全極化共形相控陣技術(shù)的發(fā)展和挑戰(zhàn)

戴幻堯，楊 晴，雷 昊，李棉全，周 波

(1.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南洛陽(yáng)471003)

(2.中國(guó)兵工工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院， 陜西華陰714200)

(3.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙410073)

0 引言

隨著雷達(dá)極化理論和技術(shù)的發(fā)展，極化已經(jīng)成為現(xiàn)代精細(xì)化、高維度和智能化雷達(dá)不可或缺的技術(shù)手段［1］。具有精確極化測(cè)量能力的全極化相控陣?yán)走_(dá)是未來(lái)多功能相控陣?yán)走_(dá)的重要發(fā)展趨勢(shì)，在氣象觀測(cè)和防空反導(dǎo)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目標(biāo)極化信息獲取的精度是極化應(yīng)用技術(shù)性能的關(guān)鍵因素，精密極化測(cè)量對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理技術(shù)提出了非?？量痰囊?。同時(shí)，共形相控陣的各個(gè)天線單元和載體本身形狀貼合，不同的單元指向可以保證陣列在比較寬的視場(chǎng)范圍內(nèi)克服平面陣列在帶寬和掃描區(qū)域的限制，采用優(yōu)化的波束形成算法和饋電方式甚至可以將波束掃描區(qū)域擴(kuò)大到多個(gè)立體空間，實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)掃描，并且掃描過(guò)程中天線工作性能良好。在相控陣?yán)走_(dá)新需求、新理論、新技術(shù)的需求牽引下，綜合雷達(dá)極化技術(shù)和共形陣列技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文提出了全極化共形相控陣?yán)走_(dá)新技術(shù)的發(fā)展需求，指出全極化天線方向圖綜合與極化控制、全極化信息測(cè)量與校準(zhǔn)、全極化共形相控陣天線設(shè)計(jì)是發(fā)展全極化共形相控陣?yán)走_(dá)的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)所在，也是技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)所在。全極化共形相控陣技術(shù)具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展生存空間，不僅發(fā)揮了雷達(dá)極化技術(shù)在目標(biāo)識(shí)別和電子對(duì)抗領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)，還能夠?yàn)橥庑坞[身、載體賦形、飛機(jī)艦船的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)帶來(lái)好處，有助于進(jìn)一步提高雷達(dá)的性能。

1 全極化共形相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展需求

1.1 全極化共形相控陣的概念

共形相控陣天線是傳統(tǒng)平面陣列天線概念的延拓，將共形陣列天線、相控陣天線、全極化綜合與控制三個(gè)概念、三種技術(shù)進(jìn)行綜合考慮和設(shè)計(jì)，該類陣列是在共形陣基礎(chǔ)上，將各個(gè)陣元設(shè)計(jì)為正交雙極化模式，或者每個(gè)正交極化子陣后面都級(jí)聯(lián)功放、低噪放、移相器、數(shù)字化接收機(jī)等，進(jìn)而在發(fā)射端實(shí)現(xiàn)任意極化合成發(fā)射，在接收端虛擬合成任意接收極化，通過(guò)對(duì)發(fā)射極化和接收極化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，就能夠使波束賦形、極化狀態(tài)、波束掃描方面更加靈活，提高雷達(dá)的工作性能。這種綜合了極化信號(hào)處理優(yōu)勢(shì)的天線稱為“全極化共形相控陣天線”。

1.2 全極化共形相控陣的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景

2006年～2025年，美國(guó)資助“多功能全極化有源相控陣?yán)走_(dá)(Multi-function Phased Array Radar，MPAR)”研究計(jì)劃［2-3］，主要任務(wù)是服務(wù)于國(guó)家安全、天氣監(jiān)測(cè)、空中交通管制等，如圖1所示。全極化多功能相控陣?yán)走_(dá)可同時(shí)監(jiān)測(cè)氣象目標(biāo)和非氣象目標(biāo)，非氣象目標(biāo)的探測(cè)包括空中飛行器的跟蹤、生物探測(cè)等，還可以探測(cè)飛機(jī)尾流等威脅機(jī)場(chǎng)安全的環(huán)境。如果未來(lái)的雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)采用這樣一部多功能多任務(wù)的相控陣?yán)走_(dá)替代八種單任務(wù)雷達(dá)(包括氣象雷達(dá)、空管雷達(dá)和邊境防御雷達(dá)等)，可使美國(guó)本土的雷達(dá)總數(shù)減少35% ～40%。

