毫米波相控阵雷达及其应用发展_石星

文章编号:1001-893X(2008)01-0006-07

毫米波相控阵雷达及其应用发展*

石星

(中国西南电子技术研究所,成都610036)

摘要:概述了毫米波相控阵雷达的特点,介绍了电扫原理和主要毫米波电扫技术,以及相位控制扫描和多种移相器技术。针对毫米波相控阵雷达的特点,叙述了其主要应用领域,结合雷达和半导体技术对毫米波相控阵雷达的发展进行了展望。

关键词:毫米波雷达;相控阵雷达;电扫天线;移相器;数字波束形成

中图分类号:TN958.92文献标识码:A

M illi m eter-W ave Phased-Array Radar

and its Application Progress

S H I X i ng

(Southw est China I nstitute o f E lectron ic Techno l o gy,Chengdu610036,Ch i n a)

Abstract:The characteristics ofM illi m eter-W ave(MMW)Phased-A rray R adar(P AR)are descri b ed, t h e pr i n ciple of electron ica ll y scanned array(ESA)and pri m ary e l e ctronically scanned techn i q ues for MMW array are presented,as w ell as phase-con tro lled scan and phase shifter techn iques.M a i n app lication fields ofMMW P AR are ill u m i n ated and its progress is antici p ated on the basis o f radar and se m iconductor techniques.

Key w ords:MMW radar;phased-array radar(PAR);electr onically scanned array(ESA);phase sh ifter;

dig ita l bea m for m i n g(DBF)

1概述

随着雷达技术的发展以及不同应用领域日益提高的需要,远距离和高数据率、宽带和高分辨、多目标跟踪和识别、低截获和抗干扰、多功能和高可靠已经成为现代侦察、监视以及火控等雷达的基本要求。毫米波同相控阵雷达的发展和结合应用,在多个方面适应了现代雷达发展的这些需求。

毫米波段(1~10mm)相对应的频率为30~ 300GH z,其低端毗邻厘米波段,具有厘米波段全天候的特点,高端邻接红外波段,具有红外波的高分辨力特点。毫米波雷达波束窄,角分辨力高,频带宽,隐蔽性好,抗干扰能力强,体积小,重量轻。与红外、激光设备相比较,它具有很好的穿透烟、尘、雨、雾的传播特性,具备良好的抗干扰、反隐身、反低空突防和对抗反辐射导弹(/四抗0)的能力。由于受器件功率和大气条件的影响,毫米波雷达的作用距离受到了一定限制,但这并没有妨碍毫米波雷达的广泛应用。

相控阵雷达,特别是有源相控阵雷达,具有波束扫描快、波形变化灵活、功率孔径积大、易于全固态化和轻小型化、可靠性高等特点,容易实现天线共形设计并具备低截获概率和抗干扰的优良性能。自20世纪50年代末问世以来,相控阵雷达在地基、空基、海基和天基雷达中得到广泛的应用。特别是80年代后,砷化镓(Ga A s)等半导体器件的出现极大促进了有源相控阵雷达的迅速发展,有源相控阵雷达大量取代现役的机械扫描雷达,代表了现代雷达的

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*收稿日期:2007-10-18;修回日期:2007-12-28

主要发展方向。国外新近研制的机载、无人机载、星载和弹载等多种平台的监视、火控和制导雷达多采用有源相控阵体制。

采用毫米波相控阵雷达,综合了毫米波和相控阵雷达的优点,可实现大范围、快速、多目标的搜索截获和跟踪,容易满足不同平台多种功能雷达的需求,是现代雷达应用发展的重要方向。

2毫米波雷达电扫描技术

2.1电扫天线

采用电子方法实现天线波束指向在空间扫描的天线称为电扫天线(ESA),采用有源相控阵的天线,称为有源电扫天线(AESA)。电扫天线的扫描方式主要有4种,即相位扫描法、频率扫描法、时间延迟法和电子开关切换法。相控阵天线是电扫描天线的主要形式,上述的几种扫描方法从原理上可以完全或部分归结于相控扫描,详细原理可参考文献[1]。

