數字陣列雷達發射多波束的若干關鍵技術*

魯加國

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著現代雷達技術的發展和應用推廣，多波束技術體制雷達越來越受到重視。多波束形成技術，可以充分發揮現代雷達的多功能、多模式以及多目標探測等優勢[1]。目前實現接收同時多波束技術已較為成熟；而雷達發射多波束技術則更為復雜，要實現架構簡單、性能優越和靈活可控的雷達發射多波束，不僅需要與其匹配的雷達系統技術體制，還需要電子信息、微電子和材料等諸多相關學科的技術支撐。因此，如何形成發射多波束來匹配接收多波束，最大程度挖掘雷達的優勢，成為現代雷達研究和發展的重點方向。

1 發射多波束技術應用

雷達發射多波束技術可以應對新形勢下探測目標特性和環境的變化，在多種復雜應用場景中滿足雷達的作戰和任務需求。下面舉例說明。

1.1 在機載多功能監視雷達中的應用

機載多功能監視雷達已經在軍事和民用領域得到了廣泛應用，其具備的廣域搜索能力，可實現方位向上的大范圍覆蓋。將發射多波束技術應用于機載多功能監視雷達中，可以大幅提高機載多功能監視雷達的工作效率和時效性，并增強雷達抑制雜波的能力，實現雷達對空、海、地、成像、動目標、通信等多任務同時工作，如圖1所示。集成發射多波束技術的機載監視雷達主要特點有：

圖1 機載多功能監視雷達多任務同時工作

1) 同時搜索/跟蹤、多區域同時搜索以及同時多目標跟蹤，提高數據率和跟蹤精度。

2) 同時完成雷達成像和動目標探測工作模式，例如同時成像和動目標監測、跟蹤。

3) 同時多區域成像。如雷達平放在機腹下方可同時完成飛機雙側成像，或側視同時多波位成像，來匹配導航等應用場景。

4) 高分辨率寬測繪帶成像，賦予其他非雷達功能。

1.2 在新一代防空反導多功能雷達中的應用

與防空預警相比，反導預警的區域和空間更加寬泛，將發射多波束技術應用于新一代防空反導預警雷達，可以實現防空反導一體化，并充分利用雷達發射波束控制靈活、覆蓋空域大的優點，根據作戰需要設計多種針對不同目標類型和雜波背景工作模式，如圖2所示。集成發射多波束技術的防空反導預警雷達一體化突出的優勢在于：

圖2 防空反導一體化多功能雷達工作場景

1) 與數字陣列雷達技術的結合，可提高雷達的探測能力。在空域上，雷達的搜索、跟蹤區域不再固定受限，發射多波束技術可根據探測需求，靈活控制波束指向，同時搜索、跟蹤大范圍、多區域目標；在時域上，采用發射多波束技術，雷達可與獨立形成搜索和跟蹤波束，同時進行目標搜索和跟蹤任務，提高雷達的探測效率。

2) 提高雷達的抗干擾能力。首先，針對無源干擾情況，發射多波束可采用自適應算法實現波束的自適應零陷控制，將發射波束指向目標期望方向，而使零陷位置對準干擾源方向，降低無源干擾的影響。其次，面對復雜敵意干擾源，結合多輸入多輸出技術(MIMO，Multiple Input Multiple Output),采用多波束干擾抑制以及波束捷變等方法，實現對復雜敵意干擾的抑制。此外，發射多波束也可以滿足在正常工作的同時，發射干擾波束，掩護自身信號特性，為增加敵方干擾難度。

3) 相比常規雷達分時探測技術，發射多波束技術可滿足針對不同區域任務的需求，發射相應的波束，并結合相控陣雷達多功能、多任務的優勢，可以實現多任務的實時處理，進一步提升了雷達的作戰能力。

1.3 偵干探通遙多功能系統中的應用

偵干探通多功能系統采用多個發射波束共用一個射頻口徑的方式實現雷達、偵察、干擾和通信等多功能，完成目標搜索與跟蹤、導彈制導和控制、偵察與干擾等任務，如圖3所示。

圖3 機載偵干探通多功能系統的構想圖

目前，偵干探通多功能系統尚處于探索創新階段，但如果在偵干探通遙多功能系統中結合數字陣列，集成同時發射多波束技術，必將大幅提升系統的功能和性能。具體分析如下：

1) 提高雷達的作戰性能。相同的條件下，電子偵察系統的作用距離遠大于雷達，可先于雷達發現目標，電子偵察系統可為雷達作目標指示。

2) 提高雷達的抗干擾能力。如果雷達發射的波形與干擾相似，會增加敵方干擾系統分選、識別威脅的難度，也可能被其偵察系統誤認為純干擾而不采取對抗措施，因此可減小雷達遭受有源和無源電子干擾的概率。

