海军舰载雷达系统当前和未来的需求是由快速演变的威胁目标推动的&＃xff0c;威胁目标包括巡航导弹和战术弹道导弹。
为了应对这些威胁&＃xff0c;阵列天线必须以更宽的带宽工作&＃xff0c;具有更高的灵敏度、更强的辐射功率&＃xff0c;改善系统稳定性和电子防护措施&＃xff0c;以应对雷达反射截面积变小的威胁目标。
此外&＃xff0c;简化阵列特征、控制采购、运行和维护成本的需求也日益增多。有源相控阵天线已成为符合海军舰载雷达系统需求的一项基础技术。
APL公司防空系统部门长期以来一直引领舰载雷达系统相控阵天线研发工作&＃xff0c;该部门正在研发新一代海军舰载雷达系统有源相控阵天线。本文概述了新型有源相控阵天线技术。
一、前言舰载雷达系统通常必须在短时间内监视数千个角位置&＃xff0c;跟踪数百个目标和制导导弹。只有相控阵天线满足这些需求&＃xff0c;相控阵天线可以在微秒内以电子方式重新调整雷达波束&＃xff0c;使它们照射大范围内的不同角位置。
在长达40年的时间里&＃xff0c;APL公司防空系统部门参与了海军舰载雷达系统相控阵天线的研发工作。除了提高灵敏度外&＃xff0c;还需要改善系统稳定性&＃xff0c;以便在海杂波或地杂波中探测低空飞行的巡航导弹。使用探测和目标识别功能时需要更宽的带宽。
与此同时&＃xff0c;雷达需求也日益增多&＃xff0c;比如缩减采购、运行和维护成本&＃xff0c;提高可靠性&＃xff0c;降低操作人员数量。虽然相控阵天线的概念非常简单&＃xff0c;但天线设计的限定因素非常多&＃xff0c;甚至有些复杂。孔径尺寸、图像合成和波束转换速度这类限定因素变化不大。
过去十年中&＃xff0c;固态元器件技术发展迅猛&＃xff0c;持续并显著地影响了相控阵天线的设计和性能。有源相控阵天线的核心是发射/接收(T/R)模块。每个辐射单元的T/R模块在发射信号时进行功率放大&＃xff0c;在接收信号时进行低噪声放大&＃xff0c;也进行波束控制的移相控制。采用砷化镓(GaAs)微波单片集成电路(MMIC)技术的T/R模块可以满足性能需求&＃xff0c;可靠性非常高&＃xff0c;批量生产成本也可承受。
有源相控阵雷达比无源相控阵雷达的性能要高几个数量级&＃xff0c;同时提高了可靠性并降低了采购成本。几乎所有在研的高性能雷达都采用有源相控阵天线。
海军舰载雷达研发项目中的有源相控阵是一项关键技术&＃xff0c;AN/SPY-3多功能雷达是可用于远程监视的广域搜索雷达&＃xff0c;也是可用于海军战区弹道导弹防御的先进雷达。
其他有源相控阵雷达包括战区高空区域防御系统雷达、国家导弹防御系统雷达、大功率鉴别雷达&＃xff0c;以及F-22和F-35“联合攻击战斗机”的机载火控雷达。“铱星”和“全球星”系统等商用通信系统已经采用了有源相控阵技术&＃xff0c;然而&＃xff0c;到目前为止&＃xff0c;这些系统并不经济适用。
二、有源相控阵天线概述为了充分理解有源相控阵技术的用途&＃xff0c;首先回顾目前数个军用雷达系统采用的传统或无源阵列方法。典型的无源相控阵天线射频框图如图1a所示。
一部中央发射机&＃xff0c;通常由大功率微波管(如行波管)或交叉场放大器组成&＃xff0c;通过一个大功率波束控制网络为辐射单元提供能量。高功率铁氧体或二极管移相器控制每个辐射单元&＃xff0c;以电子方式控制波束到所需的角度。
图1 (a)无源相控阵天线的射频框图
(b)有源相控阵天线的波束合成器结构
在接收模式下&＃xff0c;利用小功率波束合成网络合成辐射单元和移相器的输出。通常&＃xff0c;三个同时接收的波束可以用来进行单脉冲跟踪。低噪声放大器(LANs)可用于放大波束合成器的输出信号。