改变传输路径长度(相位控制和时延控制)、工作频率和传输速度(改变传输介质的介电常数或磁导率)都可以实现相移,从而得到不同的电扫方法。

从天线基本性的原理上分析,天线方向图完全由天线口径形状和口径上的电流分布决定,天线方向图为天线口径电流分布的傅里叶变换。具有固定波束的阵列天线和反射面天线实现了离散和连续的傅里叶变换,将经过波导或馈源的激励信号变换为对应的空间波束,由于阵列和反射面的特定固化设计,形成的波束相对天线面的方向和波形固定,只有通过机械转动进行扫描。相控阵天线的性能由阵元数、阵元的空间位置分布、阵元激励电流、阵元结构形式和阵元的馈电方式5大要素决定。控制各阵元激励电流的幅相值,改变了离散傅里叶变换的系数,得到不同角度和波形的波束,阵元间相位差的变化主要改变波束的角度,而阵元幅度的变化将改变波束的形状。阵元的间距表示了空间采样的密度,从而决定了是否有波束模糊形成的栅瓣。相控阵在空间域的信号序列处理和常规时间域信号处理间存在完整的对偶性。

毫米波雷达的电扫描技术在原理上和微波雷达相同,但由于频率的明显增加,造成了在关键部件可实现方式、达到指标程度和加工难度等方面同微波雷达有较大的差异。针对不同的应用,需要在不同要求和可实现的途径间进行平衡折衷。2.2主要电扫技术

2.2.1相位扫描法

相位扫描法通过控制阵列天线每个阵元或子阵的相位,改变波束指向,实现波束扫描。相位控制阵列即简称为相控阵,有无源和有源相控阵之分。有源阵的每个天线阵元连接具有完整收发功能的收发(T/R)组件,完成独立的移相和幅度控制。无源阵使用单个功率发射和接收机,天线阵元的相位通过功分后的移相器控制。无源和有源相控阵在原理上的差异导致两者在性能和使用上有显著的差别,有源阵更具有波束和波形控制的灵活性、高可靠和容易实现多功能等优点,发展应用前景更好。

在相位扫描法中,相移控制是实现扫描的关键技术,移相器则是相控阵天线的关键部件。通过优质移相器对天线阵元的移相,可实现要求的口径照射函数的相位分布和波束方向。

2.2.2频率扫描法

频率扫描利用线性阵列辐射单元之间的相位差随频率变化的特性,使天线波束指向变化而实现扫描。频扫天线的馈源是一个串联馈电的慢波线,单元之间的慢波线长度需要等于多个波长,必须盘绕,也称为/蛇形线0。频率扫描同样存在随扫描角增加波束变宽和增益下降的问题,通过采用幅度和密度加权可设计要求的副瓣。

频率扫描天线具有传输功率大且实现方法简便的特点,但其缺点也非常明显:首先,由于采用串馈(或等效串馈)阵列,其过渡历程长,需要足够长的时间才能形成一个完整的波束,因而扫描速度受到一定限制;其次,电磁波在馈线中边传播边辐射,能量在馈线中的损耗比通常的并馈阵列严重,频扫阵不宜太长,波束宽度难以做窄;再者,频扫天线的波瓣位置与工作频率一一对应,一旦这种对应规律被敌方截获,容易受到干扰。频率扫描的这些缺点一定程度限制了其应用,在地面雷达相扫和频扫结合的二维扫描雷达等方面具有应用。在低成本的Ka 频段毫米波电扫雷达中,法国采用频率扫描和Rot m an透镜结合,研制了二维电扫的雷达样机。2.2.3时间延迟法

时间延迟法对阵元或子阵的馈电时间进行实时延迟控制而实现波束扫描。在宽带相控阵雷达中扫描波束指向随工作频率变化产生漂移,同时瞬时宽带信号受天线孔径渡越时间的限制,严重制约了宽

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带相控阵雷达的应用。在相控阵天线阵元,主要是子阵级采用实时延迟器(TTD)是实现瞬时宽带相控阵的有效措施。

(1)实时延迟的实现

实时延迟可以在射频、中频、视频和光波段上实现。射频实时延迟线长度应是波长的整数倍,结构形式与PI N二极管的数字式移相器相同,其损耗较大,不同延迟状态下损耗不一致。在中频实现实时延迟与射频方法类似,TTD安置在中频通道。中频时延的优点是时间与相移的公差易于控制、通道间的延迟损耗容易做到一致以及延迟的色散特性较小,缺点是延迟线长度和体积增加。视频延迟容易同数字T/R组件和数字波束形成器结合,在阵元级和子阵级实现实时延迟,通过数字化TTD可以精确控制延迟时间。在毫米波频段,中频和视频实时延迟更容易实现和控制。

