全数字相控阵雷达的试验台.docx

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1、全数字相控阵雷达的试验台目录1.序言1?全数字化架构3?“荷鲁斯”雷达的设计理念4?项目现状和未来研发计划7?确认71.序言俄克拉荷马大学(OU)高级雷达研究中心(ARRC)正在建造有史以来第一个移动极化全数字相控阵雷达(PAR),如图1所示。随着技术在过去10到15年中取得重大发展，特别是在模数转换器(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，将雷达系统的重要部分移近相控阵天线孔径的可能性已成为现实。图2描述了全数字PAR系统的总体架构,其中每个双极点元件的每个水平(H)和垂直(V)通道都存在一个独立的数字接收器和数字发射器。图1雷达演进图2每个元件都有一个

2、独立的数字接收器和数字发射器在过去的15年中，ARRC一直参与国家多功能相控阵雷达（MPAR）计戈U,随后参与频谱高效国家监视雷达（SENSR）计划，最初由联邦航空管理局（FAA）,国防部（DoD）,国土安全部（DHS）和国家海洋和大气管理局（NOAA）协调。因此，ARRC正在开发一种可扩展的全数字极化S波段相控阵，以满足天气和远程飞机扫描的要求。该阵列还将支持其他重要的操作模式，包括M1MO和通用通信。敏捷的波束控制和多功能功能现在使相控阵成为多任务雷达系统的最佳候选者，提供高效且具有成本效益的解决方案。GaAsSiGe、CMoS和GaN技术的进步提供了可靠、高度集成且价格合理的射频组件，使

3、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使相控阵天线架构具有多个收发器，与专门使用模拟波束成形器的前代产品相比，这些收发器可用于以更低的成本、尺寸和重量提高功能和性能：例如，5G肯定会利用相控阵技术。具有模拟波束成形的阵列本质上受限于前端波束成形电子设备的精确配置所施加的波束成形方案。目前，子阵列级别的数字波束成形（DBF）是提高相控阵雷达灵活性的常用方法，正如NOAA国家严重风暴实验室（NSS1）和马萨诸塞大学（UMaSS）雷神低功率雷达（即Sky1er）运营的76面板先进技术演示器（ATD）所证明的那样。然而，向元素级DBF架构的转变提供了前所未有的功能。此类系统的示

4、例包括；澳大利亚的CEA-FAR海军雷达，美国海军的FIeXDAR雷达，2以色列E1ta的MF-STAR,AFR1的BEEMER（每个元素MIMO实验雷达的基带数字）和SpaceFence,仅举几例。止匕外，每个元素的数字使偏振测量的精确控制成为可能，单H,单V,斜45,1HC,RHC或任意偏振状态的同步H&V。数字阵列技术是一项新兴的研究工作；作战能力发展司令部陆军研究实验室（CCDCAR1）研究的重点是开发用于阵列校准的稳健技术。在拥挤和竞争激烈的环境中运行关键取决于保护雷达操作和在动态环境中保持校准。对于数字阵列来说，工厂校准是不够的，需要可靠的原位校准方法，这些方法在计算上也很有效。A

5、R1与包括OU和CCDCAR1在内的合作伙伴一起开发基于相互耦合的校准技术来解决这个问题。CCDCAR1正在进行概念验证实验，以使用元件级数字阵列实验室测试资产量化初始算法的性能。展望未来，CCDCAR1将扩展这些技术，以实现更广泛的带宽性能，并专注于扩展到大幅面阵列，以及适用于实验室测试台之外的操作环境O全数字化架构尽管在PAR上实施双极化已被证明具有挑战性，但正如美国国家科学基金会（NSF）赞助的雷达技术社区研讨会所报告的那样，最近取得了重大进展，5如麻省理工学院林肯实验室在ATD的S波段面板,6BCI1MC0的S波段原型、NCAR的C波段机载相控阵雷达系统、UMass的X波段雷达和OU的

