給予全數字相控陣雷達的測試平臺

憑借多年經驗，俄克拉荷馬大學（OU）的先進雷達研究中心（ARRC）正在構建有史以來第一部機動型極化全數字相控陣雷達（PAR），如圖1所示。隨著過去10到15年雷達技術取得長足發展，尤其是在模數轉換器（ADC）、數模轉換器（DAC）、高功率放大器和現場可編程門陣列（FPGA）領域，使雷達系統相控陣天線孔徑成為現實。圖2描繪了全數字PAR系統的總體架構，其中每個雙極化元件的每個水平和垂直通道都有一個獨立的數字接收機和數字發射機。

1、雷達的發展

在過去的15年中，ARRC參與了美國多功能相控陣雷達（MPAR）計劃，隨后又參與了頻譜有效國家監視雷達（SENSR）計劃，該計劃最初是由美國聯邦航空管理局（FAA）、國防部（DoD）、國土安全部（DHS）和國家海洋與大氣管理局（NOAA）協調的。因此，ARRC正在開發一種可擴展的全數字極化S波段相控陣，以滿足遠程掃描天氣和飛機的需求。該陣列還將支持其他重要的工作模式，包括MIMO和常規通信。

現在，敏捷的波束控制和多功能能力使相控陣成為多任務雷達系統的最佳候選方案，可提供高效且具有成本效益的解決方案。GaAs、SiGe、CMOS和GaN技術的進步提供了可靠、高集成度且價格適中的RF組件，這些組件使相控陣天線成為現代遙感和通信的核心技術。高集成度和更高效的組件可實現具有多個收發器的相控陣天線架構，與專用于模擬波束形成器的早期產品相比，可降低成本、尺寸和重量，提高功能和性能，例如5G就必將利用相控陣技術。采用模擬波束形成的陣列難免會受限于波束形成方案，使該方案會受到前端波束形成電子設備嚴格構造的影響。

目前，子陣列級的數字波束成形（DBF）是提高相控陣雷達靈活性的一種常用方法，例如，由NOAA國家強風暴實驗室（NSSL）和美國國家航空航天局（NASA）運營的76面板先進技術驗證機（ATD）和 馬薩諸塞州大學（UMass）的雷聲公司低功率雷達（即Skyler）。

但是，向陣元級DBF架構的轉變提供了前所未有的功能。這種系統的案例包括：澳大利亞的CEA-FAR海軍雷達、美國海軍的FlexDAR雷達、以色列Elta公司的MF-STAR、AFRL的BEEMER和“太空籬笆”等。此外，每個元件都具有數字功能，因此可以實現精確的極化控制，具備水平、垂直、同時水平和垂直極化能力，具備45°傾斜極化、左旋極化、右旋極化或任意極化方式。

數字陣列技術是一項新的研究工作。作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室（CCDC ARL）的研究重點是開發用于陣列校準的可靠技術。雷達要在擁擠和競爭環境下運行，很大程度上取決于在動態環境中保護雷達的運行并持續校準。

對于數字陣列，工廠校準是不夠的，因此需要用于魯棒的原位校準方法，這些方法在計算上也很有效。ARL與包括OU和CCDC在內的合作伙伴一起，正在開發基于相互耦合的校準技術來解決此問題。

CCDC ARL正在進行概念驗證實驗，以使用組件級數字陣列實驗室測試設備來量化初始算法的性能。未來，CCDC ARL將擴展這些技術以實現更大的帶寬性能，并將重點放在可擴展到大型陣列以及對實驗室測試臺以外運行環境的適用性上。

2、全數字架構

盡管已證明在PAR上實現雙極化具有挑戰性，但最近由美國國家科學基金會（NSF）贊助的雷達技術團隊研討會取得了重大進展，例如用在先進技術驗證機（ATD）上的MIT林肯實驗室的S波段面板、BCI/LMCO的S波段原型機、NCAR的C波段機載相控陣雷達系統，UMass的X波段雷達和OU的S波段筒形極化相控陣雷達（CPPAR）驗證機。

為了改進聚束模式的瞬時分辨率，幾年前，ARRC開發了一種單極化X波段大氣成像雷達（AIR），如圖1所示。該雷達以“泛照”（floodlight）模式運行，發射的20度垂直扇形波束和36個接收陣列都具備精細可調的數字波束成形能力。

