给予全数字相控阵雷达的测试平台

凭借多年经验，俄克拉荷马大学（OU）的先进雷达研究中心（ARRC）正在构建有史以来第一部机动型极化全数字相控阵雷达（PAR），如图1所示。随着过去10到15年雷达技术取得长足发展，尤其是在模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、高功率放大器和现场可编程门阵列（FPGA）领域，使雷达系统相控阵天线孔径成为现实。图2描绘了全数字PAR系统的总体架构，其中每个双极化元件的每个水平和垂直通道都有一个独立的数字接收机和数字发射机。

1、雷达的发展

在过去的15年中，ARRC参与了美国多功能相控阵雷达（MPAR）计划，随后又参与了频谱有效国家监视雷达（SENSR）计划，该计划最初是由美国联邦航空管理局（FAA）、国防部（DoD）、国土安全部（DHS）和国家海洋与大气管理局（NOAA）协调的。因此，ARRC正在开发一种可扩展的全数字极化S波段相控阵，以满足远程扫描天气和飞机的需求。该阵列还将支持其他重要的工作模式，包括MIMO和常规通信。

现在，敏捷的波束控制和多功能能力使相控阵成为多任务雷达系统的最佳候选方案，可提供高效且具有成本效益的解决方案。GaAs、SiGe、CMOS和GaN技术的进步提供了可靠、高集成度且价格适中的RF组件，这些组件使相控阵天线成为现代遥感和通信的核心技术。高集成度和更高效的组件可实现具有多个收发器的相控阵天线架构，与专用于模拟波束形成器的早期产品相比，可降低成本、尺寸和重量，提高功能和性能，例如5G就必将利用相控阵技术。采用模拟波束形成的阵列难免会受限于波束形成方案，使该方案会受到前端波束形成电子设备严格构造的影响。

目前，子阵列级的数字波束成形（DBF）是提高相控阵雷达灵活性的一种常用方法，例如，由NOAA国家强风暴实验室（NSSL）和美国国家航空航天局（NASA）运营的76面板先进技术验证机（ATD）和 马萨诸塞州大学（UMass）的雷声公司低功率雷达（即Skyler）。

但是，向阵元级DBF架构的转变提供了前所未有的功能。这种系统的案例包括：澳大利亚的CEA-FAR海军雷达、美国海军的FlexDAR雷达、以色列Elta公司的MF-STAR、AFRL的BEEMER和“太空篱笆”等。此外，每个元件都具有数字功能，因此可以实现精确的极化控制，具备水平、垂直、同时水平和垂直极化能力，具备45°倾斜极化、左旋极化、右旋极化或任意极化方式。

数字阵列技术是一项新的研究工作。作战能力发展司令部陆军研究实验室（CCDC ARL）的研究重点是开发用于阵列校准的可靠技术。雷达要在拥挤和竞争环境下运行，很大程度上取决于在动态环境中保护雷达的运行并持续校准。

对于数字阵列，工厂校准是不够的，因此需要用于鲁棒的原位校准方法，这些方法在计算上也很有效。ARL与包括OU和CCDC在内的合作伙伴一起，正在开发基于相互耦合的校准技术来解决此问题。

CCDC ARL正在进行概念验证实验，以使用组件级数字阵列实验室测试设备来量化初始算法的性能。未来，CCDC ARL将扩展这些技术以实现更大的带宽性能，并将重点放在可扩展到大型阵列以及对实验室测试台以外运行环境的适用性上。

2、全数字架构

尽管已证明在PAR上实现双极化具有挑战性，但最近由美国国家科学基金会（NSF）赞助的雷达技术团队研讨会取得了重大进展，例如用在先进技术验证机（ATD）上的MIT林肯实验室的S波段面板、BCI/LMCO的S波段原型机、NCAR的C波段机载相控阵雷达系统，UMass的X波段雷达和OU的S波段筒形极化相控阵雷达（CPPAR）验证机。

为了改进聚束模式的瞬时分辨率，几年前，ARRC开发了一种单极化X波段大气成像雷达（AIR），如图1所示。该雷达以“泛照”（floodlight）模式运行，发射的20度垂直扇形波束和36个接收阵列都具备精细可调的数字波束成形能力。