6、S波段圆柱极化相控阵雷达（CPPAR）演示器。7为了提高聚光灯操作的时间分辨率，ARRC几年前开发了单极化X波段大气成像雷达（A1R）,如图1所示。AIR以“泛光灯”模式运行，在发射端利用20度垂直扇形光束和36个能够进行精细数字波束成形的接收阵列。换句话说，可以同时形成雷达测量的距离高度指示器（RHI）,类似于用电磁相机拍照。这种配置与方位角20度/秒的机械扫描相结合，使当前的AIR能够在大约180秒内收集20x度的体积；因此,世界上对龙卷风起源的最高分辨率观测o8具有泛光灯操作的类似系统是位于大阪大学的X波段PARo这些先进的成像监控操作模式需要对多个子阵列通道进行数字化。数字化水平的提高

7、还支持自适应数字波束成形（ADBF）空时自适应处理（STAP）甚至MIMO操作模式。理想的相控阵架构应具有数字化和对每个天线元件处发射和接收信号的控制，以及覆盖宽带宽的能力。由于单元级处理和随后的波束成形是数字化的，因此可以针对不同的应用进行重新配置和优化。元件级的数字化为新的处理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了最大的灵活性。例如，给定M个元件和每个元件的不相关噪声，系统的信噪比增加IoIOg（M）o然而，这带来了固有的技术风险和与要处理的数据量和使用不太复杂的收发器相关的实际挑战。图3显示了我们的全数字PAR系统的三种示例模式。图3的左图描绘了几个典型的高灵

8、敏度光束和几个低优先级光束，它们是连续居住在一个区域以收集重要信息所必需的。图3的中间面板描绘了一种时空多路复用范式，可以从监控区域收集独立样本集；这允许用更少的样本收集数据。由于自适应空间滤波可以通过相控阵实现，这极大地证明了相控阵在典型抛物面碟形天线上的使用。最后，图3的右侧面板描述了我们的移动演示器将如何利用团队的成像专业知识来实现快速体积扫描。图3全数字PAR系统的三种示例模式对于任何未来的多任务雷达，多个交错功能实际上是在给定时间范围内满足一系列任务要求的唯一方法，因此通过数字化实现先进的波束成形灵活性至关重要。止匕外，在数字PAR的整个生命周期内，可以通过软件升级而不是昂贵的硬件改

9、造来实施额外的任务，从而节省大量运营和维护成本。下一节概述了ARRC正在设计和建造的S波段双偏振PAR的开发，以实现这些目标。这个系统，我们称之为荷鲁斯，每个极化，每个元件都有一个数字收发器，将成为评估这种方法的好处和挑战的有价值的研究工具。?.“荷鲁斯”雷达的设计理念ARRC目前正在开发一种移动式S波段双偏振相控阵系统。它具有全数字架构，该系统将由1024个双极化元件组成，分为25个8x8面板（16个装有电子设备），如图4所示。每个面板装有八个OctoB1ade”，几乎所有雷达电子设备都位于其中。每个OctoB1ade通过精心设计驱动面板高性能天线阵列的八元件柱，沿主平面具有近乎理想的极化，

10、由一个金属冷却板（传热管道）组成，每侧带有PCB,可容纳总共16个基于GaN的前端（每个元件每个极化10W）,来自AD1公司的4个双通道数字收发器，四个用于处理的前端FPGA和两个用于控制的FPGA。天线子系统及其相关电子设备可以组织在三种主要架构之一中：保形瓦片组件、面板组件（带滑出式OctoB1ade）或由电缆分隔的独立结构。这种带有滑出式OCtoBIadeS的设计提供了最低的维护成本，因为这些电子组件易于热插拔。这种方便的功能非常适合需要数十年使用寿命的地面系统。DAR天线阵面通常，大型阵列的性能取决于它们在阵列背面的数字互连结构。目前使用的是传统和分层拓扑，其可扩展性、灵活性、高带宽等

11、特性有限。例如，有些使用网状拓扑。使用网状拓扑时，中央通道承受了很大的负担。这通常会导致网格中心区域的拥塞。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面拓扑，通过在相反边缘的路由器上引入对称性，往往会通过少量增加资源来缓解不必要的拥塞。许多悬而未决的问题仍然存在，我们认为三个主要问题是：数据传输机制（即RaPidI0,千兆以太网等），部分波束成形的程度和数据路由拓扑（即分层等）。平衡这些问题将允许方便地扩展阵列大小以满足广泛的任务。对于荷鲁斯的正常雷达操作，数字波束成形将通过RaPidIO网络完成，馈送到面板的背面。这将为概念上的多功能PAR系统提供波束带宽产品（例如，在合适的动态范围