无源相控阵雷达最好的例子之一是AN/SPY-1雷达(如图2所示)&＃xff0c;它已经服役超过20年&＃xff0c;是海军装备的性能最好的雷达。
图2 DDG-51伯克级驱逐舰的SPY-1/D 相控阵天线
无源相控阵系统有一些性能局限&＃xff0c;系统效率不高。例如&＃xff0c;发射波束合成器的损耗通常比较大&＃xff0c;所以发射机必须发射大功率信号克服这些损耗。因为发射机发射的射频功率的绝大部分&＃xff0c;在辐射之前就以热量的形式浪费了。
大功率中央发射机通常采用微波管技术&＃xff0c;占空比比较低&＃xff0c;波形灵活性有限。接收波束合成器的损耗高&＃xff0c;特别是需要低副瓣时&＃xff0c;会显著降低接收灵敏度。此外&＃xff0c;在杂波环境下使用雷达时&＃xff0c;中央源的传输噪声通常是一个限制因素。
相比采用固态技术的发射机&＃xff0c;基于高功率管的发射机及其附属高压供电系统&＃xff0c;可靠性更低&＃xff0c;维护和更换成本更高。最后一个因素尤其重要&＃xff0c;既舰船可以持续执行较长时间任务&＃xff0c;同时避免在海上进行维护。
不断演变的威胁推动了大幅改善雷达性能的需求。采用有源相控阵技术可以改善雷达性能&＃xff0c;同时也可改善可靠性、可维护性、可用性和全寿命成本。在有源相控阵中&＃xff0c;通过每个辐射单元的一个T/R模块&＃xff0c;可以实现发射和接收功能(如图1b所示)。
T/R模块在发射信号时进行功率放大&＃xff0c;在接收信号时进行低噪声放大&＃xff0c;为波束转换和副瓣抑制进行幅度和相位控制。因为这种将功率放大器和低噪声放大器置于孔径上的构造&＃xff0c;能够显著降低传输和接收损耗&＃xff0c;从而可以在既定数值的微波功率下提高雷达灵敏度。
相比无源相控阵&＃xff0c;有源相控阵的优势概述如下:
•灵敏度明显改善。发射和接收波束合成器的损耗更低&＃xff0c;固态T/R模块比传统的基于高功率管的发射机的占空比高&＃xff0c;通常能够将雷达灵敏度提高几个量级。
•杂波条件下的目标探测能力明显改善。在有源相控阵中&＃xff0c;发射噪声和不稳定(如T/R模块和供电系统)的重要信源分布在孔径上。因此&＃xff0c;它们的噪声输出不会以与发射信号相同的方式连续增加&＃xff0c;会引起脉冲间的平均变化。这样会显著改善有源相控阵雷达的能力&＃xff0c;可以探测海杂波或地杂波中的小型动目标。
•波形和模式灵活性明显改善。采用固态有源相控阵技术的波形灵活&＃xff0c;可以更好地优化探测、跟踪、目标识别、照射、毁伤评估和导弹通信等多种功能。此外&＃xff0c;阵列单元的T/R模块进行振幅和相位控制&＃xff0c;所以可以更加轻而易举地为雷达工作方式优化辐射模式&＃xff0c;包括采用零合成技术。
•宽带工作能力明显改善。有源相控阵采用固态技术&＃xff0c;可以在宽带微波频率上工作。此外&＃xff0c;有源相控阵结构有助于应用时延装置&＃xff0c;具有宽带宽、高分辨率波形和目标成像能力。
•工作可靠性明显改善。固态技术和附属的低压供电系统具有较好的可靠性。此外&＃xff0c;阵列采用分布式的T/R模块和供电系统设计&＃xff0c;能够在某些模块故障时满足工作性能需求。有源相控阵的维护周期间隔很长&＃xff0c;可以避免在海上进行维护。有源相控阵改善了可靠性&＃xff0c;可以显著降低阵列全寿命周期的运行和维护成本。
三、有源相控阵子系统以下通常是有源相控阵的重要参数&＃xff1a;