(2)采用光纤的实时延迟

用光纤实现实时延迟优点较多,包括延迟时间长、不同延迟损耗均匀、体积小、重量轻、易于走线和电磁兼容性好等。通过光实时延迟的方法抵消一般相控阵天线的孔径渡越时间,可实现相控阵雷达的宽带宽角扫描,同时也可以使得相控阵雷达小型化,并具有强的抗电磁干扰的能力。实现方案多在子阵级进行光延迟,而在阵元上采用移相器。采用光纤延迟需要进行光电转换,存在转换损失,一般在低功率状态下实现。光延迟的方法主要有光延迟线开关、集成光延迟网络和B ragg光栅延迟线,对不同规模、频段和扫描角精度要求的相控阵可实施并联或串联馈电结构的实时延迟。采用光电子技术实现实时延迟和互联传输在大型相控阵中将会有更广泛的应用。

2.2.4电子开关切换法

电子开关切换法通过波束形成网络和透镜形成多波束,采用电子开关对阵元或子阵的馈电端口实现通断控制或切换,从而改变波束指向完成扫描。开关切换法可以单个波束在时间上切换扫描,也可完成收发同时多波束。

(1)矩阵变换

B lass和Butler多波束矩阵是应用较多的网络矩阵变换方法。B l a ss多波束形成采用串联馈电,利用相邻单元间的传输线长度提供相位扫描,利用定向耦合器激励阵元形成多波束。

Butler网络的基本单元是3dB电桥和固定相移的移相器。通过N个输入来激励N个阵元,形成N 个波束,各波束正交,是快速傅里叶变换(FFT)的模拟实现。上述多波束的形成可在射频、中频和视频数字实现。

(2)通过透镜

电子开关切换波束扫描的典型例子还包括透镜,其作用是将入射的任何平面波聚焦于该方向某一特定点(焦点),根据透镜的波束孔可以选择切换辐射信号的方向,形成扫描或同时多波束。毫米波雷达中常用的透镜有Bootlance和Rot m an等透镜。

Bootlance透镜是由一组排列在一个表面上的接收天线用传输线和第二个表面上的发射天线相联接而组成的天线。每组收发天线与传输线构成一个相对独立的通道,多通道通过输出面在空间中合成需要的辐射方向特性。这种透镜有3个自由度,即输入表面、传输线的长度和输出表面。可以通过在输入和输出辐射器之间的传输线中改变相移和衰减来优化透镜的特性。通过在透镜几何学确定的焦距弧上放置多个馈源形成多波束,切换馈源的信号可以完成波束扫描。由于传输线采用实时延迟使透镜具有宽带特性。

Rot m an透镜是Bootl a nce透镜的一种,输入波束口位于一段圆的聚焦弧上,对应辐射波束可能的传播方向,输出口也称天线口,通过特定长度的传播线与线性阵列的辐射单元连接。透镜的内轮廓由设计方程确定,外轮廓确定了线天线口的位置。Ro-t m an透镜设计参数多,为设计出高效、紧凑的多波束天线,需要进行多参数优化,同时考虑透镜天线口间的互耦。宽带、低成本和多波束特性使Rot m an透镜在毫米波雷达和电子战设备中得到了较为广泛的应用。

2.3移相器

移相器是实现相扫的关键器件,其重点参数是移相精度、带宽、功率容量、插入损耗和稳定性等指标。移相器的种类有多种,经典的移相器包括PI N 二极管移相器和铁氧体移相器,新近应用的移相器有矢量调制移相器、光纤移相器、微机电(ME M S)移相器、/块移相器0和基于视频处理的数字移相。移相技术和移相器的选取主要依据雷达工作频段、相控阵天线类型、移相精度要求、插入损耗、技术成熟性和实现成本等因素综合考虑。

2.3.1P I N二极管移相器

以PI N二极管为开关控制单元,控制信号的传输路径差,从而得到对应的差相移。该移相器的特

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点是开关时间短、体积小、重量轻、便于集成,缺点是带宽窄、功率容限小。由于受移相精度和插损的限制,目前在毫米波雷达射频移相中采用不多,多见于毫米波通信。