3) 提高雷達的生存率。利用電子偵察設備的距離優勢，作戰平臺可隱蔽接近目標，直到目標進入武器系統作用范圍才發射信號，可縮短雷達發射信號和平臺暴露的時間。

4) 改善干擾的效果。偵干探通一體化系統具備一維信號分選、識別參數功能，可大大降低虛警，增加信息的可靠度，可利用雷達提供的目標信息，實現自適應干擾。

5) 利于干擾效果評估。電子偵察系統利用雷達提供的目標距離和航跡等信息，判斷干擾效果，以便選擇最佳干擾樣式，獲得最好的干擾效果。

2 研究現狀和發展趨勢

多波束形成技術的研究始于20世紀60年代，經過50多年的發展，在多波束形成方面已經取得了許多成果[2-4]。多波束形成經歷了從經典的矩陣網絡式多波束、透鏡式多波束到相控陣多波束的演變；未來，結合數字陣列體制形成多波束將成為研究和發展的主要趨勢。

2.1 經典的發射多波束

早期主要通過模擬的方式來實現多波束的形成，即在射頻或中頻通過硬件方式形成多個波束，例如Blass、Butler、Rotman多波束矩陣網絡等，這類方法因為具有無損增益，各波束之間是正交的、結構簡單、成本低等優點被廣泛應用。但這類方法也存在明顯的缺點：波束網絡方案確定之后，波束的形狀、指向和相鄰波束的相交電平等特性也隨之固定，難以改動；硬件設備量也會隨著發射波束數目的增多而增加，大幅增加了雷達系統的成本。

此外，利用典型的龍伯透鏡天線也可在全空間形成多波束，并保持每個波束增益相同。由于球形龍伯透鏡天線安裝相對復雜，因此結構更為簡單的柱面龍伯透鏡天線近年來受到了更多重視和研究。

2.2 有源相控陣發射多波束

有源相控陣實現波束掃描發射多波束需要多個射頻功率合成網絡，射頻功率合成網絡與天線單元相連的支路具有相位調節功能，一般發射波束的數目同射頻功率合成網絡數目相同。多波束發射有源相控陣雷達系統較為復雜[5]，天線單元發射的信號，先經過移相器，接著按子陣相加，然后進行放大，分路、配相后送相加器形成多波束發射，其原理如圖4所示。

圖4 有源相控陣天線子陣多波束

天線陣面劃分為多個獨立可控的天線子陣，形成多個同時異頻發射波束，并實現多個異頻發射的信號同時接收，相當于多套雷達同時工作，在任務調度時，單任務或多任務并行排隊，請求信息平均分到多個陣列天線子陣里進行控制。

有源相控陣發射多波束的優點是不同子陣的陣面放大器只放大單頻信號，沒有交調信號，空間頻譜干凈，也沒有大信號壓小信號的現象[6]，缺點是多波束的形成降低了天線的孔徑增益，在設計中需要綜合考慮。

2.3 發展趨勢

經典的矩陣網絡和透鏡多波束形成的研究時間較長，但實際多在雷達接收多波束上有應用[7]；由于這兩種方法存在形成波束的數量固定、波束難以掃描、系統架構復雜、研制成本高等問題，在雷達發射多波束技術領域難以廣泛應用。

相控陣雷達實現接收/發射多波束方式常用的方法，是在時間上交錯地發射不同頻率的波束實現發射多波束，多套射頻網絡合成形成接收多波束，在實際裝備中已有應用[8]。數字陣列雷達是新一代相控陣雷達，經過30多年的應用發展，具備或超過了常規相控陣雷達的功能和性能，例如，數字陣列雷達接收多波束是在數字域實現的，形成接收多波束不需要額外的波束形成矩陣網絡或透鏡。

眾所周知，天線孔徑面積對提高雷達性能有非常重要的意義。數字陣列同孔徑發射多波束形成的實質是在數字域進行幅度和相位加權，然后通過多波束數字域疊加的方式進行同孔徑多波束形成，如圖5所示，最大限度利用了天線增益。數字陣列實現同孔徑發射多波束要求多波束在空域、頻域不能重疊，相對單波束，多波束中每個波束能量降低。多波束以犧牲頻譜資源和發射能量資源作為代價，獲得了增益優勢。

