相控阵空管二次雷达数字波束形成方案
相控阵空管二次雷达数字波束形成方案
相控阵空管二次雷达数字波束形成方案相控阵空管二次雷达数字波束形成方案文/杨见1 谭威2【摘要】摘要基于相控阵雷达越来越凸显的诸多优势，在空管二次雷达领域也逐渐开始采用数字波束形成技术的相控阵雷达，以实现更加灵活的波束调度与控制等。
本文主要对数字波束形成技术的基础理论进行分析阐述，并提出基于均匀线阵相控阵空管二次雷达实际应用的数字波束形成方案。
【期刊名称】电子技术与软件工程【年(卷),期】2018(000)015【总页数】1【关键词】【关键词】二次雷达有源相控阵数字波束形成DBF 均匀线阵通过用机械、机电与电子方式改变阵列天线单元辐射信号的相位，实现天线波束指向的技术，在雷达发展初期即已为人所知，但是真正的发展则是从冷战开始，国际形势的紧张、大型战略相控阵雷达研制成功、良好的应用效果以及成本的降低等，极大的促进了相控阵技术的发展。
1 相控阵雷达技术简介及优势用电子控制方法，实现天线波束指向在空间转动或扫描的天线称为电扫描天线，也即相控阵天线。
相控阵雷达具有天线波束快速扫描能力、天线波束形状的捷变能力、空间功率合成能力、天线与雷达平台的共性能力、多波束形成能力、空域滤波与空间定向能力等相较于传统机械扫描雷达的明显优势。
2 均匀线阵波束形成理论假定某单个辐射源在远场区P点的电场强度为：式中，R为天线单元至测试点距离；λ为电磁波长；为天线单元辐射方向图；I0为复振幅。
辐射源为多个阵元组成的阵列时，在远区某测试点的总场强E应用叠加定律可以认为是线阵中N个辐射单元在测试点的辐射场强之和，有：式中，Ii可表示其中，为加权系数；为均匀线阵中相邻天线单元之间的馈电相位差。
若各天线单元方向图相同，则总场强为：式中，d为均匀天线阵列单元间距，而ri与r0之差与雷达至观测点距离相比较小，对场强E的影响可以忽略不计，则可以进一步简化为：为波束的最大指向。
当指向法相时，则上式可继续简化为：由此可知，辐射场中某点的合成场强为所有天线单元方向图与阵列因子的乘积之和。
相控阵空管二次雷达数字波束形成方案
相控阵空管二次雷达数字波束形成方案作者：杨见谭威来源：《电子技术与软件工程》2018年第15期摘要基于相控阵雷达越来越凸显的诸多优势，在空管二次雷达领域也逐渐开始采用数字波束形成技术的相控阵雷达，以实现更加灵活的波束调度与控制等.本文主要对数字波束形成技术的基础理论进行分析阐述，并提出基于均匀线阵相控阵空管二次雷达实际应用的数字波束形成方案。
【关键词】二次雷达有源相控阵数字波束形成 DBF 均匀线阵通过用机械、机电与电子方式改变阵列天线单元辐射信号的相位，实现天线波束指向的技术，在雷达发展初期即己为人所知，但是真正的发展则是从冷战开始，国际形势的紧张、大型战略相控阵雷达研制成功、良好的应用效果以及成本的降低等，极大的促进了相控阵技术的发展。
1 相控阵雷达技术简介及优势用电子控制方法，实现天线波束指向在空间转动或扫描的天线称为电扫描天线，也即相控阵天线。
相控阵雷达具有天线波束快速扫描能力、天线波束形状的捷变能力、空间功率合成能力、天线与雷达平台的共性能力、多波束形成能力、空域滤波与空间定向能力等相较于传统机械扫描雷达的明显优势。
2 均匀线阵波束形成理论假定某单个辐射源在远场区P点的电场强度为：式中，R为天线单元至测试点距离;A为电磁波长;f（θ，φ）为天线单元辐射方向图;I0为复振幅。
辐射源为多个阵元组成的阵列时，在远区某测试点的总场强E应用叠加定律可以认为是线阵中N个辐射单元在测试点的辐射场强之和，有：式中，I i可表示为a i-jiΔΦs其中，a i为加权系数;ΔΦB为均匀线阵中相邻天线单元之间的馈电相位差。