2.3.2铁氧体移相器

通过外加直流磁场改波导内的铁氧体导磁系数,从而改变电磁波的相速,得到不同的相移。该移相器的优点是承受功率高、带宽较宽,缺点是激励功率大、开关时间长、较为笨重。在毫米波无源相控阵雷达中具有应用,但插损和体积重量限制了其应用范围。

PI N二极管移相器和铁氧体移相器通过串联,采用二进制多位态控制可以构成n位数字移相器,如n=6的最小移相值为360b/26=5.625b。数字移相量不连续,将引起天线阵面的量化误差,将会降低天线增益、增大天线副瓣电平、使主瓣波束偏移。合理选择和设计移相器的位数,可控制量化误差的影响,满足系统指标的要求。

2.3.3矢量调制移相器

矢量调制移相器通过信号正交分解的2个分量和其反相分量共4个信号分量进行幅度调制,根据相移量的大小分选出两路相加,从而获得满足需要相移的输出信号。矢量调制移相器为有源器件,适合于MM I C集成于T/R组件,可同时提供4种相位状态,在获得相移的同时也获得了幅度调制。矢量调制器在微波频段已有成熟产品,毫米波频段的矢量调制器已有试验样件。目前,美国Triquint公司采用0.5L m P HE MT G a A s技术已经开发出Ka频段、相对线性相位偏移?1b、插入损耗10dB的毫米波矢量调制器。因此,矢量调制移相器在毫米波相控阵雷达中将具有良好的应用前景。

2.3.4微机电(M EMS)移相器

微机电系统是采用集成电路批量生产工艺在半导体材料上制作的微型器件与器件阵列,它应用静电场、磁场使ME M S微型结构完成吸动、移动或转动,实现要求的功能。采用ME M S技术可以完成移相器的相移功能,实现宽带相控阵雷达的实时延迟线和时间延迟单元。

M E M S移相器与传统FET、PI N相比,有工作频率带宽、损耗小、驱动功率小(1L W)、成本低、超小型化、易于与I C或MM I C集成的特点。目前国外在研的ME M S移相器主要有两类:一是相位连续可调的分布式移相器,缺点是不易控制移相量、损耗,控制电压的起伏会引起相位噪声;另一类是数字移相器,特点是可靠性高,可精确控制相移量,缺点是由于材料等原因,不能兼顾性能,使用频率有限。目前ME M S移相器研究主要集中在X频段、K频段。国外研制的低损耗Ka频段四位数字移相器样件在35 ?1GH z频率,平均插入损耗小于2.25dB。

2.3.5整体移相器(Bul k Phase Shifter)

也称为/块移相器0,依靠在方位或俯仰向的M 或N个独立移相器使整个线阵获得相同的移相量,对M@N个单元的面阵仅需要M+N个移相器便可完成二维相控扫描,明显降低了移相器数量,但无法实施对单个阵元的相位控制。铁电透镜和Randant 透镜是实现整体移相的主要方法。前者利用导电平板间铁电材料的介电常数取决于加在板间直流电压的原理,控制板间多组直流偏压,改变通过该区域多组信号的相位,达到对所有天线单元的同时移相。研制可承受高功率并具有低损耗的铁电材料是铁电体移相器的关键。Randant透镜由多个平行的导电板组成,在每对导电板之间接入多层PI N二极管(或M E MS开关)。改变相邻导电板内导通PI N二极管(或M E M S开关)的数量,可以改变电磁信号通过每对金属板时的传输速度,产生相控扫描需要的相位梯度。R andant透镜已经应用于法国/阵风0战斗机的X频段相控阵火控雷达。

2.3.6视频数字移相器

采用数字T/R组件设计有源相控的数字阵列雷达已经成为有源相控阵雷达的重点发展方向。数字T/R组件基于直接数字频率合成器(DDS)实现,通过数字化高精度频率、相位、幅度控制实现线性调频等复杂的发射激励信号波形产生,同时控制信号的相移和衰减。数字T/R组件在接收时,通过中频或射频采样,经过数字鉴相的正交I/Q信号输入接收端的数字波束形成单元,完成多波束形成的数字化相位和幅度加权控制,高精度的数字移相和数字T/R通道的幅相校准也同时完成。采用数字T/R组件完成数字移相降低了对复杂馈线系统的要求,通过数据延迟单元容易实现实时时延,易于实现复杂波形的设计,便于频率分集和多波束形成。