换句话说，雷达距离高度指示器（RHI）可以同时测量，类似于用一部电磁照相机来拍摄照片。这种配置，再结合20度/秒的方位角机械扫描速度，使当前的AIR能够在大约9秒内收集180×20度的三维空间，因此，这也是目前全球最高分辨率的台风起源观测雷达。位于大阪大学的X波段PAR也是具有类似的“泛照”模式的雷达系统。

这些先进的成像监视工作模式需要多个子阵列通道实现数字化。随着数字化水平的提高，也能使自适应数字波束形成（ADBF）、空时自适应处理（STAP）甚至MIMO工作模式成为可能。

理想的相控阵体架构会在每个天线单元实现发射和接收信号的数字化和控制，并具有覆盖宽带宽的能力。由于单元级处理和后续的波束成形是数字化的，因此可以针对不同的应用对其进行重新配置和优化。

组件级的数字化为新的处理技术和波束成形方案打开了大门，并在大型系统中以前所未有的动态范围提供最大的灵活性。例如，在给定M个组件且每个组件的噪声不相关的情况下，系统的信噪比提高了10log（M）。但是，这伴随着不可避免的技术风险和现实挑战，这些风险和挑战与要处理的数据量以及低复杂度收发器的使用有关。

图3所示为三种全数字PAR系统的示例模式。图3的左侧描绘了几个典型的高灵敏度波束和几个低优先级波束，这是持续驻留在某个区域收集重要信息所必需的。图3的中间描绘了一个空时复用范例，通过该范例可以从监视区域收集多组独立样本，这样可以用更少的样本收集数据。由于可以通过相控阵实现自适应空间滤波，因此通过一部典型的抛物面碟形天线验证了相控阵的使用。最后，图3的右侧描绘了机动型验证机如何利用该团队的成像专业知识来实现快速的立体扫描。

图3 通过三种雷达工作模式验证了一部全数字阵列的效果

对于未来的多任务雷达，实际上，多种交叉功能是满足给定时间线任务要求的唯一途径，因此通过数字化实现先进的波束形成灵活性至关重要。此外，可以通过软件升级而不是昂贵的硬件改造来执行数字PAR整个生命周期内的其他任务，从而节省大量的运营和维护成本。下一节将概述ARRC正在设计和制造的S波段双极化PAR。这个系统称为Horus，将成为评估这种方法优点和挑战的研究工具。

3、Horus雷达的设计理念

ARRC目前正在开发一种机动型S波段双极化相控阵系统。它具有全数字架构，该系统由1024个双极化元件组成，分为25个8×8面板（其中16个装有电子设备），如图4所示。每个面板上装有8个“8组件（OctoBlade）”，几乎所有雷达的电子设备都位于其中。

每个“8组件”通过精心设计来驱动面板的高性能天线阵列的8组件列，并在主平面上实现几乎理想的极化，它由金属冷却板（传热管）组成，每侧均有PCB，可容纳总共16个基于GaN的前端（每个组件》 10W，分别极化）、8个来自模拟器件的双通道数字收发器、4个用于处理的前端FPGA和2个用于控制的FPGA。

天线子系统及其相关的电子设备可以用于以下三种主要架构之一：共形瓦片组件、面板组件（带有可插拔的“8组件”）或由电缆分隔的独立结构（见图4）。采用可插拔“8组件”这种设计是为了减少维护成本，易于热插拔。对于需要使用数十年的地面雷达系统，这种功能非常理想和必要。

通常，大型阵列的性能取决于阵列背面的数字互连结构。当前正在使用的传统和分层拓扑，它们的特性（例如可扩展性、灵活性、大带宽等）受到限制。例如，有些使用网格拓扑。使用网状拓扑结构时，中央通道的负担很大。

这往往会导致网格中心区域的拥塞。针对这种情况的解决方案是在网状网络中添加路由器或使用环状拓扑，通过在对应边缘处的路由器引入对称性，这种环状拓扑倾向于在少量增加资源的情况下减轻不必要的拥塞。

但是仍然存在许多悬而未决的问题，这里主要关注三个问题：数据传输机制（即RapidIO，千兆位以太网等）、局部波束成形的程度以及数据路由拓扑（即层次结构等）。通过权衡这些问题，将使阵列大小可以方便地扩展以满足各种任务。