圖1 美國(guó)多功能相控陣?yán)走_(dá)(MPAR)計(jì)劃

2009年，在MPAR計(jì)劃以及美國(guó)海軍和陸軍的支持下，洛克希德-馬丁公司計(jì)劃將宙斯盾(SPY-1A)相控陣?yán)走_(dá)和EQ-36火控雷達(dá)改造為全極化有源相控陣?yán)走_(dá)，改造后SPY-1A和EQ-36雷達(dá)系統(tǒng)如圖2所示。2012年，美國(guó)空軍聯(lián)合工業(yè)部門研制雙極化相控陣天線，以部署更加隱蔽的無(wú)源雷達(dá)來(lái)完成飛行目標(biāo)的警戒。

1.2.1 顯著提高雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別、抗干擾能力

雷達(dá)極化技術(shù)近年來(lái)受到極大關(guān)注和發(fā)展，為提高雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)創(chuàng)造了相當(dāng)大的空間。一方面，雷達(dá)對(duì)多個(gè)極化通道的回波信號(hào)進(jìn)行虛擬匹配或失配處理，可以提高雷達(dá)對(duì)信號(hào)環(huán)境、地物海雜波的感知和抑制能力，提高檢測(cè)性能;另一方面，通過(guò)目標(biāo)全極化測(cè)量技術(shù)，可以獲得目標(biāo)完整的極化散射矩陣(四路信息)，包括幅度特性和相位特性，進(jìn)而還可以提取反射率、差反射率、差相移、差相移率、共極化相關(guān)系數(shù)、退極化比等，這些信息的進(jìn)一步利用為目標(biāo)識(shí)別提供了更加全面、豐富的信息，有助于提升目標(biāo)的正確識(shí)別概率。

圖2 部分投入使用或計(jì)劃研制的全極化相控陣?yán)走_(dá)

1.2.2 顯著提高相控陣的視場(chǎng)范圍

傳統(tǒng)平面相控陣天線因?yàn)榇蟮膾呙杞且詂osθ規(guī)律嚴(yán)重壓縮了平面陣列的口徑面積，使得天線波束形狀展寬，天線增益和極化純度都有所下降;同時(shí)，相控陣天線單元之間存在隨掃描角改變而變化的互耦，較大的移相激勵(lì)會(huì)使陣列輻射功率因互耦干涉而銳減，甚至完全抵消，出現(xiàn)“掃描盲點(diǎn)”。一般波束掃描±60°時(shí)，天線增益下降3 dB～5 dB，波束寬度增至2～3倍，副瓣電平提高5 dB～10 dB，并伴隨波束形狀的嚴(yán)重畸變［3-5］。

共形相控陣的各個(gè)天線單元和載體本身形狀貼合，不同的單元指向可以保證陣列在比較寬的視場(chǎng)范圍內(nèi)克服平面陣列在帶寬和掃描區(qū)域的限制，采用優(yōu)化的波束形成算法和饋電方式甚至可以將波束掃描區(qū)域擴(kuò)大到多個(gè)立體空間實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)掃描，并且掃描過(guò)程中天線工作性能良好。因此，裝配共形天線的戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)和彈載導(dǎo)引頭雷達(dá)可以在更大范圍內(nèi)控制波束掃描，進(jìn)行精確的跟蹤和制導(dǎo)。