12、内提供200MHZ波束）。分层波束成形器减少了层次结构每个级别的数据流数量，并在此过程中执行部分加权和聚合。收缩波束成形器类似，但不是在给定的“阶段”并行聚合数据，而是沿着节点甚至元素的链接串行发送数据，沿途聚合部分波束数据以产生后续处理阶段的输出。实际上，作者已知的每个中等到大型的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/收缩波束成形，波束数量可以根据数字域中的信号带宽进行交换，固定的整体“波束带宽”乘积在前端处理链的每个点上大致保持不变。对于多层层次结构，互连成本与元素数M的对数成比例，而数据和前端处理与M大致成线性比例。两者都随整体系统带宽

13、而扩展。这些类型的考虑因素指导着校准、波束成形和适应的整体交易空间内任何前端DBF架构的设计。最后，RaPidIO支持任意网络架构，如折叠环面，可以减少延迟并提高可靠性，这些将在未来进行探索。图5显示了移动演示器的实验室测量结果。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元件的发射和返回信号。ARRC项目的天线设计重点是实现与WSR-88D抛物面天线相同或更高的性能。这些设计规范至关重要，因为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。双偏振雷达需要低交叉极化水平（优于YOdB）和匹配良好的模式（低于0.1dB）,才能成功确定扫描大气扇区的极化变量。通常，当天线的交叉

14、极化水平增加时，极化变量中的所有偏差都会增加。在8x8阵列的设计过程中，研究了天线元件中的多个因素，这些因素包括：边缘衍射抑制；带宽超过10%,中心频率为2.8GHz；元件中的端口间隔离约为-50dB；在方位平面和仰角平面的扫描范围内，交叉极化水平低于Y5dB,同极失配分别在0。和1。低于6（UodB。仔细校准后；在方位平面和仰角平面的扫描范围内，在10和60处的主动反射系数可以分别达到TOdB。因此，为荷鲁斯开发了一种带有电磁耦合的新型堆叠交叉微带贴片散热器，9图8左侧描绘了其中的8x5面板。散热器和馈电网络被分成两个不同的组件，以防止它们在制造后弯曲。散热器组件由两个导电层和一个与R058

15、80F粘合的RT/Duroid44501Z天线罩组成。随着对宝贵频谱的需求持续增长，现代和下一代雷达面临着在复杂、动态环境中运行的挑战。例如，对能够适应和应对跨频谱的新干扰源的弹性系统的渴望是贯穿陆军现代化战略的共同主题。因此，为了减轻干扰，正在研究在天线开发的同时将静态和频率可重新配置的小型化滤波器集成到天线面板中。这些滤波器基于电容负载、衬底集成波导（S1W）谐振器，该谐振器完全集成到馈电网络组件中。静态滤波器提供额外的带外抑制，可重新配置的滤波器可用于实现带内干扰抑制。?.项目现状和未来研发计划本文总结了一个项目，该项目将通过在每个元件上提供数字的充分灵活性（即，每个元件上的H和V的数字

16、TX和RX）为现代雷达挑战提供解决方案。下面的列表简要总结了使用荷鲁斯系统进行演示的可能性：先进的孔径和波形敏捷性，可同时执行许多不同的任务/物镜；MIMO雷达-多个发射和接收天线；光谱敏捷有源相控阵；先进的DBF,具有更高的角分辨率和广泛的覆盖范围，其中包括自适应波束成形，以改善干扰和杂波抑制；阵列成像-尺寸和成本更小的高效系统；偏振仪的精细控制：单H,单V,斜45,1HC,RHC或任意偏振状态的同步H&V；和使用互耦方法进行原位阵列校准。?.确认作者感谢ARRC工作人员工程师对荷鲁斯设计和建造的奉献。本文基于俄克拉荷马大学支持或部分的研究；美国海军研究办公室，奖励号N00014-18-1-2896；NoAA/海洋和大气研究办公室根据NoAA-俄克拉荷马大学合作协议#NA110AR4320072,美国商务部；和陆军研究办公室根据协议#W9