若各天线单元方向图相同，则总场强为：式中，d为均匀天线阵列单元间距，而r;与r0之差与雷达至观测点距离相比较小，对场强E的影响可以忽略不计，则可以进一步简化为：θB为波束的最大指向·当θB指向法相时，ΔΦB=0。
则上式可继续简化为：由此可知，辐射场中某点的合成场强为所有天线单元方向图与阵列因子的乘积之和。
简析长春空管4号雷达天馈系统
简析长春空管4号雷达天馈系统长春空管4号系统由天线合装的一部近程一次雷达和一部单脉冲二次雷达，管制中心自动化系统组成。
文章简单介绍了长春空管4号系统二次雷达天馈系统的功能、组成及作用。
标签：空管4号；二次雷达；天馈系统1 天线系统原理“差”△波束形成：按照天线对副瓣电平的计算，与∑波束时相同，只是左右两半反相，因此利用环形电桥即可满足左右两半对称和反相的要求，且功分网络与∑波束时相同。
对于中央部分，由于其幅度分布与∑波束时不同，必须分别用两套功分网络来实现所要求的∑、△波束幅相分布。
这在方案中采用在差支路中的二个功分器C2、C3进行功率分配而实现的，差讯道经C2、C3分配后输入3dB 环形电桥H2和H3，由其两输出臂反相输出，然后馈入功分器P3-P6。
功分器C2、C3是不等功率分配器其分配比由差波束时中央部分的幅度分布要求而定，由于分配比较大，故由定向耦合器实现。
控制波束的形成：控制波束用来抑制讯问波束的旁瓣，要求有一近似全向的讯问辐射方向图。
因此？赘波束可以将讯号只馈入中间一列，而近似实现由发射机来的射频信号直接馈至中心单元（0#），这时其余各单元虽有能量从定向耦合器C1耦合出来，但由于该定向耦合器的耦合度约为12dB，因此与中心单列的辐射功率相比小得多，而中心单元的辐射在方位面上近似为均匀辐射，从而形成控制波束。
背瓣抑制：为抑制背瓣，在天线阵列背后中央另设一列单元。
将发射机？赘讯号一分为二，一半进入前方？赘波束，另一半进入背瓣抑制波束，从而使？赘波束均匀性更好以便抑制背瓣。
双通道切换和收发隔离：本雷达除天线和分配网络外，发射机和接收机都有两套相同的机器，这两套机器通过切换开关K∑，K？赘，K△分别与主馈线的三个通道（∑，？赘，△）相连。
一旦检测到工作通路发生故障时开关将自动切换到备份机器以保证雷达不间断工作。
∑，？赘讯道分别与环行器G1、G2相连以实现收、发隔离。
△讯道及从环行器输出的∑，？赘讯道再分别经滤波器F△、F？赘、F∑进入接收机，以进一步抑制发射能量，加强收发隔离。
基于零中频体制的二次雷达数字相控阵设计罗江
基于零中频体制的二次雷达数字相控阵设计罗江发布时间：2021-08-19T05:46:09.083Z 来源：《现代电信科技》2021年第7期作者：罗江江维[导读] 随着对产品小型化、低功耗、多功能的发展需求，以及微电子技术及信号处理技术的发展，基于零中频体制的调制解调技术、数字相控阵技术已可应用于雷达、二次雷达、通信等收发设备。
（西南电子设备研究所四川成都 610000）摘要：随着对产品小型化、低功耗、多功能的发展需求，以及微电子技术及信号处理技术的发展，基于零中频体制的调制解调技术、数字相控阵技术已可应用于雷达、二次雷达、通信等收发设备。
本文提出了一种基于零中频体制的二次雷达数字相控阵系统架构，并结合高速光纤通信技术、数字波束合成技术等，实现二次雷达、ADS-B in等功能。
相对于超外差体制二次雷达设备，该设计可减少射频前端设备体积约30%，同时，通过采用数字相控阵技术，实现瞬时多波束和自适应处理，使单一设备具有多种功能以及实现多目标跟踪处理等。