換句話說，雷達距離高度指示器（RHI）可以同時測量，類似于用一部電磁照相機來拍攝照片。這種配置，再結合20度/秒的方位角機械掃描速度，使當前的AIR能夠在大約9秒內收集180×20度的三維空間，因此，這也是目前全球最高分辨率的臺風起源觀測雷達。位于大阪大學的X波段PAR也是具有類似的“泛照”模式的雷達系統。

這些先進的成像監視工作模式需要多個子陣列通道實現數字化。隨著數字化水平的提高，也能使自適應數字波束形成（ADBF）、空時自適應處理（STAP）甚至MIMO工作模式成為可能。

理想的相控陣體架構會在每個天線單元實現發射和接收信號的數字化和控制，并具有覆蓋寬帶寬的能力。由于單元級處理和后續的波束成形是數字化的，因此可以針對不同的應用對其進行重新配置和優化。

組件級的數字化為新的處理技術和波束成形方案打開了大門，并在大型系統中以前所未有的動態范圍提供最大的靈活性。例如，在給定M個組件且每個組件的噪聲不相關的情況下，系統的信噪比提高了10log（M）。但是，這伴隨著不可避免的技術風險和現實挑戰，這些風險和挑戰與要處理的數據量以及低復雜度收發器的使用有關。

圖3所示為三種全數字PAR系統的示例模式。圖3的左側描繪了幾個典型的高靈敏度波束和幾個低優先級波束，這是持續駐留在某個區域收集重要信息所必需的。圖3的中間描繪了一個空時復用范例，通過該范例可以從監視區域收集多組獨立樣本，這樣可以用更少的樣本收集數據。由于可以通過相控陣實現自適應空間濾波，因此通過一部典型的拋物面碟形天線驗證了相控陣的使用。最后，圖3的右側描繪了機動型驗證機如何利用該團隊的成像專業知識來實現快速的立體掃描。

圖3 通過三種雷達工作模式驗證了一部全數字陣列的效果

對于未來的多任務雷達，實際上，多種交叉功能是滿足給定時間線任務要求的唯一途徑，因此通過數字化實現先進的波束形成靈活性至關重要。此外，可以通過軟件升級而不是昂貴的硬件改造來執行數字PAR整個生命周期內的其他任務，從而節省大量的運營和維護成本。下一節將概述ARRC正在設計和制造的S波段雙極化PAR。這個系統稱為Horus，將成為評估這種方法優點和挑戰的研究工具。

3、Horus雷達的設計理念

ARRC目前正在開發一種機動型S波段雙極化相控陣系統。它具有全數字架構，該系統由1024個雙極化元件組成，分為25個8×8面板（其中16個裝有電子設備），如圖4所示。每個面板上裝有8個“8組件（OctoBlade）”，幾乎所有雷達的電子設備都位于其中。

每個“8組件”通過精心設計來驅動面板的高性能天線陣列的8組件列，并在主平面上實現幾乎理想的極化，它由金屬冷卻板（傳熱管）組成，每側均有PCB，可容納總共16個基于GaN的前端（每個組件》 10W，分別極化）、8個來自模擬器件的雙通道數字收發器、4個用于處理的前端FPGA和2個用于控制的FPGA。

天線子系統及其相關的電子設備可以用于以下三種主要架構之一：共形瓦片組件、面板組件（帶有可插拔的“8組件”）或由電纜分隔的獨立結構（見圖4）。采用可插拔“8組件”這種設計是為了減少維護成本，易于熱插拔。對于需要使用數十年的地面雷達系統，這種功能非常理想和必要。

通常，大型陣列的性能取決于陣列背面的數字互連結構。當前正在使用的傳統和分層拓撲，它們的特性（例如可擴展性、靈活性、大帶寬等）受到限制。例如，有些使用網格拓撲。使用網狀拓撲結構時，中央通道的負擔很大。

這往往會導致網格中心區域的擁塞。針對這種情況的解決方案是在網狀網絡中添加路由器或使用環狀拓撲，通過在對應邊緣處的路由器引入對稱性，這種環狀拓撲傾向于在少量增加資源的情況下減輕不必要的擁塞。

但是仍然存在許多懸而未決的問題，這里主要關注三個問題：數據傳輸機制（即RapidIO，千兆位以太網等）、局部波束成形的程度以及數據路由拓撲（即層次結構等）。通過權衡這些問題，將使陣列大小可以方便地擴展以滿足各種任務。