1.2.3 顯著增大天線陣列口徑

現(xiàn)代武器裝備在設(shè)計(jì)階段就要考慮避免天線結(jié)構(gòu)載體平臺(tái)動(dòng)力學(xué)性能的影響。為了提高雷達(dá)功率口徑積和雷達(dá)的角度分辨率和距離分辨率，就需要綜合考慮雷達(dá)天線的尺寸。對(duì)于海面預(yù)警雷達(dá)應(yīng)用，雷達(dá)天線往往需要安裝在艦船的艙室外部和上層建筑上;對(duì)于機(jī)載應(yīng)用［6］，雷達(dá)天線需要安裝在戰(zhàn)斗機(jī)或預(yù)警機(jī)的整流罩、機(jī)翼和飛機(jī)背部;對(duì)于地基應(yīng)用，雷達(dá)天線需要安裝在移動(dòng)或固定的雷達(dá)車(站)上。因此，如果天線陣面如果能夠利用機(jī)身或機(jī)翼的巨大表面作為天線口徑，就能夠獲得更多的等效口徑面積，提高天線增益水平，滿足遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)的要求，在一定條件下獲得最優(yōu)的工作性能。

1.2.4 提高隱身氣動(dòng)一體化外形設(shè)計(jì)

在一定頻段范圍內(nèi)，雷達(dá)目標(biāo)散射截面積是衡量目標(biāo)隱身性能的重要評(píng)價(jià)因素之一。為了減少雷達(dá)后向散射強(qiáng)度，降低目標(biāo)的雷達(dá)可探測(cè)性，現(xiàn)代電子作戰(zhàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)會(huì)盡量考慮包括進(jìn)氣道、天線和天線艙、機(jī)翼和尾翼、縫隙和邊緣在內(nèi)的主散射源分布和外形設(shè)計(jì)，降低和控制關(guān)鍵表面反射源的朝向。同時(shí)，電子戰(zhàn)作戰(zhàn)平臺(tái)還需要滿足既定的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，達(dá)到飛行、運(yùn)動(dòng)中的空氣動(dòng)力學(xué)要求，最優(yōu)的方案就是天線共形設(shè)計(jì)，使共形天線和機(jī)身表面外形相匹配，不用再為適應(yīng)飛機(jī)外形再進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，就可以在不破壞氣動(dòng)性的同時(shí)保證雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)的射頻正常運(yùn)作，提高作戰(zhàn)平臺(tái)的隱身性能。

2 全極化相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)

盡管軍用雷達(dá)在相控陣技術(shù)上已經(jīng)具有長(zhǎng)期的研制和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但是，很少有全極化技術(shù)和極化信息在相控陣?yán)走_(dá)上的應(yīng)用技術(shù)的報(bào)道。將先進(jìn)的相控陣技術(shù)與雷達(dá)極化技術(shù)相結(jié)合，研制具有精確極化測(cè)量能力的相控陣?yán)走_(dá)是當(dāng)前國(guó)際雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。作為未來(lái)多功能相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)外已在全極化有源相控陣?yán)走_(dá)的理論分析及其系統(tǒng)研制等方面進(jìn)行了較為深入的研究。而國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的研究基本還處于起步階段，相關(guān)研究工作還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。為縮小與國(guó)外的差距，當(dāng)前亟需開(kāi)展極化相控陣?yán)走_(dá)理論分析、信號(hào)處理方法、系統(tǒng)研制等方面的研究工作，為極化相控陣技術(shù)在氣象雷達(dá)、防空反導(dǎo)雷達(dá)和艦載多功能雷達(dá)的應(yīng)用提供全面、系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。

2.1 全極化方向圖綜合與極化控制技術(shù)

方向圖綜合是實(shí)現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)波束掃描控制的前提。傳統(tǒng)的方向圖綜合方法通常將陣列合成方向圖近似為陣元方向圖與陣列因子的乘積，忽略了陣元之間的方向圖差異以及陣列合成的極化特性。如果僅對(duì)陣因子進(jìn)行控制，將導(dǎo)致合成波束的極化特性會(huì)隨著掃描角的變化而改變，使得雷達(dá)的極化信息獲取敏感于波束指向角，即相同的極化信息在不同的來(lái)波到達(dá)角度下體現(xiàn)出不同的陣列響應(yīng)。此外，由于各個(gè)陣元的功率方向圖存在差異，會(huì)導(dǎo)致合成波束的功率特性與設(shè)計(jì)的陣列因子方向圖不完全吻合，包括旁瓣電平、差波束零點(diǎn)深度、差斜率等。因此，為了實(shí)現(xiàn)全極化相控陣?yán)走_(dá)靈活的空間波束掃描，并且精確地獲取目標(biāo)極化信息，需要對(duì)陣列合成方向圖的功率和極化特性同時(shí)進(jìn)行控制。