圖5 同孔徑天線發射多波束

數字陣列雷達發射信號的帶寬越寬，可形成的波束數越少。發射多波束的每個波束都是在基帶形成，且需要不同的時間延遲和相位加權。由于這些加權系數的運算都是在數字域實現的，因而能夠以緊湊的硬件結構完成復雜的功能，尤其在形成的波束數量很多時，硬件的復雜度也會增加。但是，無論是采用時域還是頻域方式處理，由成百上千個通道的高速數字信號帶來的數據量和計算量對波束形成信號處理的實時性提出了嚴峻的挑戰[9]。

3 數字陣列雷達發射多波束關鍵技術

數字陣列雷達發射多波束的核心是與多波束相對應的多頻率數字化信號產生，其主要作用包括3個方面：一是產生數字陣列天線發射多波束所需的多頻率波形信號；二是提供發射多波束形成所需的不同相位；三是大數字陣列天線波束掃描時，為了補償天線孔徑渡越時間，提供數字陣列天線發射不同波束瞬時帶寬工作所需的時間延遲。從數字陣列雷達發射多波束的角度來說，有波束帶寬積提升、多路相位同步、分布式相參頻率源、高效率實現、雷達資源的管理和控制等值得研究的關鍵技術。

3.1 波束帶寬積提升技術

單元級數字陣列天線發射多波束帶寬積，定義為天線發射波束數量與帶寬的乘積。增大波束帶寬積可有效提升數字陣列的性能；在數字陣列中，形成大波束帶寬積，實質上是利用數字轉化技術生成多帶寬復雜信號。由于數模轉換器(DAC)的轉換速率與寬帶信號的帶寬密切相關。近年來研究人員投入了大量的精力研究各種等效提高DAC轉換速率的方法，而這些方法中，又以基于時間交替的多DAC并行技術最為受到廣大研究人員的關注[10]。

通過采用基于時間交替的多DAC(Time Interleaved Digital-to-Analog Converter，TI-DAC)并行技術可以提高DAC采樣率，從而提高大波束帶寬積，如圖6所示。但是，復雜信號的帶寬卻受到了單個子DAC零階保持特性的限制。為了突破該限制，需要研究多通道DAC技術和基于頻帶交織的多DAC(Bandwidth Interleaving Digital-to-Analog Converter，BI-DAC)并行技術[11]。

圖6 基于時間交替的多DAC并行示意圖

在BI-DAC中，存在著各種系統內部誤差，包括時延誤差、相位偏移誤差和混疊誤差等，最終導致BI-DAC所生成的寬帶復雜信號失真。為了在實現高帶寬的同時，提高BI-DAC所生成寬帶復雜信號的頻譜質量，需要校準BI-DAC中時延誤差、相位偏移誤差和混疊誤差，并進行誤差補償[12-15]。

3.2 多路相位同步

在數字陣列雷達中實現發射多波束，需要多路激勵信號之間的相位同步，來達到準確測量、精確定位、精確成像的目的[16]。傳統的直接頻率合成手段，由于產生不同頻率所需要的信號路徑不同，鏈路中包含的放大、混頻器件數量也不盡相同，因此在多路輸出以及頻率切換時，很難保證輸出激勵源的相位連續與同步。而且傳統的鎖相環頻率合成，由于小數分頻比的相位隨機性以及器件相位特性的溫度漂移也很難保證電路的穩定工作。

直接數字合成(DDS)技術是具有頻率轉換時間短、頻率分辨率高、相位輸出連續、可編程控制、全數字化結構、便于集成等優點，但是基于DDS的寬帶數字發射系統的多通道高精度同步是研究的難點[17]。多DDS芯片精確同步的難易程度，在相當程度上是取決于DDS芯片使用的最高參考時鐘頻率，如果參考時鐘頻率越高，則多個DDS芯片輸出信號間精確相位同步就越困難。通常以DDS的時鐘系統作為切入點，從采樣系統的角度分析討論了針對不同時鐘系統，著重研究DDS的相位同步方法。