关键词：零中频；数字相控阵；二次雷达引言二次雷达采用询问-应答工作方式实现空域内协作目标探测，常包括询问机和应答机。
传统二次雷达询问机采用机扫天线，收发通道采用超外差体制，包含发射机、接收机（和、差、控制）、点迹处理、航迹处理、主控等，设备功能单一，收发射频通道架构复杂，体积重量大，不能满足当前设备小型化、多功能以及复杂环境下对多目标高数据率探测的需求。
与传统的超外差体制相比，零中频体制信号直接由基带变换为射频或射频变换为基带，不需要经过中频的调制解调，以及中频滤波、放大等分离器件，极大降低了产品体积和重量，且随着信号处理技术的发展，零中频体制中影响设备性能的直流偏置和本振泄露问题均得到改善，性能接近超外差体制。
其次，数字相控阵通过将各接收通道信号数据化，通过数字多波束形成、数字滤波技术等技术，可同时实现设备多功能，多目标探测与跟踪，自适应抗干扰等。
基于此，本文提出了一种基于零中频体制的二次雷达数字相控阵系统架构，并结合高速光纤通信技术、数字波束合成技术等，实现二次雷达、ADS-B in等功能。
基于匹配处理的相控阵数字波束形成方法
３ ． 解放军 ９ ３ ２ ７ ７部 队 ， 辽宁沈 阳 １ １ ０ ０ ０ ０ ； ４ ． 总 装 沈 阳军 代 局 驻 辽 阳 地 区 军 代 室 ， 辽宁辽阳 １ １ １ ０ ０ ０ ）
成 方 法 和频 域 Ｄ Ｆ Ｔ 波 束 形成 方 法相 比 ， 基 于 匹配 处 理 的相 控 阵 波 束 形成 方 法 既 不 需要 延 时 器 和 移 相 器 ， 也
不 需要 高速 Ａ／ Ｄ转换器和高速数字信号处理 ， 所 需设 备 量 少 ， 易 于 工程 实现 。 关 键 词 ：相 控 阵 雷 达 ； 宽 带宽 角 ； 数 字 波 束形 成 ；匹配 处 理
摘 要 ： 在 大孔 径 宽扫 描 角相 控 阵情 况 下 ， 利 用 窄 带相 控 阵 不 能 形 成 宽 带 高分 辨 信 号 ， 提 出一种基 于 匹 配 处理 的 宽 带 宽 角相 控 阵数 字波 束 形 成 方 法 。该 方 法 采 用 时 域 数 字 处 理 ， 将 宽 带 信 号 经 匹 配 处 理 后 变换 到 数 字域 ， 在 窄 带 条 件 下 进行 数 字 波 束 形成 。理 论 分 析 和 仿 真 结 果 验 证 了其 有 效 性 。与 实 时 延 迟 线 波 束 形
第 ４期 ２ ０ １ ３年 ８月
雷 达 科 学 与技 术
Ｒ ａｄａｒ Ｓｃ ｌ ｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔ ｅｃｈｎｏ Ｉ ｏｇ ｙ
பைடு நூலகம்
Ｖｏ １ ． １１ Ｎｏ ． ４
Ａｕ ｇｕｓ ｔ ２０ １３
基 于 匹配处 理 的相控 阵数 字 波 束 形成 方法
雷达天线阵列中的波束形成技术研究
雷达天线阵列中的波束形成技术研究摘要：讨论卫星跟踪和数据传输系统中的多波束形成算法;自适应模型和相位调整，分析如何控制波束和实现波束形成。
关键词:TDRSS;多波束形成相控阵雷达具有多功能模式,多目标跟踪和多功能模式。
这些发展优势和战术特点与多波束能力可行性有关。
相控阵天线可以发送和接收多个波束，波束的大小如何,的方向可以迅速变化,并且波束形状可以根据不同的操作方式灵活变化,这是一个重要相控阵天线优点。
一、相控阵雷达与多波束形成根据相控阵雷达它不仅可以发送接收波束,还可以以各种形式变化,这改变了它的工作方式。
基本上,相位阵列雷达的性能在很大程度上取决于其能力和多波束成形方法。