3毫米波相控阵雷达的应用

3.1要求快速扫描、跟踪和高数据率的应用

相控阵雷达波控器的单次布相时间可以控制在微秒量级,高速扫描主要受限于脉冲重复频率和积

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累的脉冲数,雷达在高速扫描同时可以获取高数据率。相控阵雷达的电扫无机械惯性,可以灵活地配置方位或俯仰向的扫描参数,在直升机载多功能火控和防撞雷达(快速的目标搜索引导和障碍物探测回避)、空对面和面对面的雷达导引头智能武器(目标或区域的高数据率成像、识别和定位)、地面近距离防空雷达(高速目标的跟踪制导)等领域有明显的应用优势。近年来,毫米波相控阵雷达在这些领域的扩展应用突出显示了这一优势。美国为/科曼奇0直升机研制了有源电扫的Ka频段火控雷达,作战性能成倍提升;法国研制了3mm波弹载导引头有源相控阵雷达,有源天线单元3000个,可实现?45b电扫;美国雷声公司最新研制了600个阵元的8mm有源相控阵雷达导引头,每单元功率40m W,成本30美元。

3.2要求提高探测性能和目标识别能力的应用

相控阵雷达的波束可以在特定方向捷变驻留,长时间累积提高信噪比,同时有源相控阵通过多单元的空间功率合成可以极大提高雷达的发射功率,从而显著提高对运动或静止目标的探测、跟踪和目标识别能力。在地面侦察雷达(探测坦克、军人等战场目标)、地基毫米波空间探测雷达(探测空间飞行器和空间碎片)、浮空飞行器监视雷达(探测远距离特定区域目标)雷达和天基空间目标探测雷达(空间目标探测和预警)等领域具有明显的应用优势。美国等军事发达国家已经或正在进行这些应用领域的毫米波相控阵雷达的应用研究,俄罗斯研制了用于空间目标观测的8mm远程毫米波相控阵RUZ A雷达。

3.3要求灵活波形控制和多波束能力的应用

有源相控阵雷达可灵活划分配置天线,通过发端的幅相加权和接收端的数字波束形成获取要求的波形和波束。在载体平台传感器多功能化发展的趋势下,有源相控阵的这一特点可以得到极大的发挥。通过多波束和波形变化雷达可以完成点对点宽带通信、宽带侦收、大功率干扰等多种功能。美军F/A-22第四代战机装备的APG-77有源相控阵雷达已经试验验证了宽带高数据率通信能力。毫米波雷达的这种能力目前通过由Rot m an透镜和铁电体移相器结合构成的低成本二维电扫射频设备得到实现,美军在未来战斗系统(FCS)计划的项目中已经开发了具备K a频段的毫米波雷达、通信、战场识别的多功能射频系统,准备装备主战坦克和装甲战车。随着毫米波有源相控阵、特别是二维有源相控阵技术的发展,多功能化的毫米波系统将会有更多的发展应用。

3.4要求低截获性能和隐身性能的应用

有源相控阵雷达可以控制阵元幅相加权,实施在特定应用场合的功率管理,降低对发射信号的截获概率,结合连续波雷达的应用后,低截获性能将更加优越。同时相控阵多采用平板阵列天线,容易实现低副瓣,提高抗侦收和干扰能力。电扫后无机械转动,雷达天线的RCS明显降低,可以提高雷达平台的隐身特性。新一代作战和侦察平台对低截获和隐身性能有了更高要求,直升机载、无人机载、固定翼平台和便携式的毫米波相控阵侦察和监视雷达将在复杂战场环境下有更多的应用。德国准备在已有的毫米波SAR雷达基础上,研制毫米波宽带相控阵雷达,提高隐身性能。美国Sand ia国家实验室研制了0.1m@0.1m分辨力的Ku频段轻小型合成孔径雷达(m i n iSAR),准备在已有基础上,采用ME M S 移相器构成相控阵雷达,提高低截获和隐身性能,同时降低雷达的功耗、体积、重量和成本。

