军用舰载相控阵雷达是如何进行仿真的？

舰载相控阵雷达是舰载雷达的一个主要发展方向，具有探测目标精度高、抗干扰能力强、可靠性高、隐身性能好等诸多优点。在今年中国人民解放军海军成立70周年海上阅兵活动上两大明星驱逐舰——检阅舰“西宁”号、新一代主力驱逐舰“南昌”号受到了关注，且都安装了有源相控阵雷达。该雷达由于性能优异而被冠以“中华神盾”称号。

“西宁号”驱逐舰采用大型有源相控阵雷达，形状趋近为正方形，没有上一代相控阵的弧形外罩，而且面积也更大，是平板型的新一代相控阵雷达。“南昌号”驱逐舰使用X波段和S波段双波段有源相控阵雷达，S波段与上一代对比，主要改进是取消了原先布置下天线阵面下的相控阵天线校准所用的辅助天线，推测是采用了先进的软件算法进行天线校准，简化了整体天线布局和RCS特征。

什么是相控阵雷达？

说起相控阵雷达，就不得不提一下传统雷达的工作方式。在电影电视中，如果非要出现雷达画面的话，转圈圈的传统雷达就是最好的道具，因为传统雷达动感十足的快速旋转，便于营造大战在即的紧迫感。

而相控阵雷达与它的区别是，绝大多数相控阵雷达都是不动的。相控阵雷达的天线由无数个小单元天线组成，这些小单元天线叫做阵元，对于有源相控阵雷达来说，每一个阵元都是独立控制，它们既能独立发射雷达波，也能接收雷达波的回波信号。

“相控阵”这三个字就是控制每个阵元产生电磁波的相位与幅度，以此强化电磁波在指定方向上的强度，并压抑其他方向的强度，从而实现让电磁波束的方向发生改变的雷达阵列的意思。举例说明，传统雷达类似于一个独眼龙，只有一个眼睛要看哪一个方向必须转头，而相控阵雷达类似蜻蜓的复眼，有无数的小眼睛构成，不必转头只要把这些小眼睛都集中往这个方向看就可以了。

相控阵雷达的先进性

1、没有机械运动

相控阵雷达因为没有天线的机械驱动系统，可靠性非常高，平均无故障时间远远高于传统雷达。另外，相控阵雷达某些单个节点坏了并不影响整体功能的使用，在数千个甚至上万阵元中，就算有百分之十的阵元损坏，相控阵雷达依然可以使用。

2、分身有术

相控阵雷达的能力和阵元数量的多少有很大的关系。美国的“铺路爪”陆基相控阵预警雷达主要用于监视弹道导弹，它可以探测导弹的弹道、发射点，计算出弹著点的位置，这种雷达有15360个能发射电磁波的阵元和2000个不发射电磁波的阵元。15360个阵元分成96组，与其他不发射电磁波的辐射器搭配起来，相当于96部雷达的组合。

正是因为有非常多的阵元，当搭载相控阵雷达的军舰面对来自多个方向的敌方攻击时，可以把所有雷达阵元分成若干组，每一组跟踪和对付一个目标。我们经常听到某种战机或者军舰能同时对付多少个目标，其实就是指战机或者军舰上的相控阵雷达的多目标能力。

3、快速切换

由于相控阵雷达没有机械运动全靠电控，因此可以做到同时“既看左，又看右”，举例来说，如果要调整100度的方向，普通雷达因为要机械转动，大约需要1秒左右的时间，而相控阵雷达所需时间不到1毫秒。

快速切换的另一个好处是能够一机多用。在过去军舰上雷达天线林立，看着及其壮观，但实际上这些雷达不但体积庞大、质量重，另一个麻烦是相互干扰，通常在一种雷达工作时，另一种雷达就会受到干扰，严重的甚至不能同时工作，大家一起开也就意味着大家一起瞎。

而现代的军舰看上去非常简洁的原因正是因为相控阵雷达技术，相控阵雷达由电脑控制，所以它的方位指向和波段切换速度极快，能够同时完成对空、对地、对海的不同目标探测，如此的话，它可以把原来需要多种雷达才能完成的任务一下子接过来，实现火控、搜索、预警等合而为一。另外，相控阵雷达还可以进行战机间通信，如果集中波束，可以对敌实施电磁干扰战。

ANSYS在雷达相控阵系统设计仿真的能力

1、天线：

天线是相控阵雷达的最前端，天线的形式也是跟传统雷达最直观的区别，ANSYS HFSS专业计算任意三维无源结构的高频电磁场仿真软件，是行业内天线仿真的标准的电磁工具。在过去的20多年，HFSS一直被射频工程师用来设计通信系统，雷达系统，卫星，智能手机和平板设备中的天线组件。该软件使用的FEM求解算法提供了极高的仿真精度，解决了多方面的射频和微波工程中的挑战性问题。

对于相控阵雷达所使用的大规模的天线阵列，HFSS提供了有限大阵列仿真功能，对大规模阵列进行高精度和高速度的仿真。有限大阵列仿真功能利用区域分解法以及阵列的重复性，高效且全面的分析得到有限大阵列的特性。利用这个功能，可以考虑所有单元之间的相互耦合作用，以及阵列的边缘效应。有限大阵列仿真方法需要极少的计算资源，所以可在很短的时间内完成有限大阵列仿真。

对于相控阵雷达需要的波束扫描功能，HFSS可以做到一次剖分完成就能看到在所有馈电幅度和相位的条件下的仿真方向图，极大节省了时间提高了效率。

30单元直线波束扫描

2、天线罩：

对于相控阵雷达，天线罩的设计非常重要。中国预警机之父王小谟院士在他的传记中提到过，在他研发预警机的过程中，预警机雷达的天线罩设计是最具有挑战的，也是制约雷达性能的最关键一环。HFSS的积分方程（IE）和有限单元边界积分法（FE-BI）是求解类似天线罩等大尺寸结构物体的辐射、散射问题的有效工具。使用合适的求解方式求解大尺寸天线问题，射频工程师能够在较少的资源消耗下得到高精度的仿真结果。

采用HFSS混合FE-BI求解的带罩天线

3、T/R组件

对于T/R组件所包含的变频器、滤波器、放大器等无源或者有源器件，ANSYS RF OPTION有源电路系统/链路的仿真分析工具提供了一个理想的设计仿真环境。该软件具有先进的射频电路设计以及仿真的功能，同时具有在用户界面中直接使用ANSYS HFSS的功能，这使ANSYS RF OPTION成为完成天线、无源器件和射频电路的协同仿真的理想工具。

在Designer RF中进行TR组件场路协同仿真

相控阵设计

有源相控阵有大量的T/R组件，而在T/R组件中有大量的功率器件，对于射频功率器件而言，发热是一个永远都绕不开的问题。ANSYS Icepak包含先进的求解器，其鲁棒性强、稳定性高，自动化的网格技术，使得工程师可以对所有的电子产品进行快速的热设计模拟。工程师可以通过ANSYS Icepak的标准电子组件来建立电子产品的真实热模型，同时进行快速计算，得到产品的热特性分布。

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