目前有多种方法可用于相控阵天线的多个波束，根据雷达和现有技术设施的要求,可以选择多波束产生方法,随着数字技术和集成电路技术的发展,数字多波束形成技术已应用于相控阵雷达。
该技术提供了一种使用电子转换和数字波束的形成,接收和传输电子射线的方法,从而为雷达系统的进一步发展提供了技术基础。
二、多波束形成算法在多址卫星数据传输系统中,服务对象通常分布在低地球轨道上。
如果用户的恒星轨道位于地面以下3000公里处,则中继星波束可以覆盖地球周围26°用户星宽度。
当用户星以10公里/秒的最高速度移动时,通过3.5°宽合成波形所需的最短时间为205秒。
因此,波束角速度似乎是最低的,新的是合成波束3.5°宽度水平为05%,为10.5秒步进间隔。
一旦计算机将相位矩阵的用户星为10.5 s创建相位加权系数,具体取决于位置。
根据目标的启动和跟踪过程,多波束有三种操作模式:主波束、扫描及自跟踪方式。
如优先验目标的当前位置的信息,目标在空中的轨道方程计算,可以作为一个主波束控制。
计算机可以根据其高度和方向实时计算出加权系数矢量,并将其发送到多波束处理器完成波束加权。
用户星相对中继星来说缓慢移动角度,随着移动用户星,权系数矢量计算机计算,并实时跟踪每个点的主波束。
数字相控阵二次监视雷达关键技术
电子技术• Electronic Technology72 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】数字波束合成 软件无线电软件无线电技术在实际工程项目中的应用越来越广泛，目前已应用在个人移动通信系统、军事通信、电子战、雷达系统以及信息化家电产品中。
数字技术由于本身的优点，大量工程应用都采用了数字化方法，对数据速率和实时性数字相控阵二次监视雷达关键技术文/文传勇 范辉辉提出了要求，需要宽的带宽来进行数据传输。
传统的使用同轴电缆的传输方式，达不到高速数据传输和实时性要求，同时在抗干扰、设备复杂程度、设备安装，铺线方面等工程应用方面，存在困难，不方便；由于光纤具有以下各种优点：（1）工作频率高，通信容量大；（2）衰减小，中继距离长；（3）保密性能好、抗干扰能力强，不受强电、雷达等干扰；（4）体积小、重量轻、便于施工维护；（5）原材料来源丰富，潜在价格低廉。
上述优点满足工程应用中各种需求，它是未来数据传输主要媒介；高速串行数据传输技术迫切成为各种应用的必须的技术。
在各个FPGA 厂商，都配套开发了自己的高速串行数据传输的IP 核，在ALTERA 中Stratix V GX/GS/GT ，在xilinx 中开发GTX,GTH,在Vertex-5，Vertex-6和Vertex-7高端FPGA 中，有对应的IP 核。
这些新的技术的引入，空管二次监视雷达系统的组成发生了变化。
在空管监视设备中，分为舱内设备（或者室内设备）和舱外设备（室外设备），舱内设备完成工作是数字信号处理、控制和显示；舱外设备主要完成功能是信号的感知和采集。
传统二次雷达组成由天线、旋转关节、射频电缆、模拟接收机、三级固态功率放大的发射机、基带A/D 采样、译码、点迹和航迹处理。
数字相控阵二次监视雷达的组成由天线辐射单元、数字TR 组件、光纤、数字信号处理模块、显控组成；数字TR 模块是每个通道独立对应一个辐射单元，其功率和相位可编程实时配置；数字信号处理模块包括光模块的数字收发同步、数字发送通道的数据合成、数据接收的通道数据分配和数字波束合成，对数压缩、译码、形成点迹和航迹。
浅谈二次雷达波束控制系统设计