文獻(xiàn)［4］提出了方向圖綜合-極化獨(dú)立控制方法。先通過(guò)最小二乘估計(jì)得到陣列互耦矩陣;然后對(duì)各個(gè)陣元的有源方向圖進(jìn)行互耦補(bǔ)償，使各個(gè)陣元的輻射特性(包括功率和極化特性)趨向一致，從而將陣列方向圖綜合簡(jiǎn)化為傳統(tǒng)的陣列因子綜合;也可以通過(guò)對(duì)每個(gè)陣元的極化特性進(jìn)行控制，使每個(gè)陣元的極化特性相同，同樣讓矢量方向圖綜合簡(jiǎn)化為標(biāo)量的陣因子綜合。圖3比較了極化控制前后的方向圖特性。經(jīng)過(guò)極化控制后主極化方向圖在主瓣內(nèi)完全一致，其交叉極化分量在波束指向角位置形成零點(diǎn)，極化控制可以在波束指向角的位置合成了所需要的45°線極化。

圖3 經(jīng)極化控制后方向圖綜合

2.2 全極化信息測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)

雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別理論認(rèn)為，從目標(biāo)或干擾的全極化散射矩陣(即S矩陣)出發(fā)，可以得到一系列用于目標(biāo)分類與識(shí)別的極化特征量。但是，極化散射矩陣等極化參數(shù)的估計(jì)精度將影響雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的性能。極化通道幅度相位一致性、極化測(cè)量信號(hào)的空間正交性、極化系統(tǒng)校準(zhǔn)誤差、以及天線的交叉極化抑制程度四個(gè)因素決定了散射矩陣的估計(jì)精度。因此，天線設(shè)計(jì)人員希望將相控陣天線的交叉極化抑制得很好，并且不希望在寬帶寬角掃描情況下天線的極化特性發(fā)生變化，將給S矩陣測(cè)量帶來(lái)兩方面的問(wèn)題:(1)不同波束指向角度下的雷達(dá)觀測(cè)極化基差異會(huì)導(dǎo)致不同波束指向下對(duì)固定姿態(tài)的目標(biāo)觀測(cè)得到的極化散射矩陣不同;(2)天線的交叉極化抑制比隨著波束掃描角度增大，會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)S矩陣測(cè)量性能降低。在寬角掃描條件下，即使是理想天線也不可避免地會(huì)產(chǎn)生很大的極化測(cè)量誤差。

提高極化測(cè)量精度的前提就是極化校準(zhǔn)。對(duì)相控陣?yán)走_(dá)天線及其T/R組件鏈路進(jìn)行校準(zhǔn)的目的是形成完全正交的H、V極化波束，減小因天線交叉極化導(dǎo)致的目標(biāo)散射矩陣元素之間的相互干擾。可以把這項(xiàng)工作認(rèn)為是方向圖綜合與極化控制技術(shù)聯(lián)合優(yōu)化一種特殊應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)聯(lián)合極化校準(zhǔn)后，交叉極化在主瓣內(nèi)小于-60 dB，并且旁瓣小于-30 dB，克服了獨(dú)立極化校準(zhǔn)導(dǎo)致旁瓣電平上升的缺陷。對(duì)全極化相控陣?yán)走_(dá)天線發(fā)射和接收波束都進(jìn)行極化校準(zhǔn)后，差分反射率和互相關(guān)系數(shù)的估計(jì)能夠達(dá)到理想結(jié)果，其偏差都小于0.000 1，如圖 4 所示［4］。

圖4 發(fā)射接收校準(zhǔn)前后目標(biāo)極化參數(shù)的測(cè)量誤差

2.3 全極化共形相控陣天線設(shè)計(jì)技術(shù)