高速率參考時鐘的相位同步的關鍵要點之一，是內部輔助電路的工作時鐘。由于內部輔助電路的工作時鐘是由參考時鐘分頻得來，所以即使參考時鐘是同步的，輔助電路工作時鐘也未必是同步的，這就導致即使控制電路送給 DDS的數據更新信號同步，數據更新過程也無法同步。圖7所示是一種DDS輔助同步電路示意圖。

圖7 輔助同步電路示意圖

在實際應用時，還需關注多通道高速數字信號處理硬件的成本和設備復雜度，多通道高速信號處理的高數據率傳輸和信號處理的大計算量，高速數模、模數轉換模塊和信號處理硬件的功耗和散熱，以及精確數字延時的產生對高速數字信號通道間、板間互聯以及同步的要求。如FPGA、DAC等數字硬件的同步僅能實現一定的粗同步條件(一般在納秒級)，滿足寬帶數字波束形成的精確同步(皮秒級)還需要在數字信號處理算法中實現。

3.3 分布式相參頻率源

由于數字陣列天線波束靈敏度高、易于控制且信號合成后可獲得很高的信噪比，因此數字陣列雷達在強雜波下對極弱動目標具有很強的檢測能力。若要發揮數字陣列天線上述技術優勢，其涉及的信號噪聲必須是非相參的，否則將無法實現期望的合成效果，如圖8所示。對于收發通道的放大器噪聲和AD、DA變換的量化噪聲，其非相參假設是成立的，而對于頻率源系統的相位噪聲，其特性卻復雜得多[7]。

圖8 多路合成提高發射信號信噪比

除目標本身特性外，限制雷達信噪比主要有兩個因素：一是接收機內噪聲，即接收機通道噪聲和頻率源相位噪聲；二是發射信號噪聲，即發射放大鏈路噪聲和頻率源相位噪聲。在回波信號幅度一定時，常規雷達回波最大信噪比主要限制于接收機噪聲系數，而數字陣列雷達每個通道間的熱噪聲是非相參的，可以通過合成實現噪聲抑制，回波最大信噪比限制于頻率源相位噪聲和發射信號的信噪比，例如數字陣列雷達要采用噪聲非相參的分布式頻率源，以獲得更好的信噪比得益。

數字陣列雷達頻率源主要設計問題，是噪聲相參體制與噪聲非相參體制的選擇、本振源噪聲非相參設計、采樣時鐘同步和高穩定基準源的傳輸等。需要說明的是，這里的非相參是指其相位噪聲，而信號必須是相參的。

此外，由于天線陣列單元相位不一致影響合成效果和波束指向精度，同時采樣時鐘相位變化嚴重時，將會使系統時序紊亂，因此數字陣列天線分布式源相位是必須一致的。

3.4 高效率實現技術

提高末級功率放大器的效率和降低前級低噪聲放大器的噪聲系統是射頻集成電路設計師的永恒追求。數字陣列雷達有成千上萬個天線單元，對應著成千上萬個數字信號與射頻信號相互變換的通道，保證各通道間幅度、時間和相位滿足一定的關系，以及各通道內發射多波束對應頻率與帶寬信號的幅度和相位一致性，是發射多波束高效率形成的基礎。

數字陣列的每個通道有各種非線性器件，如放大器、混頻器等是制約通道的雙音無虛假動態范圍的關鍵因素[18]。雖然混頻器和放大器都是非線性器件，但兩者重要的區別在于混頻器正是利用其非線性達到頻率變換的目的，需要研究混頻器交調特性特別是雙音交調特性通道性能的影響，如調制帶寬、功率損耗、鏡像頻率、雜散干擾等。

由于同時發射多個不同射頻信號會導致發射多波束的合信號的包絡不恒定，這就對功率放大器的線性度提出了要求。目前采用讓功率放大器工作在線性區的方式來實現發射多波束，這樣能很好控制多波束的幅度和相位加權。如果功率放大器工作在非線性區，就會導致射頻信號與串擾信號線性相加后的幅度失真和互調失真。當出現失真時，增益會隨著輸入信號增大而降低，即增益壓縮現象。隨著輸入信號功率的增加，功率放大器非線性產生的干擾信號能量的比例也隨著增加，功率放大器會慢慢體現出非線性，使得發射的信號發生變化，從而影響天線的發射方向圖。