浅谈二次雷达波束控制系统设计作者：杨诗雨来源：《科学与财富》2018年第36期摘要：二次雷达作为大型雷达系统的构成部分，在民航的空中交通管制及目标识别方面具有重要的应用价值，为了而适应航空领域的发展，提升针对重点空域的境界功能，基于无源相控天线体制的二次雷达系统逐渐发展起来了。
采用这一天线扫描体制的二次雷达，同时具备相位控制、同步控制、数据传送和信号自检的功能。
笔者以采用无源相控天线体制的二次雷达系统作为研究对象，在波束控制系统设计中采取了集中式波控方案，引入了嵌入式计算机和网络系统，并采用软件、硬件双重同步的手段进行波控处理流程设计，此外，选取了二级缓存同步相的方法进行波控数据的布相。
实践表明，这一基于集中波控方案的二次雷达波束控制系统可靠性高、灵活性强，值得在应用中进行推广。
关键词：二次雷达；无源相控天线；波束控制二次雷达通常也被称作是空管雷达信标系统，其结构上主要是由询问雷达和应答雷达构成的，即由询问雷达发射电磁波，应答雷达在接收到信息后发生应答电磁波，通过信息的交互完成目标识别和定位。
针对重点空域进行监视的相控体制的一次雷达，需要在阵面天线静止的情况下，天线波束在方位及仰角上进行二维扫描，采用无源相控阵体制的二次雷达即是为了满足一次雷达的这一需求而逐步发展起来的。
传统的二次雷达采用的是机械扫描的工作方式，虽然可以完成采用相控体制的一次雷达的需求，即在二次雷达天线静止的情况下，二次雷达波束在方位角上进行扫描，并且覆盖一次雷达波束的方位扫描范围。
但是传统二次雷达的波束在空间扫描时波束指向上的惯性，不仅导致了相控阵天线增益的降低以及旁瓣的升高，而且还需要明确所有阵元的辐射相位与辐射值，从而对通道的相位误差进行补偿。
这样就造成了系统计算资源的消耗，给雷达性能造成了限制，而基于无源相控天线体制的二次雷达系统不仅保持了传统二次雷达的功能，而且提升了在天线波束控制上的可靠性。
1 系统设计1.1 波控方案以下四种功能是二次雷达被应用于波束控制所应具备的基本功能，主要涉及相位的控制、频率同步设置、信号传输系统和对数据的筛选自检。
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Electronic Technology •
电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 57【关键词】二次雷达 有源相控阵 数字波束形
成 DBF 均匀线阵
通过用机械、机电与电子方式改变阵列
天线单元辐射信号的相位，实现天线波束指向
的技术，在雷达发展初期即已为人所知，但是
真正的发展则是从冷战开始，国际形势的紧张、
大型战略相控阵雷达研制成功、良好的应用效
果以及成本的降低等，极大的促进了相控阵技
术的发展。
1 相控阵雷达技术简介及优势
用电子控制方法，实现天线波束指向在
空间转动或扫描的天线称为电扫描天线，也即
相控阵天线。
相控阵雷达具有天线波束快速扫描能力、
天线波束形状的捷变能力、空间功率合成能力、
天线与雷达平台的共性能力、多波束形成能力、
空域滤波与空间定向能力等相较于传统机械扫
描雷达的明显优势。
2 均匀线阵波束形成理论
假定某单个辐射源在远场区P 点的电场
强度为：
式中，R 为天线单元至测试点距离；λ为电磁波长；为天线单元辐射方向图；I 0
为复振幅。
辐射源为多个阵元组成的阵列时，在远
区某测试点的总场强E 应用叠加定律可以认为
是线阵中N 个辐射单元在测试点的辐射场强
之和，有：式中，I i 可表示为，其中，为加权
系数；为均匀线阵中相邻天线单元之间的
馈电相位差。
若各天线单元方向图相同，则总场强为：
