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:AM illi m eter-W ave Phased-Array Radarand its Application ProgressS 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#6#*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#7#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。