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E-2D雷达的发展——从雷达监控技术实验雷达RSTER到E-2C RMP计划

发布时间:2018-01-26  原作者:TAOG   点击数:

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  在Kokee处进行一连串ACTD计划演示,位于考艾岛Makaha Ridge的RSTER雷达则同时继续进行由林肯实验室团队和海军合作的多个研究(例如继续发展完善STAP技术),而其中一个值得一提的是把RSTER雷达与为E-2C雷达现代化计划(Radar Modernization Program,RMP)发展的ADS-18S天线做整合测试。前面提过,APAR的Mountaintop program许多成果和特征都用到了E-2C雷达的换代计划,ADS-18S是由诺斯诺普•格鲁曼公司发展的18个通道(每通道所含阵子单元数未知)、能使用STAP技术、工作于UHF波段的线型电子扫描阵列天线。与RSTER雷达早期天线相同,水平方向ADS-18S是采用机械转动,垂直方向则是电子扫描。在真正为RMP计划发展的硬体设备完成前(SiC功率模块发射机、全数字接收机【附录】等),ADS-18S天线取代了RSTER雷达原本在1997年~1998年使用的平面天线并成功完成与RSTER雷达的整合。天线成功测试后,RSTER随即被格鲁曼公司完成的早期RMP硬体设备原型取代,最后整个完整的雷达系统由一架C-130进行飞行搭载测试。

E-2C RMP计划发展的ADS-18S 18通道天线,也是现在E-2D的雷达天线
E-2C RMP计划发展的ADS-18S 18通道天线,也是现在E-2D的雷达天线

  除了18通道的ADS-18S天线项目,一个由海军研究办公室(Office of Naval Research,ONR)赞助的54通道环形天线——“UHF频段电子扫描天线先进技术演示(UHF electronically scanned antenna Advanced Technology Demonstration,UESA ATD)”计划也被提出。UESA天线项目做为一种比ADS-18S天线更先进的替代方案,由于是360°环形天线,相比ADS-18S天线,UESA天线本身是不进行机械转动的。

UESA环形天线缩比模型,具有54通道
UESA环形天线缩比模型,具有54通道

  但是根据相关文献,UESA虽然天线涵盖360度范围,但实际运作时却仍无法达到实时360度空域扫描。在“Multi-Channel Electronic Scanning Module for an Ultrahigh Frequency(UHF)Circular Array”文件中提到,UESA在运作时是从一个由50到60个SiC功率模块(单个功率模块尖峰功率为10kw)组成的固体发射机将射频功率馈给由数个相邻天线通道组成的天线子阵进行辐射和扫描(文件指出天线子阵所含的通道数量是天线总通道数量一半——27个天线通道),经由数次重组天线子阵、环绕天线一圈以6又2/3度区间间隔依序分区完成360°扫描(详细示意图如下)。虽然曾有期刊研究文献指出UESA的天线子阵应该是由20个天线通道组成【6】,但从一份描述CEC天线体积缩减和UESA发射机/接收机转换模组设计发展(Project Title:CEC Antenna Miniaturization/UESA Switch Module Development【7】)的档案得知,UESA的天线子阵应该是包含了27个天线通道,并且雷达发射机的功率模块数量是54个,运作时由总共54个SiC功率模块组成的发射机(总峰值功率540kw)输给27个天线通道:

  “……为了使UESA天线拥有最好天线增益表现,天线子阵是由27个相邻的天线通道组成,并会重组54次来达成空域360度扫描……借由为UESA计划发展的特殊“发射机/接收机转换模组(T/R Switch Module)”和集合了27个转换模组的“发射机/接收机转换模组次系统(T/R Switch Module subsystem)”,达成了让54个、每个尖峰功率10kw的发射机功率模块将射频能量馈向由相邻的27个天线通道组成的天线子阵。……一开始,曾有个转换架构设计使单个发射机模块对应单个天线通道,此设计方案优点是简单,缺点是雷达工作时,发射机的54个功率模块中随时只有27个在运作,另外不运作的27个功率模块相当于呆重。这对于设备重量分毫必较、搭载能力有限的预警机(E-2C)来说,此种方案的优点无法盖过造成的缺点,没有被接纳。另一种方案是采用了别种转换模组技术架构,同时发射机功率模块数量减为27个(发射机总锋值功率270kw),借由27个转换模块将发射机射频能量馈给任意的相邻27通道天线子阵。虽然这方案将发射机能量百分之百使用,但有效辐射功率只有原先理想将拥有54个功率模块发射机能量百分之百使用的方案的一半,所以没有成为最终UESA计划的设计。……”