3.5要求宽带、高分辨成像监视的应用

毫米波频段的宽带频率资源丰富,在8mm和3mm频段分别有16GH z和23GH z的可用带宽,并且在毫米波频段目标的轮廓和细节特征明显,利于进行高分辨成像的目标识别。结合实时时延的宽带相控阵雷达天线技术和波束捷变特性,易于实施条带式、聚束式、扫描式和干涉式SAR以及IS AR的高分辨成像,对多基SAR实施空间同步极为有利。目前,国际上在X、Ku和K a等频段合成孔径雷达的分辨力已经达到0.1m@0.1m水平,要求的带宽在1.8GH z以上。美国和德国等国家在毫米波SAR 方面的研究居于世界前列,美国Sand i a国家实验室在2004年得到了0.1m@0.1m分辨力的Ka频段毫米波SAR图像,德国将研制具有0.025m@ 0.025m分辨力的Ka频段毫米波合成孔径成像雷达,需要的带宽达到8GH z,这样的带宽在低频段上难以实现,毫米波雷达是其发展方向。宽带和电控扫描同时提高了雷达的抗截获和干扰性能,具备宽带高分辨成像能力的毫米波相控阵雷达将会在无人机载等平台上有更广泛的应用。

3.6要求天线共形、适配平台飞行气动的应用

机载、无人机、弹载、浮空器和临近空间超声速

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飞行器等平台对飞行气动性能和隐身结构设计有特殊要求,需要采用共形天线技术。有源相控阵,特别是数字化T/R组件的有源相控阵雷达具有在视频数字域精确和灵活的控制阵列单元幅度和相位的能力,结合平台共形的需求,易于设计具备相控电扫的共形天线,满足不同平台的飞行气动要求。美国和法国在弹载的毫米波导引头上进行了基于波导电扫共形和基于有源相控阵电扫的设计研究。美国针对近空间飞艇的电子载荷提出了/综合传感器结构0 (I SI S)的计划,准备将Ka频段的大型相控阵列同飞艇的蒙皮共形设计,完成G M TI/SAR雷达、高速通信、协同作战识别、干扰和电子攻击等多项功能,关键难点在于降低有源相控阵的重量和功耗。

4毫米波相控阵雷达技术的发展

4.1宽禁带技术

相控阵雷达特别是有源相控阵雷达的发展主要依赖于半导体功率器件与毫米波集成电路技术的发展。现代雷达的需要对T/R提出了更高的要求,重点包括提高输出功率、工作带宽、组件的总效率和抗辐射能力,缩小体积和重量以及改善温度特性。现有的T/R组件主要依靠硅(S i)、砷化镓(Ga A s)、磷化铟(I nP)等窄禁带半导体材料,已经难以适应有源相控阵雷达对T/R组件的发展需要,研究和应用能适应T/R组件发展需要的新型材料已成为当务之急。宽禁带(W BG)半导体材料的研究成果填补了这一空白。

在半导体能带结构中,禁带宽度E g<2e V称为窄禁带半导体,禁带宽度E g>2~6e V称为宽禁带半导体,如氮化镓(Ga N)、氮化镓铝(A l G a N)、碳化硅(S i C)和钻石等材料。宽禁带半导体受到重视的主要原因是它具有的独到特点:1高功率输出密度和效率:在X频段,单位栅宽功率密度Ga N是Ga As 的6~9倍;G a N HE MT放大器的总效率可达67%,而面积仅为Ga As P H E MT的1/10;o高热传导率: S i C较Si的热传导性高3倍多;?结温高、稳定性好:G a N在300e的环境温度下仍能工作,S i放大器的工作温度一般不大于140e;?抗辐射能力强,更适合于星载等有源相控阵雷达。

上述优点使宽禁带器件可应用于有源相控阵雷达的射频大功率器、低噪声放大器和高功率电力电子器件等关键部位。2002年,美国国防先进研究计划局(DARPA)实施了宽禁带半导体技术计划(W BGSTI)。该计划的目标有4个,即:生产4英寸高质量S i C基底;开发其它宽禁带半导体基底材料;研制一致性A l G a N/Ga N高电子迁移率晶体外延生长技术;研究宽禁带半导体材料与器件的相互关系。毫米波Q频段(36~46GH z)大功率放大器也是项目的重点研究内容。在Ka频段,连续波功率4W 的A l G a N/G a N功率放大器MM I C器件已经有样件。宽禁带半导体器件的研究应用必将推动有源相控阵雷达向高性能、高可靠以及小型化的方向发展。

