給予全數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的測試平臺

憑借多年經(jīng)驗，俄克拉荷馬大學(xué)（OU）的先進(jìn)雷達(dá)研究中心（ARRC）正在構(gòu)建有史以來第一部機(jī)動型極化全數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)（PAR），如圖1所示。隨著過去10到15年雷達(dá)技術(shù)取得長足發(fā)展，尤其是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、高功率放大器和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）領(lǐng)域，使雷達(dá)系統(tǒng)相控陣天線孔徑成為現(xiàn)實。圖2描繪了全數(shù)字PAR系統(tǒng)的總體架構(gòu)，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(shù)字接收機(jī)和數(shù)字發(fā)射機(jī)。

1、雷達(dá)的發(fā)展

在過去的15年中，ARRC參與了美國多功能相控陣?yán)走_(dá)（MPAR）計劃，隨后又參與了頻譜有效國家監(jiān)視雷達(dá)（SENSR）計劃，該計劃最初是由美國聯(lián)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(xié)調(diào)的。因此，ARRC正在開發(fā)一種可擴(kuò)展的全數(shù)字極化S波段相控陣，以滿足遠(yuǎn)程掃描天氣和飛機(jī)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(guī)通信。

現(xiàn)在，敏捷的波束控制和多功能能力使相控陣成為多任務(wù)雷達(dá)系統(tǒng)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(shù)的進(jìn)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(xiàn)代遙感和通信的核心技術(shù)。高集成度和更高效的組件可實現(xiàn)具有多個收發(fā)器的相控陣天線架構(gòu)，與專用于模擬波束形成器的早期產(chǎn)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(shù)。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(shè)備嚴(yán)格構(gòu)造的影響。

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

但是，向陣元級DBF架構(gòu)的轉(zhuǎn)變提供了前所未有的功能。這種系統(tǒng)的案例包括：澳大利亞的CEA-FAR海軍雷達(dá)、美國海軍的FlexDAR雷達(dá)、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(shù)字功能，因此可以實現(xiàn)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(shù)字陣列技術(shù)是一項新的研究工作。作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部陸軍研究實驗室（CCDC ARL）的研究重點是開發(fā)用于陣列校準(zhǔn)的可靠技術(shù)。雷達(dá)要在擁擠和競爭環(huán)境下運行，很大程度上取決于在動態(tài)環(huán)境中保護(hù)雷達(dá)的運行并持續(xù)校準(zhǔn)。

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

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

2、全數(shù)字架構(gòu)

盡管已證明在PAR上實現(xiàn)雙極化具有挑戰(zhàn)性，但最近由美國國家科學(xué)基金會（NSF）贊助的雷達(dá)技術(shù)團(tuán)隊研討會取得了重大進(jìn)展，例如用在先進(jìn)技術(shù)驗證機(jī)（ATD）上的MIT林肯實驗室的S波段面板、BCI/LMCO的S波段原型機(jī)、NCAR的C波段機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，UMass的X波段雷達(dá)和OU的S波段筒形極化相控陣?yán)走_(dá)（CPPAR）驗證機(jī)。

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

換句話說，雷達(dá)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(jī)來拍攝照片。這種配置，再結(jié)合20度/秒的方位角機(jī)械掃描速度，使當(dāng)前的AIR能夠在大約9秒內(nèi)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(fēng)起源觀測雷達(dá)。位于大阪大學(xué)的X波段PAR也是具有類似的“泛照”模式的雷達(dá)系統(tǒng)。

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

理想的相控陣體架構(gòu)會在每個天線單元實現(xiàn)發(fā)射和接收信號的數(shù)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(xù)的波束成形是數(shù)字化的，因此可以針對不同的應(yīng)用對其進(jìn)行重新配置和優(yōu)化。

組件級的數(shù)字化為新的處理技術(shù)和波束成形方案打開了大門，并在大型系統(tǒng)中以前所未有的動態(tài)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(guān)的情況下，系統(tǒng)的信噪比提高了10log（M）。但是，這伴隨著不可避免的技術(shù)風(fēng)險和現(xiàn)實挑戰(zhàn)，這些風(fēng)險和挑戰(zhàn)與要處理的數(shù)據(jù)量以及低復(fù)雜度收發(fā)器的使用有關(guān)。

圖3所示為三種全數(shù)字PAR系統(tǒng)的示例模式。圖3的左側(cè)描繪了幾個典型的高靈敏度波束和幾個低優(yōu)先級波束，這是持續(xù)駐留在某個區(qū)域收集重要信息所必需的。圖3的中間描繪了一個空時復(fù)用范例，通過該范例可以從監(jiān)視區(qū)域收集多組獨立樣本，這樣可以用更少的樣本收集數(shù)據(jù)。由于可以通過相控陣實現(xiàn)自適應(yīng)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(cè)描繪了機(jī)動型驗證機(jī)如何利用該團(tuán)隊的成像專業(yè)知識來實現(xiàn)快速的立體掃描。

圖3 通過三種雷達(dá)工作模式驗證了一部全數(shù)字陣列的效果

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

3、Horus雷達(dá)的設(shè)計理念

ARRC目前正在開發(fā)一種機(jī)動型S波段雙極化相控陣系統(tǒng)。它具有全數(shù)字架構(gòu)，該系統(tǒng)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(shè)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(dá)的電子設(shè)備都位于其中。

