現代艦載雷達系統，有源相控陣的子系統分析

海軍艦載雷達系統當前和未來的需求是由快速演變的威脅目標推動的，威脅目標包括巡航導彈和戰術彈道導彈。

為了應對這些威脅，陣列天線必須以更寬的帶寬工作，具有更高的靈敏度、更強的輻射功率，改善系統穩定性和電子防護措施，以應對雷達反射截面積變小的威脅目標。

此外，簡化陣列特徵、控制採購、運行和維護成本的需求也日益增多。有源相控陣天線已成為符合海軍艦載雷達系統需求的一項基礎技術。

APL公司防空系統部門長期以來一直引領艦載雷達系統相控陣天線研發工作，該部門正在研發新一代海軍艦載雷達系統有源相控陣天線。本文概述了新型有源相控陣天線技術。

一、前言

艦載雷達系統通常必須在短時間內監視數千個角位置，跟蹤數百個目標和制導導彈。只有相控陣天線滿足這些需求，相控陣天線可以在微秒內以電子方式重新調整雷達波束，使它們照射大範圍內的不同角位置。

在長達40年的時間裡，APL公司防空系統部門參與了海軍艦載雷達系統相控陣天線的研發工作。除了提高靈敏度外，還需要改善系統穩定性，以便在海雜波或地雜波中探測低空飛行的巡航導彈。使用探測和目標識別功能時需要更寬的帶寬。

與此同時，雷達需求也日益增多，比如縮減採購、運行和維護成本，提高可靠性，降低操作人員數量。雖然相控陣天線的概念非常簡單，但天線設計的限定因素非常多，甚至有些複雜。孔徑尺寸、圖像合成和波束轉換速度這類限定因素變化不大。

過去十年中，固態元器件技術發展迅猛，持續並顯著地影響了相控陣天線的設計和性能。有源相控陣天線的核心是發射/接收(T/R)模塊。每個輻射單元的T/R模塊在發射信號時進行功率放大，在接收信號時進行低雜訊放大，也進行波束控制的移相控制。採用砷化鎵(GaAs)微波單片集成電路(MMIC)技術的T/R模塊可以滿足性能需求，可靠性非常高，批量生產成本也可承受。

有源相控陣雷達比無源相控陣雷達的性能要高几個數量級，同時提高了可靠性並降低了採購成本。幾乎所有在研的高性能雷達都採用有源相控陣天線。

海軍艦載雷達研發項目中的有源相控陣是一項關鍵技術，AN/SPY-3多功能雷達是可用於遠程監視的廣域搜索雷達，也是可用于海軍戰區彈道導彈防禦的先進雷達。

其他有源相控陣雷達包括戰區高空區域防禦系統雷達、國家導彈防禦系統雷達、大功率鑒別雷達，以及F-22和F-35「聯合攻擊戰鬥機」的機載火控雷達。「銥星」和「全球星」系統等商用通信系統已經採用了有源相控陣技術，然而，到目前為止，這些系統並不經濟適用。

二、有源相控陣天線概述

為了充分理解有源相控陣技術的用途，首先回顧目前數個軍用雷達系統採用的傳統或無源陣列方法。典型的無源相控陣天線射頻框圖如圖1a所示。

一部中央發射機，通常由大功率微波管(如行波管)或交叉場放大器組成，通過一個大功率波束控制網路為輻射單元提供能量。高功率鐵氧體或二極體移相器控制每個輻射單元，以電子方式控制波束到所需的角度。

圖1 (a)無源相控陣天線的射頻框圖

(b)有源相控陣天線的波束合成器結構

在接收模式下，利用小功率波束合成網路合成輻射單元和移相器的輸出。通常，三個同時接收的波束可以用來進行單脈衝跟蹤。低雜訊放大器(LANs)可用於放大波束合成器的輸出信號。

無源相控陣雷達最好的例子之一是AN/SPY-1雷達(如圖2所示)，它已經服役超過20年，是海軍裝備的性能最好的雷達。

圖2 DDG-51伯克級驅逐艦的SPY-1/D 相控陣天線

無源相控陣系統有一些性能局限，系統效率不高。例如，發射波束合成器的損耗通常比較大，所以發射機必須發射大功率信號克服這些損耗。因為發射機發射的射頻功率的絕大部分，在輻射之前就以熱量的形式浪費了。