  除了上述的两个文件,另一份2001年射频功率元件技术领域相关的回忆录里(“SPECIAL TECHNOLOGY AREA REVIEW ON RF APPLICATIONS FOR WIDE BAND GAP TECHNOLOGY”)【8】也指出最终定型的UESA计划要求搭配的发射机所含的功率模块数量是54个(整个发射机是540kw尖峰功率),同时诺斯诺普•格鲁曼公司也会为ADS-18项目发展一个更先进、更轻的SiC功率模块,但发射机总尖峰功率一样保持在540kw(……A more advanced, lightweight version will also develop 540KW for the ADS-18 program. This version will be based on 1350W transistors.)。雷达系统运作方式应为将所含功率模块数量未知、总功率为540kw的发射机去输给18个天线通道。【附录】

UESA天线局部图(包含15天线通道)。假设天线子阵为4个相邻天线通道所组成,天线子阵会依序由左往右重组(AAAA变为BBBB再变为CCCC等),并且以每次间隔6又2/3度(360度/54)来完成360度空域扫描。而实际上最终定型的UESA是设计由27个天线通道来组成天线子阵
UESA天线局部图(包含15天线通道)。假设天线子阵为4个相邻天线通道所组成,天线子阵会依序由左往右重组(AAAA变为BBBB再变为CCCC等),并且以每次间隔6又2/3度(360度/54)来完成360度空域扫描。而实际上最终定型的UESA是设计由27个天线通道来组成天线子阵

  环形天线的UESA方案也成功发展了STAP技术,地面测试除了和RSTER雷达,UESA还和一种缩写名称为“MSSTIC”、只部署在Makaha Ridge的雷达整合测试过。【9】MSSTIC雷达是RSTER雷达的改进版,一样是工作在UHF频段,但固体发射机采用SiC功率模块(RSTER雷达则为Si功率模块),同时还加装了RSTER雷达所没有的数字接收机。虽然单个功率模块尖峰功率和占空比同为10kw和6%,但MSSTIC雷达发射机所含的功率模块数量为27个(RSTER雷达则为14个)。UESA天线在与MSSTIC雷达和RSTER雷达搭配时由于两者发射机数目不同,因此天线子阵所含的天线通道数目也不同,在天线水平增益或波束宽度上也有不同表现。

整合了UESA天线的MSSTIC雷达和RSTER雷达性能列表。虽然同样是UESA天线,但由于天线子阵所含的天线通道数量不同,两系统的水平波束宽度有差异
整合了UESA天线的MSSTIC雷达和RSTER雷达性能列表。虽然同样是UESA天线,但由于天线子阵所含的天线通道数量不同,两系统的水平波束宽度有差异

  虽然UESA完成了一系列地面雷达整合测试,并于2006年至2007年间集成了108个单元、工作在L频段的敌我识别系统(IFF),但最后仍然被取消,E-2C RMP选用的还是ADS-18S方案。

原本更强悍的UESA方案最终仍没有被采用
原本更强悍的UESA方案最终仍没有被采用

  最后,现在E-2D所使用的APY-9雷达就是源自于E-2C RMP计划的结果。在雷达功率方面,UESA发射机/接收机转换模组设计发展档案【7】里提到过UESA的540kw(峰值功率)SiC功率模块发射机占空比为6%(脉冲宽度200ms/脉冲重复频率300Hz),如果ADS-18计划的指标在后来没有发生改变,并且一直使用在2000年前后所发展、没有使用后来更先进的技术,那么相比旧有APS-145雷达的4kw平均功率,E-2D雷达的平均功率应为32.4kw,比起APS-145大幅提升。另外采用了更灵敏的数字接收机,更先进的后端处理器,使雷达探测性能更进一步得到提升,这也就是为何海军总强调E-2D雷达相比APS-145是两个世代差距。

引用文献

【1】MIT Lincoln Laboratory - Technology in Support of National Security,page.243
【2】An Ultralow-Sidelobe Adaptive Array Antenna
【3】THE ARPA/NAVY MOUNTAINTOP PROGRAM: ADAPTIVE SIGNAL PROCESSING FOR AIRBORNE EARLY WARNING RADAR
【4】Radars for the Detection and Tracking of Cruise Missiles
【5】Mountain Top: Beyond-the-Horizon Cruise Missile Defense
【6】Circular Array STAP,Michael Zatman,Brian Freburger and Daniel Rabideau
【7】Project Title:CEC Antenna Miniaturization /UESA Switch Module Development,page. 2~14 & A13、A14
【8】SPECIAL TECHNOLOGY AREA REVIEW ON RF APPLICATIONS FOR WIDE BAND GAP TECHNOLOGY,page.49
【9】Mountaintop Surveillance Sensor Test Integration Center Facility,Kauai,Hawaii

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