對于Horus雷達的正常運行，將通過RapidIO網絡饋入面板背面來完成數字波束成形。這將為多功能PAR系統提供所需的波束-帶寬產物（例如，在適當的動態范圍內200MHz的波束）。分層波束形成器減少了分層結構中各級的數據流數量，并在此過程中執行了部分加權和匯總。

Systolic波束形成器也類似，但是不是在特定“階段”并行地匯總數據，而是將數據按順序發送到節點鏈路或組件上，在此過程中通過將部分波束數據進行匯總以產生用于后續處理階段的輸出。據了解，幾乎每個中-大型數字陣列都使用某種形式的分層/收縮處理來形成數字前端。

重要的是，與模擬陣列不同，通過分層/收縮式波束成形，可以在數字域中將波束數量與信號帶寬進行折中，通過一種固定的總“波束-帶寬”產物來保持前端處理鏈上每個點大致恒定。

對于多層結構，互連成本與組件數量M的對數成正比，而數據和前端處理量則與M大致成線性比例。兩者均與整個系統帶寬成比例。這些關注的類型會在校準、波束成形和自適應的整個范圍內，指導所有前端DBF體系架構的設計。最后，RapidIO支持任意網絡結構，如可折疊環狀網，可以減少延遲并提高可靠性，這些將在未來進行探索。

這種全數字有源雙極化相控陣天線設計用于完全控制每個天線組件的發射和返回信號。與WSR-88D拋物面天線相比，ARRC項目的天線設計著重于實現相同或改進的性能。

鑒于氣象任務在目標識別方面比飛機監視任務更具挑戰性的極化要求，因此這些設計指標至關重要。雙極化雷達既需要低交叉極化電平（低于?40 dB），也需要良好匹配的方向圖（低于0.1 dB），才能成功確定所掃描大氣層的極化變量。

通常，當天線的交叉極化水平增加時，極化變量中的所有偏差都會增加。在8×8陣列的設計過程中，研究了天線組件中的多個要素，這些要素包括：邊緣繞射抑制；中心頻率2.8GHz時帶寬超出10％；

組件端到端的隔離度約為?50dB；對于在方位角和仰角的掃描范圍分別為±60°和±10°時，交叉極化水平低于-45dB，且同極失配低于0.1dB。經過仔細校準后，對于在方位角和仰角的掃描范圍分別為±60°和±10°時，可獲得至少-10 dB的有源反射系數。

因此，為Horus開發了一種新的帶電磁耦合的堆疊交叉微帶貼片輻射器，圖5左側展示了一塊8×8面板。輻射器和饋電網絡被分成兩個不同的裝置以防止它們在裝配后發生彎曲。輻射器裝置由兩個導電層和一個與RO4450F粘結的RT / Duroid 5880LZ天線罩組成。

隨著頻譜需求的不斷增長，現代和下一代雷達面臨在復雜、動態環境中工作的挑戰。例如，人們對彈性系統的需求正在成為貫穿陸軍現代化戰略的一個共同主題，這類系統能夠適應和應對整個頻譜上的新干擾源。

因此，為了減輕干擾，正在與天線開發同時研究如何將靜態和頻率可重構的小型濾波器集成到天線面板中。這些濾波器基于完全集成到饋電網絡組件中具有容性負載的基片集成波導（SIW）諧振器來實現。靜態濾波器提供了額外的帶外抑制，可重新配置的濾波器可用于實現帶內干擾抑制。

4、項目狀況和未來的研發計劃

該項目將通過在每個組件上提供完全數字化的靈活性（即每個組件上的水平和垂直極化都具有數字收發）來為滿足現代雷達的挑戰提供解決方案。以下簡要概述了Horus系統需要驗證的內容：

?先進的孔徑和波形靈活性，可同時執行多種不同的任務；

?MIMO雷達——多個發射和接收天線；

?頻譜敏捷的有源相控陣；

?先進的DBF，在大覆蓋范圍內具有更高角度分辨率，其中包括自適應波束形成，來改進干擾和雜波抑制；

?陣列成像——減少尺寸，降低成本的高效系統；

?精確的極化控制：僅水平極化、僅垂直極化、同時水平和垂直極化、傾斜45°極化、左旋極化、右旋極化或任意極化狀態；

?使用互耦合方法進行原位陣列校準。

編輯：jq