大功率中央發射機通常採用微波管技術，占空比比較低，波形靈活性有限。接收波束合成器的損耗高，特別是需要低副瓣時，會顯著降低接收靈敏度。此外，在雜波環境下使用雷達時，中央源的傳輸雜訊通常是一個限制因素。

相比採用固態技術的發射機，基於高功率管的發射機及其附屬高壓供電系統，可靠性更低，維護和更換成本更高。最後一個因素尤其重要，既艦船可以持續執行較長時間任務，同時避免在海上進行維護。

不斷演變的威脅推動了大幅改善雷達性能的需求。採用有源相控陣技術可以改善雷達性能，同時也可改善可靠性、可維護性、可用性和全壽命成本。在有源相控陣中，通過每個輻射單元的一個T/R模塊，可以實現發射和接收功能(如圖1b所示)。

T/R模塊在發射信號時進行功率放大，在接收信號時進行低雜訊放大，為波束轉換和副瓣抑制進行幅度和相位控制。因為這種將功率放大器和低雜訊放大器置於孔徑上的構造，能夠顯著降低傳輸和接收損耗，從而可以在既定數值的微波功率下提高雷達靈敏度。

相比無源相控陣，有源相控陣的優勢概述如下:

?靈敏度明顯改善。發射和接收波束合成器的損耗更低，固態T/R模塊比傳統的基於高功率管的發射機的占空比高，通常能夠將雷達靈敏度提高几個量級。

?雜波條件下的目標探測能力明顯改善。在有源相控陣中，發射雜訊和不穩定(如T/R模塊和供電系統)的重要信源分布在孔徑上。因此，它們的雜訊輸出不會以與發射信號相同的方式連續增加，會引起脈衝間的平均變化。這樣會顯著改善有源相控陣雷達的能力，可以探測海雜波或地雜波中的小型動目標。

?波形和模式靈活性明顯改善。採用固態有源相控陣技術的波形靈活，可以更好地優化探測、跟蹤、目標識別、照射、毀傷評估和導彈通信等多種功能。此外，陣列單元的T/R模塊進行振幅和相位控制，所以可以更加輕而易舉地為雷達工作方式優化輻射模式，包括採用零合成技術。

?寬頻工作能力明顯改善。有源相控陣採用固態技術，可以在寬頻微波頻率上工作。此外，有源相控陣結構有助於應用時延裝置，具有寬頻寬、高解析度波形和目標成像能力。

?工作可靠性明顯改善。固態技術和附屬的低壓供電系統具有較好的可靠性。此外，陣列採用分散式的T/R模塊和供電系統設計，能夠在某些模塊故障時滿足工作性能需求。有源相控陣的維護周期間隔很長，可以避免在海上進行維護。有源相控陣改善了可靠性，可以顯著降低陣列全壽命周期的運行和維護成本。

三、有源相控陣子系統

以下通常是有源相控陣的重要參數：

?工作頻率和帶寬

?有效全向輻射功率

?掃描範圍

?波束寬度

?副瓣水平(所有單脈衝接收通道)

?跟蹤精度

?波形參數(占空比，脈寬)

?系統雜訊係數

?三階交調

?穩定性和相位雜訊

?諧波和雜散輸出

?可靠性、可維護性和可用性

?製造和全壽命成本

?最優功率需求和雷達冷凝

?艦載環境需求

工作頻率、波形參數和陣列性能需求，隨著雷達的特定用途而變化。有效的各向同性輻射功率和波束寬度，決定了陣列單元的數量和T/R模塊的輸出功率。副瓣電平決定了T/R模塊、陣列和收發波束合成器的振幅和相位特性。

相位雜訊、穩定性、可靠性和可維護性都會影響陣列結構，也會影響T/R模塊和供電系統的特性。結合環境需求，天線的成本和重量決定了不同組件和天線結構採用的技術。天線的成本、重量和性能通常是設計和交易時非常重要的因素。

圖3 有源相控陣雷達系統框圖

有源相控陣雷達系統框圖如圖3所示。有源相控陣由發射和接收天線陣列組成，包括輻射單元、天線罩及附屬結構，T/R模塊及附屬控制電路，射頻波束合成器，直流供電系統，波束轉換控制器。以下段落將討論這些有源相控陣子系統的重要特性和基礎設計。

1. 發射/接收(TR)模塊

T/R模塊是有源相控陣雷達天線的基本組件和關鍵技術。根據用途，有源相控陣可以由數百個T/R模塊組成，或由數千個T/R模塊組成(更為典型)。這些T/R模塊在陣列性能發揮方面起著重要作用，它們需要進行大量的封裝設計，佔有源相控陣天線成本的50%。

