一般是針對設(shè)備的維修和操作人員制定的。因此，無論是民用標(biāo)準(zhǔn)還是軍標(biāo)都相對嚴(yán)格，且各類標(biāo)準(zhǔn)之間相差較大，最嚴(yán)格軍標(biāo)GJB5313規(guī)定了S波段雷達最大輻射限值為25 W/m2，6 min，最寬松的軍標(biāo)規(guī)定限值則和美國軍標(biāo)基本一致。

2 降低輻射場強的主要措施

目前，水面艦艇上的雷達主要擔(dān)負警戒探測、目標(biāo)指示、作戰(zhàn)引導(dǎo)、火力控制、制導(dǎo)和照射等任務(wù)。其中，警戒探測雷達的峰值功率一般都達到上百千瓦，常常超過了我國軍標(biāo)規(guī)定的限值要求，通過日劑量計算出的每日可連續(xù)工作時間也只在數(shù)小時左右。這對甲板作業(yè)或維修的人員影響較大，而艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)常常要求雷達能夠探測更遠的距離，這需要輻射更大的峰值功率。輻射限值和輻射傷害的相互矛盾需要我們在雷達設(shè)計時要充分考慮。

從軍標(biāo)的規(guī)定來看，峰值功率和暴露限值有關(guān)，平均功率則和日劑量有關(guān)。目前，我們考慮采取時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輻射強度。

從雷達的距離方程看，可以通過延長脈沖周期，降低雷達脈沖發(fā)射占空比的方法，降低平均功率，減少日劑量，延長作業(yè)時間。降低占空比一般可通過兩種方式進行:一是減小發(fā)射脈沖寬度，這會導(dǎo)致雷達探測距離下降，影響作戰(zhàn)性能，一般不采用;二是通過增加輻射脈沖重復(fù)周期，這會導(dǎo)致搜索數(shù)據(jù)率下降，盡管會對雷達的戰(zhàn)技指標(biāo)產(chǎn)生影響，但可以根據(jù)系統(tǒng)的要求或在系統(tǒng)對數(shù)據(jù)率要求不高的情況下采用。

空域措施是通過對相控陣?yán)走_發(fā)射波瓣的副瓣在空間的分布進行調(diào)整從而降低區(qū)域的最大值和平均值，延長作業(yè)時間減少日劑量。考慮到甲板作業(yè)區(qū)和周圍環(huán)境都是特定區(qū)域，且一般都處于雷達輻射波束下部副瓣照射區(qū)，而決定相控陣?yán)走_附近場強分布的因素除了功率外，還取決于波瓣寬度、波瓣形狀、副瓣電平等。其中，副瓣電平包括第一副瓣電平和平均副瓣電平，第一副瓣決定了電場強度的最大值分布情況，平均副瓣電平?jīng)Q定了平均電場強度情況。因此，從原理上分析，我們可以通過改變相控陣?yán)走_輻射的副瓣電平來改變場強的分布，這也是相控陣?yán)走_的優(yōu)點，即可以通過相位修正來達到波瓣形狀的變化。

對于相控陣體制雷達，該方法易于實施，即可以在裝備研制時考慮，對已經(jīng)定型使用的裝備也可以在現(xiàn)場改造，不影響設(shè)備技術(shù)狀態(tài)。當(dāng)然，由于能量是守恒的，其他區(qū)域的電場強度必然會增加，這在雷達設(shè)計和使用時也要酌情考慮。以下主要對采取空域措施的方法進行研究和分析。

3 主要研究方法

相控陣?yán)走_天線由數(shù)千個在平面上按一定規(guī)律布置的天線單元組成。每個天線單元都有一個移相器，用以改變單元輻射的相位，因此，相控陣?yán)走_是在波束控制器的控制下，通過改變天線單元之間的相位和幅度關(guān)系實時快速地改變天線波束的指向和波束形狀［2］，其原理這里不再敘述。

相控陣的優(yōu)勢在于天線波束可以通過相位加權(quán)的方法或?qū)﹃嚵袉卧南∈枧挪挤椒▉韺崿F(xiàn)不同的現(xiàn)狀，這為改善輻射場強的分布提供了基礎(chǔ)。

3.1 稀疏陣設(shè)計方法

為了提高雷達在復(fù)雜電磁環(huán)境中的作戰(zhàn)和使用效能，數(shù)字陣列雷達的研究已成為新的熱點，目前已經(jīng)取得突破進展。但是大規(guī)模數(shù)字陣列雷達的陣元數(shù)多，其成本和復(fù)雜度也大，因此，為了節(jié)約成本，在不降低性能的基礎(chǔ)上，一般采用稀疏陣列方法設(shè)計［3］，此時，數(shù)千陣元數(shù)的排列分布對陣列的仿真和研究帶來難度，所以，如何建立一個仿真系統(tǒng)，分析陣元數(shù)、單元間距、單元上電流的幅度與相位分布獲得好的天線性能是陣列研究的方向。針對這一研究提出了很多方法，Skolnik采用密度錐削的方法，這種方法很容易應(yīng)用于大型陣列的設(shè)計中，但它不能保證副瓣峰值電平被抑制到安全電平，因此不太實用。而動態(tài)編程法是一種控制副瓣峰值電平的好方法，可以應(yīng)用于大型陣列，但是極易陷入局部最小值。另外許多傳統(tǒng)的優(yōu)化方法(例如Powell方法、共軛梯度法等)已不適合優(yōu)化大量參數(shù)或離散參數(shù)。