每個“8組件”通過精心設(shè)計來驅(qū)動面板的高性能天線陣列的8組件列，并在主平面上實現(xiàn)幾乎理想的極化，它由金屬冷卻板（傳熱管）組成，每側(cè)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(shù)字收發(fā)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(tǒng)及其相關(guān)的電子設(shè)備可以用于以下三種主要架構(gòu)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(jié)構(gòu)（見圖4）。采用可插拔“8組件”這種設(shè)計是為了減少維護(hù)成本，易于熱插拔。對于需要使用數(shù)十年的地面雷達(dá)系統(tǒng)，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(shù)字互連結(jié)構(gòu)。當(dāng)前正在使用的傳統(tǒng)和分層拓?fù)?，它們的特性（例如可擴(kuò)展性、靈活性、大帶寬等）受到限制。例如，有些使用網(wǎng)格拓?fù)?。使用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，中央通道的負(fù)擔(dān)很大。

這往往會導(dǎo)致網(wǎng)格中心區(qū)域的擁塞。針對這種情況的解決方案是在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中添加路由器或使用環(huán)狀拓?fù)洌ㄟ^在對應(yīng)邊緣處的路由器引入對稱性，這種環(huán)狀拓?fù)鋬A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(guān)注三個問題：數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制（即RapidIO，千兆位以太網(wǎng)等）、局部波束成形的程度以及數(shù)據(jù)路由拓?fù)洌磳哟谓Y(jié)構(gòu)等）。通過權(quán)衡這些問題，將使陣列大小可以方便地擴(kuò)展以滿足各種任務(wù)。

對于Horus雷達(dá)的正常運行，將通過RapidIO網(wǎng)絡(luò)饋入面板背面來完成數(shù)字波束成形。這將為多功能PAR系統(tǒng)提供所需的波束-帶寬產(chǎn)物（例如，在適當(dāng)?shù)膭討B(tài)范圍內(nèi)200MHz的波束）。分層波束形成器減少了分層結(jié)構(gòu)中各級的數(shù)據(jù)流數(shù)量，并在此過程中執(zhí)行了部分加權(quán)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(shù)據(jù)，而是將數(shù)據(jù)按順序發(fā)送到節(jié)點鏈路或組件上，在此過程中通過將部分波束數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總以產(chǎn)生用于后續(xù)處理階段的輸出。據(jù)了解，幾乎每個中-大型數(shù)字陣列都使用某種形式的分層/收縮處理來形成數(shù)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(shù)字域中將波束數(shù)量與信號帶寬進(jìn)行折中，通過一種固定的總“波束-帶寬”產(chǎn)物來保持前端處理鏈上每個點大致恒定。

對于多層結(jié)構(gòu)，互連成本與組件數(shù)量M的對數(shù)成正比，而數(shù)據(jù)和前端處理量則與M大致成線性比例。兩者均與整個系統(tǒng)帶寬成比例。這些關(guān)注的類型會在校準(zhǔn)、波束成形和自適應(yīng)的整個范圍內(nèi)，指導(dǎo)所有前端DBF體系架構(gòu)的設(shè)計。最后，RapidIO支持任意網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如可折疊環(huán)狀網(wǎng)，可以減少延遲并提高可靠性，這些將在未來進(jìn)行探索。

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

鑒于氣象任務(wù)在目標(biāo)識別方面比飛機(jī)監(jiān)視任務(wù)更具挑戰(zhàn)性的極化要求，因此這些設(shè)計指標(biāo)至關(guān)重要。雙極化雷達(dá)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(dāng)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(shè)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(jīng)過仔細(xì)校準(zhǔn)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(shù)。

因此，為Horus開發(fā)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(cè)展示了一塊8×8面板。輻射器和饋電網(wǎng)絡(luò)被分成兩個不同的裝置以防止它們在裝配后發(fā)生彎曲。輻射器裝置由兩個導(dǎo)電層和一個與RO4450F粘結(jié)的RT / Duroid 5880LZ天線罩組成。

隨著頻譜需求的不斷增長，現(xiàn)代和下一代雷達(dá)面臨在復(fù)雜、動態(tài)環(huán)境中工作的挑戰(zhàn)。例如，人們對彈性系統(tǒng)的需求正在成為貫穿陸軍現(xiàn)代化戰(zhàn)略的一個共同主題，這類系統(tǒng)能夠適應(yīng)和應(yīng)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(fā)同時研究如何將靜態(tài)和頻率可重構(gòu)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(wǎng)絡(luò)組件中具有容性負(fù)載的基片集成波導(dǎo)（SIW）諧振器來實現(xiàn)。靜態(tài)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(xiàn)帶內(nèi)干擾抑制。

4、項目狀況和未來的研發(fā)計劃

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

?先進(jìn)的孔徑和波形靈活性，可同時執(zhí)行多種不同的任務(wù)；

?MIMO雷達(dá)——多個發(fā)射和接收天線；

?頻譜敏捷的有源相控陣；

?先進(jìn)的DBF，在大覆蓋范圍內(nèi)具有更高角度分辨率，其中包括自適應(yīng)波束形成，來改進(jìn)干擾和雜波抑制；

?陣列成像——減少尺寸，降低成本的高效系統(tǒng)；

?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(tài)；

?使用互耦合方法進(jìn)行原位陣列校準(zhǔn)。

編輯：jq