高效率的線性功率放大器設計成為我們面臨的巨大挑戰。傳統的功率放大器的輸出端口采用包絡調制器調制的動態電源功率放大器代替固定電源的功率放大器方法，可以通過迫使功率放大器工作在飽和區域以顯著提高系統的效率。為了充分利用這種優勢，能夠高效率放大寬帶包絡信號的包絡放大器設計尤為重要，不僅要關注線性功率放大器的設計，而且著重研究和設計了用于寬帶包絡信號的高效率包絡放大器，在功率回退處的效率大幅下降，包絡消除與恢復[19-20]和包絡跟蹤技術可以增強功率放大器的效率[21-25]，可有效改善功率放大器的效率。

3.5 雷達資源的管理和控制

發射多波束數字陣列雷達可以靈活地控制發射多波束數量，改變發射波的照射方向，選擇需要照射的目標，調整發射功率、駐留時間與波束寬度等參數。這些特性極大地增加了數字陣列雷達的資源管理、優化控制復雜性。需要加強數字陣列雷達的發射與接收時間分配、駐留時間、重訪時間與波束寬度等雷達資源進行合理的管理和控制，以達到減少雷達消耗功率，提高測量、跟蹤精度，提高跟蹤目標的數量，節約時間消耗等效果。

目前雷達資源優化的研究工作，主要集中對雷達發射功率的優化與電磁波照射目標的重訪時間間隔的調整[26-27]。對于雷達發射功率資源的管理，通常采用對目標跟蹤的按威脅等級控制功率方法，基于信噪比、測量噪聲協方差的克拉美羅下界和輻射功率三者之間的關系[28]，對相控陣雷達工作參數進行控制，自適應設計下一時刻的輻射功率，提高雷達系統對輻射功率控制能力。

常規相控陣雷達的時間資源管理，主要集中在調節雷達照射目標的駐留時間或重訪時間間隔方面[29-30]，在雷達時間資源有限的條件下，按照目標的優先級與威脅程度，對駐留時間進行波調分析時，只是關注雷達數據率、波位重疊率等參數與單個波位內時間資源消耗的關系。相控陣雷達因其波束數量多、目標反應和刷新速度快的特點，能夠滿足多目標、多類型等復雜環境下的任務要求。

常規相控陣雷達用波束在空間快速捷變等效實現同時發射多波束，也可理解為時分多波束。為了提高雷達的搜索數據率，一個可行方法就是使用同時接收多波束，在需要觀測的空間同時用多個波束進行照射。如圖9(a)所示，在一個周期內，將3個信號發往3個不同的方向，形成3個發射波束，而在接收端同時形成10個接收波束，如圖9(b)所示。此時，搜索時間將減少2/3，數據率將提升3倍。

圖9 同時多波束時空簡圖

上述研究不能滿足數字陣列雷達的發射波束數量和指向、分配波束重返照射時間和波束駐留時間等問題，為保證數字陣列雷達探測性能和進一步減輕系統資源負擔，新的數字陣列波束和時間資源管理算法有待被挖掘，新算法的研究需要關注以下兩個方面：

一方面要研究發射/接收多波束與多波位的匹配問題。發射/接收多波束與多波位之間的匹配實質上是優化策略和方法研究，與雷達的應用場景有關，例如，對防空反導雷達來說，波位駐留時間會限制數字陣列雷達進行脈沖積累時所能采用的脈沖個數，直接影響對目標的探測概率和探測距離等性能指標。多個波位內數字陣列雷達執行任務消耗的時間資源，會影響波位排布時每個波位所需分配駐留時間的最小值，從而影響雷達波位排布方式的選擇。

另一方面要研究發射多波束與接收多波束的匹配問題。由于被探測目標的距離不同、屬性不同，雷達的多目標回波信號到達雷達的時間不同；同時，雷達信號的發射和接收無法同時進行，對多任務和多目標探測的發射多波束雷達，雷達資源的管理和控制復雜度大幅度增加，在特定應用場合，需要研究雷達發射波束數量、接收波束數量、發射/接收信號工作時序關系等資源優化管理和控制策略。

4 結束語

單元級數字陣列雷達發射多波束是數字陣列技術再創新的重要研究領域之一，是推動多功能雷達探測性能跨代提升的新手段，是帶動材料、微電子和電子信息等多學科的交叉融合創新的重要路徑。相信未來的單元級數字陣列發射多波束將在雷達探測性能和功能方面取得巨大的進步，從數字雷達系統應用的角度，大力挖掘和研究數字陣列雷達發射多波束關鍵技術，必將極大推動新一代多功能數字陣列雷達的問世。