孔径、功率是决定雷达探测距离的两个关键参数

我们知道预警机最主要的作用是对目标进行远距离探测，向我方作战飞机及防空系统、舰艇提供预警，并且时间越长越好，因此就需要预警雷达探测距离要远，这样雷达的工作波长就需要选择的较长，现代预警机雷达一般工作在S波段以下，波长在分米以上，这样的话就需要较大的天线孔径，才能保证足够的增益，还可以保证较大的孔径功率乘积，另外还可以保证较细的波束以提高雷达的探测精度，但是这么大的天线孔径如何装在空间有限的飞机上面是个难题，所以我们看到了放在飞机外面的圆盘状雷达天线罩，它的优点就是可以沿着圆盘的直径布置天线，这样可以最大限度的增加天线孔径，考虑到飞行阻力，圆盘状天线罩不能做的太厚，所以天线呈细长条形，这样辐射出去的波束呈垂直的扇形，尽可以做到旋转一圈探测到所有高度上的目标，但是目标高度数据的精度较低，数百公里外的目标可能就会有数千米的差距。但是考虑到预警机主要用于远程警戒和目标指示，这个缺点是可以接受的。

 巴基斯坦空军的ZDK-03预警机采用了机相扫体制

运-8预警机中的ZDK-03就是圆盘雷达天线罩的设计，根据中电科集团曹晨研究员介绍ZDK-03采用的有源相控阵，但是其天线布置来看，应该还是单面旋转二维相控阵，体制上要比E-3A采用的APY-1雷达要先进，后者采用的是一维相控阵，所谓二维相控阵是指在方位、高低两个方向都采用电子扫描，而一维在高低采用电子扫描，方位采用机械扫描方式，由于预警雷达扫描速度一般较慢，大约在6转/分左右，这样当雷达旋转一击需要10秒钟，目标速度为300米/秒的话，那么雷达再次探测到目标时，它已经飞出3公里远，实际上现代雷达为了避免虚警，一般采取2/3的原则，就是扫描3次至少有2次探测到目标才确认目标，这样目标的位置与原来已经发生较大的变化，关联和确认就比较困难，特别是随着技术的发展，现代空袭兵器的速度越来越快，一维相控阵已经越来越力不从心，而二维相控阵就好的多，它探测到目标之后，可以迅速的调转波束确认目标，这样在天线扫描区域内，它的数据更新速率是非常快的，此外它的优点还有测速精度更高、这样可以更加精确的对目标进行识别和分类，另外还具备更高的信号管理灵活性，更大程度提高天线的增益，这些都有助于提高雷达的抗干扰能力和探测能力，这也是为什么新世纪相控阵雷达要向二维化迈进。但是二维雷达也有自己的缺点，一个天线重量较大，一维相控阵天线只在高低方向有移相器，而二维在高低和水平方向上都有移相器或者T/R组件，这样就增加了它的重量和成本，相应的也提高了单面阵旋转的难度。或者说要想达到一维阵的旋转速度需要更大的机械转动系统。目前国际上采用单面旋转二维相控阵的除了我国的ZDK-03以外，还有美国的E-2D和欧洲的C-295两种。

 采用三角形天线布置的运-8某高新工程预警机

单面旋转二维阵的数据更新速率虽然比单面旋转一维阵有所提高，但是它仍然需要转动才能实现全向的扫描，因此从总体上来讲，它的全向数据更新速率仍然偏低，最好的办法就是在360度范围内全部实现电子扫描，这样雷达的数据更新速率就会大大提高，特别是可以使用跟踪加搜索模式（TAS），以便充分发挥出相控阵雷达电子扫描优势，所谓TAS模式是指相控阵雷达利用时间分割原理以不同数据率同时完成搜索与跟踪，也就是说机载预警雷达可能在发现目标之后，一方面保持对目标的跟踪，一方面继续对相关空域进行搜索，为了提高对付高速、高机动目标的能力，一般情况下跟踪数据率高于搜索数据率，随着高超音速技术的发展，现代空袭兵器的速度已经超过2M，未来还有可能出现4-6M对地打击武器，那么抗击这样的空袭兵器，二维相控阵雷达有着先天的优势，但是平面相控阵天线有一个先天的限制，就是当扫描角度增大以后，会造成孔径投影区的减少，从而导致天线增益的损失和波束宽度的增大，一般而言当平面相控阵天线扫描角度超过60度以后，损失的性能就无法接受了，所以平面相控阵天线的最大扫描角度一般在左右60度，如果实现全向扫描至少需要3块天线，从公开发表的照片来看，我国空警-2000采用的就是三角形天线布置的方式，另外一种运-8某型高新工程预警机与之类似，而于舰载雷达就更困难一些，因为要考虑到船的上下颠簸和左右摇晃等因素，这个数字还要增加到4个，这也是我们看到现代防空舰艇如伯克级宙斯盾驱逐舰采用四面相控阵天线的根本原因。