盡管變極化器能夠在一定程度上改善相控陣系統(tǒng)的極化信息處理能力，但是變極化器具有變換速度慢、極化捷變?nèi)狈`活性等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制和影響了相控陣系統(tǒng)的極化信息處理能力。另外，隨著相控陣和極化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，簡(jiǎn)單的變極化和多極化方式也難以滿足現(xiàn)代極化相控陣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。隨著半導(dǎo)體器件(PIN二極管，變?nèi)荻O管和砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管)，射頻MEMS技術(shù)的發(fā)展，全極化陣列天線逐漸成為相控陣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)極化分集的主要途徑［7-10］。

在MPAR計(jì)劃的支持下，美國(guó)的工業(yè)部門、大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室相繼開(kāi)展了全極化相控陣?yán)走_(dá)天線與系統(tǒng)研制工作，目前已經(jīng)研制成功或者正在研制的中、小型全極化雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括以下四個(gè):

1)美國(guó)馬薩諸塞州立大學(xué)設(shè)計(jì)并研制了一種X波段的一維電掃全極化相控陣天線，該天線包含64列陣元，每列陣元由32個(gè)串聯(lián)饋電的全極化口徑耦合微帶天線組成［11-16］，如圖5所示。

圖5 馬薩諸塞州立大學(xué)設(shè)計(jì)的一維電掃全極化相控陣天線

2)普渡大學(xué)(Purdue University)研制了一種S波段全極化數(shù)字陣列天線子陣，該子陣采納單元級(jí)數(shù)字化方案［2］，包含了8×1個(gè)全極化口徑耦合微帶天線，每個(gè)子陣的兩個(gè)端口分別連接獨(dú)立的數(shù)字化T/R組件，如圖6所示。

圖6 普渡大學(xué)設(shè)計(jì)的全極化數(shù)字陣列

3)林肯實(shí)驗(yàn)室和M/A-COM公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種S波段全極化平面相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，用于MPAR技術(shù)的演示驗(yàn)證［2］，當(dāng)前已完成了8×8子陣的研制，如圖7所示。為實(shí)現(xiàn)低交叉極化性能，每個(gè)天線陣元采用了平衡饋電的多層全極化微帶天線。

圖7 林肯實(shí)驗(yàn)室的全極化相控陣設(shè)計(jì)方案

3 全極化共形相控陣的技術(shù)挑戰(zhàn)

陣列單元電流(或極化)取向各異，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為各陣元極化分量貢獻(xiàn)的矢量和［17-18］，因此共形陣列輻射場(chǎng)的交叉極化分量偏高。如果在覆蓋的空間掃描范圍將交叉極化抑制在一定的水平以下，保證陣列所有單元具有相同的方向圖、最大值指向和一致的極化取向，并且能夠在發(fā)射端控制輻射電磁波的極化狀態(tài)，在數(shù)字接收端實(shí)現(xiàn)任意虛擬極化接收，這是對(duì)天線設(shè)計(jì)研究的一種挑戰(zhàn)。對(duì)飛機(jī)和導(dǎo)彈等載體來(lái)說(shuō)，本身振動(dòng)和動(dòng)態(tài)變形對(duì)天線陣面也有較大影響，這些因素相互交織、共同作用，體現(xiàn)了共形相控陣的優(yōu)勢(shì)特征和關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，在通信領(lǐng)域不少平面陣或規(guī)則環(huán)形陣已經(jīng)初步具備了正交極化的接收和處理能力，在對(duì)抗多徑效應(yīng)、信道損耗等方面展現(xiàn)了良好的技術(shù)潛力。采用正交極化發(fā)射和正交極化接收的天線陣列單元技術(shù)也日趨成熟，隨著信號(hào)處理水平、方向圖綜合算法的快速發(fā)展，更多的單極化雷達(dá)將逐漸被全極化雷達(dá)取代，更多的相控陣天線將采取柔性、共形設(shè)計(jì)，擁有任意極化狀態(tài)捷變能力的全極化共形相控陣技術(shù)無(wú)疑將是未來(lái)電子信息裝備特別是雷達(dá)通信電子戰(zhàn)一體化裝備發(fā)展優(yōu)先采取的技術(shù)方案。

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