对于Horus雷达的正常运行，将通过RapidIO网络馈入面板背面来完成数字波束成形。这将为多功能PAR系统提供所需的波束-带宽产物（例如，在适当的动态范围内200MHz的波束）。分层波束形成器减少了分层结构中各级的数据流数量，并在此过程中执行了部分加权和汇总。

Systolic波束形成器也类似，但是不是在特定“阶段”并行地汇总数据，而是将数据按顺序发送到节点链路或组件上，在此过程中通过将部分波束数据进行汇总以产生用于后续处理阶段的输出。据了解，几乎每个中-大型数字阵列都使用某种形式的分层/收缩处理来形成数字前端。

重要的是，与模拟阵列不同，通过分层/收缩式波束成形，可以在数字域中将波束数量与信号带宽进行折中，通过一种固定的总“波束-带宽”产物来保持前端处理链上每个点大致恒定。

对于多层结构，互连成本与组件数量M的对数成正比，而数据和前端处理量则与M大致成线性比例。两者均与整个系统带宽成比例。这些关注的类型会在校准、波束成形和自适应的整个范围内，指导所有前端DBF体系架构的设计。最后，RapidIO支持任意网络结构，如可折叠环状网，可以减少延迟并提高可靠性，这些将在未来进行探索。

这种全数字有源双极化相控阵天线设计用于完全控制每个天线组件的发射和返回信号。与WSR-88D抛物面天线相比，ARRC项目的天线设计着重于实现相同或改进的性能。

鉴于气象任务在目标识别方面比飞机监视任务更具挑战性的极化要求，因此这些设计指标至关重要。双极化雷达既需要低交叉极化电平（低于−40 dB），也需要良好匹配的方向图（低于0.1 dB），才能成功确定所扫描大气层的极化变量。

通常，当天线的交叉极化水平增加时，极化变量中的所有偏差都会增加。在8×8阵列的设计过程中，研究了天线组件中的多个要素，这些要素包括：边缘绕射抑制；中心频率2.8GHz时带宽超出10％；

组件端到端的隔离度约为−50dB；对于在方位角和仰角的扫描范围分别为±60°和±10°时，交叉极化水平低于-45dB，且同极失配低于0.1dB。经过仔细校准后，对于在方位角和仰角的扫描范围分别为±60°和±10°时，可获得至少-10 dB的有源反射系数。

因此，为Horus开发了一种新的带电磁耦合的堆叠交叉微带贴片辐射器，图5左侧展示了一块8×8面板。辐射器和馈电网络被分成两个不同的装置以防止它们在装配后发生弯曲。辐射器装置由两个导电层和一个与RO4450F粘结的RT / Duroid 5880LZ天线罩组成。

随着频谱需求的不断增长，现代和下一代雷达面临在复杂、动态环境中工作的挑战。例如，人们对弹性系统的需求正在成为贯穿陆军现代化战略的一个共同主题，这类系统能够适应和应对整个频谱上的新干扰源。

因此，为了减轻干扰，正在与天线开发同时研究如何将静态和频率可重构的小型滤波器集成到天线面板中。这些滤波器基于完全集成到馈电网络组件中具有容性负载的基片集成波导（SIW）谐振器来实现。静态滤波器提供了额外的带外抑制，可重新配置的滤波器可用于实现带内干扰抑制。

4、项目状况和未来的研发计划

该项目将通过在每个组件上提供完全数字化的灵活性（即每个组件上的水平和垂直极化都具有数字收发）来为满足现代雷达的挑战提供解决方案。以下简要概述了Horus系统需要验证的内容：

•先进的孔径和波形灵活性，可同时执行多种不同的任务；

•MIMO雷达——多个发射和接收天线；

•频谱敏捷的有源相控阵；

•先进的DBF，在大覆盖范围内具有更高角度分辨率，其中包括自适应波束形成，来改进干扰和杂波抑制；

•阵列成像——减少尺寸，降低成本的高效系统；

•精确的极化控制：仅水平极化、仅垂直极化、同时水平和垂直极化、倾斜45°极化、左旋极化、右旋极化或任意极化状态；

•使用互耦合方法进行原位阵列校准。

编辑：jq