 052C型驱逐舰等舰艇需要四个阵面才能保持全向覆盖

不过这样三角形雷达天线的布局也有着自己的缺点，我们知道对于圆形来说，直径长度最大，而采用三角形的话，天线孔径长度、高度都要受到限制，根据前面的雷达探测距离公式，我们就可以知道，在各种参数相当的情况下，预警雷达的探测距离实际上是下降了，那么要想保证雷达的探测距离，就需要增加天线孔径的长度，相应的就增加了圆盘的尺寸，这样就会增加载体的重量和阻力，从而影响其飞行性能，空警-2000拥有当今最大的圆盘天线罩就是这个原因，从相关飞行员的介绍来看，如此巨大的天线罩也对载机的飞行性能造成了较大的影响，另外还有一点就是虽然采用三角形布置，天线不需要转动，省去了复杂、沉重的天线旋转机构，但是需要在天线罩内安装三个有源相控阵天线，这样就增加了设计、制造的难度，尤其是现在的T/R模块效率较低，大部分能量被转换成了热量，三角形布置在狭窄的雷达罩内安装了数千个T/R模式，在这种情况下，雷达工作时产生的热量是非常大的，所空警-2000采用的液体冷却方式。 

 空警2000的天线直径罩是当今最大，目的就是增加天线孔径

从以上我们可以看出，圆盘雷达罩最大的缺点就是限制了天线孔径的尺寸，从而影响了雷达的探测距离，那么怎样才能避开这个限制，我们知道机载前视雷达考虑到阻力问题，天线不能做的太大，但是机载侧视雷达受到的限制就要小的多，有些机载对地侧视雷达甚至与机身长度相差无几，这样就可得到较大尺寸的天线，并且机载预警雷达与对地侧视雷达相比，还有一个优点就是它的位置在机身上面，雷达高度可以做的较大，而是象对地雷达需要放在机身下，考虑到起落架的限制，高度不能做的太大，这样其波束较细，可以提高雷达的探测精度，我国的空警-200预警机就是采用了天线布置方式，国外的有瑞典的SAAB-2000“平衡木”及其衍生型EMB-145AEW，印度刚刚试飞的国产预警机也是这样位置，以SAAB-2000“平衡木”预警机为例，它的天线罩长度是8*0.6米（长*高），相比较而言E-3A这样的大型预警机它的天线长度是7.3*1.5米,这样我们可以看出,在载机远远小于对方的情况下,平衡木天线可以得到相对较大的尺寸,这样在就为保证雷达探测距离打下了基础,特别是在中轻型预警机能源供应有限的情况下尤其有意义.平衡木天线还有一个优点就是空间较大,散热性能较好,特别是纵向尺寸较大,风道较长,利用强迫风冷基本上就可以解决天线的散热问题,我们看到平衡木天线前后各有一个孔就是冷却空气的进、出气口，相对液体冷却，风冷显然结构更加简单，也更加轻便，降低了天线的复杂程度、重量和成本。 

SAAB-2000以较小的机体得到较大的天线孔径

但是平衡木仍旧属于平面相控阵天线，因此平面相控阵天线的限制对于它来说一样存在，因此平衡木天线的探测角度只有240度，在机头和机尾各存在60度的盲区，一般预警机采用8字形或者跑道形的巡航航线，这样当预警机远离目标区的时候，随着扫描角度的增加，它地目标区的掌握会逐渐下降，甚至消失，而机载转动和三角形布置却可以始终“盯”住目标区，针对平衡木这个缺点，一个是在机头加装雷达，比如以色列的费尔康预警机，但是机头空间有限，难以安装大尺寸天线，完善程度有限，一种是E-737预警机，它采用一个端射击的天线来提供前后60度的覆盖，端射阵最大辐射方向是天线单元排列方向，而不是法线方向，因此可以在较小的尺寸获得较大的增益，缺点就是波束实宽、副瓣较高，所以探测性能实际上还是受到限制，并没有从根本上解决问题。

 E-737并没有从根本上解决平衡木存在的问题

综合以上分析，我们可以看到预警雷达天线布置各有优点和缺点，关键还是看用户根据自身情况进行选择，在目标密集场合，探测距离要求不高的情况下，或者有大型载机，可以接受大型天线来提高雷达探测距离，三角形布置要更好一点，如果采购经费有限，则可以考虑单面旋转相控阵，平时战备值班，以及用于大型预警机的补充，相对要求雷达有较高的探测距离，平衡木就是一个比较好的选择。