4.2数字阵雷达技术

1995年,Adrian Garrod首次提出了数字T/R组件的概念,并对这种基于DDS的相控阵全数字T/R 组件进行了深入研究,研制成功了13单元的收发全数字波束形成(DBF)相控阵雷达试验台。其基本思想是收发均采用了数字波束形成技术,核心技术为全数字T/R组件,其主要特征是利用DDS技术完成雷达信号产生、频率源和幅相控制的一体化实现。采用数字T/R组件实现数字化软件雷达的主要特点是:1降低了对复杂馈线系统的要求,减少了射频功率分配的损耗;o可在视频完成精确的实时延迟,得到宽带性能;?易于实现复杂波形设计、频率分集和数字波束形成;?相控阵收发幅相的数字化控制便于设计实现共形天线阵。由美海军研究局发起的L频段数字化雷达试验系统样机已经研制完成,系统设计了96个数字T/R组件,多通道信号数字化后通过光纤链路和信号处理器连接,每根光纤连接8个数字T/R组件,收发波束形成在信号处理器统一实现。

低温陶瓷共烧(LTCC)等高集成化微电子技术和关键部件的发展为在毫米波段实现数字T/R组件提供了基础。通过一次或二次变频,可完成多通道信号的数字产生和数字解调,收发波束形成和幅相校准可一体化实现。数字阵毫米波雷达能更明显地体现毫米波宽频带、高分辨、轻小型等优势,适用于不同平台和不同雷达应用领域。

4.3多功能综合技术

现代武器作战平台更加强调机动、隐身和多功能,这对电子载荷的体积、重量、天线数量、电子设备的多功能特性提出了新的要求。采用共享射频天线孔径、实现雷达、通信、电子侦察等多种功能已成为平台电子载荷发展的趋势。采用毫米波电扫体制的多功能射频系统也得到了研究和应用。

毫米波多功能电扫射频系统具备以下多项优

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点:1针对高速的空中目标和地面多目标可以快速捷变和定位波束,完成对目标的搜索、探测、跟踪、定位、引导;o可利用共享孔径和射频前端完成毫米波雷达的目标探测、识别、通信和侦测;?采用多功能电扫射频系统大大减少了直升机、坦克等运动平台的安装空间、体积、重量和功耗;?多功能探测结合光电设备构成的综合信息处理系统,可以最大限度地获取战场态势和目标信息,实现信息共享、延伸平台作战空间。美国陆军研制的毫米波多功能电扫描射频综合演示系统,采用毫米波电扫共享孔径的设计,具有雷达侦察、战场敌我识别、无源侦察、导弹告警、高数据率通信、导弹攻击引导等多种功能,是毫米波多功能电扫系统的一种典型应用。

4.4M I M O雷达技术

M I M O(多输入多输出)雷达采用收发分离体制,在发射端和接收端均采用数字阵技术,可以在同一时刻实现多种功能,有效利用了系统的时间、空间和频率资源。与传统相控阵雷达相比,M I M O雷达具有更好的目标探测和反电子对抗性能。传统相控阵雷达的多功能依靠时间分割来实现,通常雷达在某一时刻只能实现一种功能,而M I M O雷达多波形和数字阵技术的采用,可以使相控阵雷达在某一时刻同时完成多个功能,实现真正意义上的多功能雷达。

M I M O雷达综合了数字阵和多功能技术。发射端每个子阵发射相互正交的信号,由于信号正交,在空间形成的波束合理交叠,从而保证了空间的有效覆盖。接收端采用数字阵技术,接收子阵对每个发射子阵发射的信号进行匹配滤波,经过相位补偿后合成,完成发射波束形成。接收子阵之间再进行接收数字波束形成,从而同时获得了发射和接收天线增益,并可同时完成多种功能。由于在发射端和接收端同时采用了数字阵技术,M I M O雷达在抗杂波、抗干扰、低截获等性能方面,与传统雷达相比具有明显的优势。

毫米波M I M O雷达技术将随着毫米波半导体集成技术、数字阵雷达技术、多基雷达技术以及雷达多功能化技术的进步,在高性能、抗干扰、低截获和多功能雷达需求的牵引下得到应用发展。

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作者简介

:

石星(1961-),男,四川成都人,博士,

高级工程师,主要从事雷达总体、信号和信息

处理等领域的技术研究,(电话)028-

87555605(电子信箱)s h i x ing31@https://www.360docs.net/doc/7018967018.html,。

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