相控阵空管二次雷达数字波束形成方案
文/杨见1 谭威2，式中，d 为均匀天线阵列单元间距，而r i 与r 0之差与雷达至观测点距离相比较小，对场强E 的影响可以忽略不计，则可以进一步简化为： ，为波束的最大指向。
当指向法相时，。
则上式可继续简化为： 由此可知，辐射场中某点的合成场强为所有天线单元方向图与阵列因子的乘积之和。
天线单元的方向图在天线生产完毕后就已确定，故只需通过控制阵列因子也即下文的网络加权系数即可实现辐射场中合成波束的形成。
3 加权网络系数为获得所需的天线副瓣电平，阵列中各天线单元的激励电流的幅度应按一定的照射函数进行加权；对采用数字式移相器的相控阵天线，在正常波束扫描要求的波束控制信号之外将相位加权控制信号加到阵列中某些单元的移相器上，改变阵列各天线单元激励电流的相位，同时，它可以用于降低有源相控阵天线的副瓣，允许每一个数字T/R 组件例的功率放大器具有相同的输出功率电平，而无须采用具有多种输出功率电平的放大器 。
故加权网络系数的第一部分为形成理想波束的阵列加权值。
如15个通道的二次雷达和通道发射加权序列如图1所示。
相控阵天线馈线网络的每一个天线单元通道中，传输信号的幅度与相位应保持一致，以保证相控阵天线的性能。
为了满足这一要求，必须对相控阵天线的馈线网络中个通道内信号传输过程中产生的幅度与相位进行测量与调整。
因此网络加权系数第二部分则是保证通道初始状态幅相一致的补偿参数，即通过幅相校准采集的试验数据。
第三部分则是在通过初始幅相补偿后，在微波暗室采集合成波束畸变修正数据。
经过理论加权序列对天线阵列传输信号进行加权后，各个通道在实际空间中辐射形成的合成波束会存在一定程度的畸变，而通过重复多次采集数据、修正、验证的过程，最终获取形成的理想波束的补偿数据。
三部分的网络加权系数相结合完成对发射/接收数据进行加权，最终实现辐射信号的波束合成。
如图2所示。
4 空管二次雷达数字波束形成4.1 发射波束形成空管二次雷达发射波束包括辐射询问信号的和波束以及用于旁瓣抑制的控制波束。
和波束主要将能量集中与主瓣，同时需对波束宽度进行适当控制，而控制波束则是用于询问旁瓣抑制，合成的波束为等幅同相的胖波束，故两者的区别在于理论加权系数序列的不同。
由于和通道辐射的波束包含P1、P3脉冲，控制通道辐射波束为P2脉冲，3两组脉冲由于不是在同一时刻辐射，故通过同一组阵列天线进行分时复用即可实现一组天线阵列辐射两个不同类型波束的目的。
4.2 接收波束形成相控阵雷达相对于传统机械雷达优势更为明显的一点，即同一组天线接收的数据通过调用不同的接收加权参数即可实现多个接收波束的合成，每个波束的形成都是独立并行且互不干扰的。
这在二次雷达领域的和接收波束、控制接收波束、差接收波束的形成上得到充分的应用。
图3 即为空管二次雷达和通道数据经过接收波束合成后产生的正交数据。
参考文献[1]相控阵雷达原理.张光义[M].国防工业出版社,2014.[2][美]BassemR.Mahafza 等著.雷达系统设计MATLAB 仿真[M].中国工信集团出版社/电子工业出版社
,2011.
作者简介
杨见（1985-），男，湖北省利川市人。
研究方向为数字信号处理。
谭威（1982-），男，四川省中江县人。
研究方向为电子信息。
作者单位1.四川九洲空管科技有限责任公司 四川省绵阳市 621000
2.驻某单位军代室 四川省绵阳市 621000
图1：和通道发射幅度加权序列/相位加权序列图3：空管二次雷达和通道经过合成后的正交数据（包含应答信号序列）图2：修正前后合成波束示意图。