近年來，遺傳算法和模擬退火算法等概率性全局優(yōu)化算法得到了廣泛關(guān)注與應(yīng)用。采用遺傳算法對線陣進行了優(yōu)化，改善了陣列的副瓣電平，但是，實際應(yīng)用時遺傳算法極易陷入局部最優(yōu)。從目前研究來看，稀疏陣列的研究局限于實現(xiàn)基本的雷達功能和指標(biāo)，還不能應(yīng)用于改善輻射場強的分布，另外，由于稀疏陣排布的方法只適用于新設(shè)計雷達，而相位加權(quán)法既適用于新設(shè)計的雷達也適用于已經(jīng)服役裝備的改造，因此，本文重點研究對服役裝備采取相位加權(quán)的方法來改善場強分布。

3.2 相位加權(quán)方法

相控陣?yán)走_為了得到最大的發(fā)射增益，一般雷達對發(fā)射單元的相位采用均勻權(quán)(即不加權(quán))方式，即為了獲得不同的口徑照射函數(shù)以實現(xiàn)高增益、低幅瓣要求。如果要選擇最佳照射函數(shù)，饋線設(shè)計將相當(dāng)復(fù)雜。圖1為采用均勻權(quán)的發(fā)射波束方向圖。

為了改善甲板的電磁輻射強度，可以通過采用加權(quán)的方式來降低甲板面的副瓣輻射強度，一般采用二維-30 dB或-40 dB的Taylor分布加權(quán)方式。研究表明在采取不同的發(fā)射加權(quán)方式后，發(fā)射的最大副瓣電平降低了5 dB～10 dB，如圖2所示，相當(dāng)于功率密度下降3倍～10倍，作業(yè)時間平均延長4倍，其效果還是相當(dāng)明顯的。

圖1 均勻權(quán)仿真結(jié)果

圖2 -30 dB和-40 dB權(quán)值仿真結(jié)果

在采用相位加權(quán)方法時，我們應(yīng)考慮到能量是守恒的，采取不同的加權(quán)方式盡管可以降低一邊的輻射副瓣電平，但同時會抬高另一邊的輻射副瓣電平，上部的副瓣能量將增加，這在電磁兼容設(shè)計時應(yīng)予以考慮。

3.3 仿真數(shù)學(xué)模型的建立

在仿真分析時我們選用天線陣面的笛卡爾坐標(biāo)系，空間為自由空間，如圖3所示，仿真分析了在水平面上方多個高度層的平面內(nèi)的輻射場強。

在以天線中心為原點的笛卡爾坐標(biāo)系中，定義x方向為水平向，y方向為垂直向，z方向為距離向，并遵循右手法則。此時，若天線陣面垂直放置，能夠?qū)⑻炀€陣面前方任意位置處的場寫成如下方式，單位為V/m。根據(jù)天線方程，

式中:P為單元輻射功率，單位W;K為波數(shù);Gm，n(x，y，z)為第(m，n)單元在(x，y，z)方向增益;rm，n(x，y，x)為第(m，n)單元與(x，y，z)場點的距離。

圖3 天線陣面

若計算坐標(biāo)系中某處位置的平均功率密度，則可采用如下公式，單位為mW/cm2。

式中:ρ為雷達工作脈沖的占空比［4］。

仿真結(jié)果會有一定誤差，和實際測試大約在3 dB～6 dB，主要因素有:

(1)數(shù)學(xué)模型誤差，上述模型采用解析方式，忽略了很多高階要素，對大型陣列天線近區(qū)場的表征有一定誤差;

(2)陣面單元通道在加工中輻射單元方向性有不一致誤差和表征誤差;

(3)仿真建立在自由空間，忽略了艦船周圍的環(huán)境要素［5］。

4 實際測試結(jié)果

我們將樣機架設(shè)在陸上開闊地，周圍沒有金屬物體遮擋或反射，通過利用加權(quán)設(shè)備將計算好的相位代碼送至天線單元，并利用遠場測試設(shè)備對比測試了天線輻射的最大副瓣電平和波瓣形狀，測量和仿真結(jié)果平均差值在3 dB左右，符合仿真分析研究的結(jié)果。

由于近場場強的分布情況較為復(fù)雜，本文采用遠場測試的方法雖不能完全代替近場場強的分布結(jié)果，特別是在受到環(huán)境因素的影響后，近場場強的分布更是難以分析，但對甲板作業(yè)人員或維修人員的影響主要考慮平均值，因此，我們還是可以通過測試平均值來驗證仿真分析結(jié)果。

通過測試和體積分析，采用相位加權(quán)的方法后，近場場強的平均值得到改善，其改善程度和遠場測試結(jié)果也符合反正分析的結(jié)果。

5 結(jié)束語

隨著我國現(xiàn)代水面艦艇數(shù)量增多，作戰(zhàn)系統(tǒng)對雷達的功能和性能要求增多，雷達的功率也逐步增大，部隊對艦載雷達的使用和維護的安全意識也加深。因此，艦載雷達設(shè)計人員不僅要考慮雷達的性能，更要考慮使用和作業(yè)人員的安全，本文通過分析和研究多種降低輻射強度的方法，對艦載雷達的設(shè)計、改造和和使用維護都有很強的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

［1］ 湯仕平，王 征，成偉蘭.艦船電磁輻射危害及防護［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］ 張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.Zhang Guangyi，Zhao Yujie.Phased radar technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronic Industry，2006.

［3］ 周強鋒.基于改進遺傳算法的相控陣適當(dāng)隨機饋相方法［J］. 現(xiàn)代雷達，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.相控陣天線的電磁環(huán)境分析［J］.電子學(xué)報，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］ 聶在平.目標(biāo)與環(huán)境電磁散射特性建模—理論、方法與實現(xiàn)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.Nie Zaiping.Electromagnetic scaetering modeling of target and enviroment-theory，method and implementation［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2009.