圖4 典型的T/R模塊照片

砷化鎵微波單片集成電路技術，是實現每個天線單元所需的微波電路密度的關鍵技術。在期望的有源相控陣成本下，砷化鎵微波單片集成電路半導體的批量生產，是實現有源相控陣性能優勢的關鍵。典型的T/R模塊如圖4所示。

圖5是典型的T/R模塊框圖。每個模塊包含一個發射通道和一個接收通道。發射通道由移相器、可變增益放大器或衰減器(VGA)、激勵放大器和功率放大器組成。功率放大器組可以由幾個功率放大器組成，通常是2個或4個，這些功率放大器的輸出功率合成後，可以獲得輻射單元所需的輸出功率。

圖5 典型的T/R模塊框圖

環形器用於發射和接收通道間的雙向作用和隔離，防止波束掃描期間天線單元輸入阻抗的變化，引起功率放大器的負載波動。接收通道由限制器、低雜訊放大器、移相器和可變放大器或衰減器組成。該模塊結構可以選擇最佳的模塊雜訊係數、三階截點和動態範圍。

T/R模塊通常也嵌入電壓調節和數字控制電路。本地儲量可用於維持發射脈衝現有的狀態，滿足上升時間要求。此外，串聯穩壓器可調節一部分或所有內部電壓，使電源紋波和噪音減小到可控水平，滿足日益嚴格的頻譜純度需求。

低電阻六角形金氧半場效電晶體開關，通常用於控制各种放大器的偏置電流。為了減少封裝的複雜性，移相控制器和衰減器的數字信號通常串列輸入到T/R模塊中。

通過移位寄存器和時鐘信號，串列數據流可轉換為並行數據。內存也可以嵌入T/R模塊中，可以減少預設波束位置之間切換所需的時間。

T/R模塊需求源於相控陣天線需求，根據用途不同有顯著差異。T/R模塊通常有以下重要參數:

?工作頻率和帶寬

?輸出功率

?功率附加效率

?雜散和諧波輸出

?工作周期和脈衝特性

?接收雜訊圖

?接收增益和三階交調

?振幅和相位的數值

?振幅和相位均方根誤差

?平均故障間隔時間(MTBF)

?成本

系統用途決定了頻率、帶寬和輸出功率。一種典型的X波段組件的額定輸出功率為10瓦左右，採用了商用微波單片集成電路。通常低頻段工作時功率大。功率附加效率是可以將有源相控陣基本功率需求和冷凝負荷降到最低的一個重要參數。取決於採用的技術，發射功率附加效率通常可以達到20到25%。

低雜訊放大器微波單片集成電路在微波環境下的雜訊係數一般在1-2dB範圍內。加上損耗和其他影響，模塊雜訊係數通常在3-4dB範圍內。模塊在低副瓣工作時，需要進行更多數量的相位控制以減少振幅和相位均方根誤差。

因為有源相控陣中有大量T/R模塊，因此模塊的製作費用對有源相控陣可購性而言非常重要。模塊的製作費用隨性能、設計複雜度、生產數量和其他因素的不同而有所不同。雖然模塊的費用明細隨用途的不同而有所不同，但是典型的X波段模塊的費用明細(如表1所示)是當前最先進的X波段T/R模塊的代表。

T/R模塊的費用包括半導體(微波單片集成電路)、封裝、其他組件、組裝和測試的費用。微波單片集成電路通常是最主要的費用項目。模塊輸出功率越大，微波單片集成電路的成本就越高。

半導體成本取決於晶片的加工費用、晶片直徑、微波單片集成電路的面積和產量。砷化鎵晶片的加工費用很大程度上取決於鑄造廠生產的晶片數量。鑄造廠通常每年能生產2萬多片晶片。

然而，為了降低鑄造成本，每年至少生產1萬片晶片。典型的X波段T/R模塊的生產速率，並不需要足夠數量的晶片來增加鑄造負載。一個4英寸晶片有足夠的面積提供50多個典型的X波段模塊所需的砷化鎵。

因此，每年生產10萬個X波段模塊所需的時間比生產2000個4英寸晶片所需的時間少，比生產1000個6英寸晶片所需的時間少。需要利用類似人員和設施，生產低開銷結構的經濟划算的X波段T/R模塊。

本文為用戶翻譯內容，未完待續，敬請期待...

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