•工作频率和带宽
•有效全向辐射功率
•扫描范围
•波束宽度
•副瓣水平(所有单脉冲接收通道)
•跟踪精度
•波形参数(占空比&＃xff0c;脉宽)
•系统噪声系数
•三阶交调
•稳定性和相位噪声
•谐波和杂散输出
•可靠性、可维护性和可用性
•制造和全寿命成本
•最优功率需求和雷达冷凝
•舰载环境需求
工作频率、波形参数和阵列性能需求&＃xff0c;随着雷达的特定用途而变化。有效的各向同性辐射功率和波束宽度&＃xff0c;决定了阵列单元的数量和T/R模块的输出功率。副瓣电平决定了T/R模块、阵列和收发波束合成器的振幅和相位特性。
相位噪声、稳定性、可靠性和可维护性都会影响阵列结构&＃xff0c;也会影响T/R模块和供电系统的特性。结合环境需求&＃xff0c;天线的成本和重量决定了不同组件和天线结构采用的技术。天线的成本、重量和性能通常是设计和交易时非常重要的因素。
图3 有源相控阵雷达系统框图
有源相控阵雷达系统框图如图3所示。有源相控阵由发射和接收天线阵列组成&＃xff0c;包括辐射单元、天线罩及附属结构&＃xff0c;T/R模块及附属控制电路&＃xff0c;射频波束合成器&＃xff0c;直流供电系统&＃xff0c;波束转换控制器。以下段落将讨论这些有源相控阵子系统的重要特性和基础设计。
1. 发射/接收(TR)模块
T/R模块是有源相控阵雷达天线的基本组件和关键技术。根据用途&＃xff0c;有源相控阵可以由数百个T/R模块组成&＃xff0c;或由数千个T/R模块组成(更为典型)。这些T/R模块在阵列性能发挥方面起着重要作用&＃xff0c;它们需要进行大量的封装设计&＃xff0c;占有源相控阵天线成本的50%。
图4 典型的T/R模块照片
砷化镓微波单片集成电路技术&＃xff0c;是实现每个天线单元所需的微波电路密度的关键技术。在期望的有源相控阵成本下&＃xff0c;砷化镓微波单片集成电路半导体的批量生产&＃xff0c;是实现有源相控阵性能优势的关键。典型的T/R模块如图4所示。
图5是典型的T/R模块框图。每个模块包含一个发射通道和一个接收通道。发射通道由移相器、可变增益放大器或衰减器(VGA)、激励放大器和功率放大器组成。功率放大器组可以由几个功率放大器组成&＃xff0c;通常是2个或4个&＃xff0c;这些功率放大器的输出功率合成后&＃xff0c;可以获得辐射单元所需的输出功率。
图5 典型的T/R模块框图
环形器用于发射和接收通道间的双向作用和隔离&＃xff0c;防止波束扫描期间天线单元输入阻抗的变化&＃xff0c;引起功率放大器的负载波动。接收通道由限制器、低噪声放大器、移相器和可变放大器或衰减器组成。该模块结构可以选择最佳的模块噪声系数、三阶截点和动态范围。
T/R模块通常也嵌入电压调节和数字控制电路。本地储量可用于维持发射脉冲现有的状态&＃xff0c;满足上升时间要求。此外&＃xff0c;串联稳压器可调节一部分或所有内部电压&＃xff0c;使电源纹波和噪音减小到可控水平&＃xff0c;满足日益严格的频谱纯度需求。
低电阻六角形金氧半场效电晶体开关&＃xff0c;通常用于控制各种放大器的偏置电流。为了减少封装的复杂性&＃xff0c;移相控制器和衰减器的数字信号通常串行输入到T/R模块中。
通过移位寄存器和时钟信号&＃xff0c;串行数据流可转换为并行数据。内存也可以嵌入T/R模块中&＃xff0c;可以减少预设波束位置之间切换所需的时间。
T/R模块需求源于相控阵天线需求&＃xff0c;根据用途不同有显著差异。T/R模块通常有以下重要参数:
•工作频率和带宽
•输出功率
•功率附加效率
•杂散和谐波输出
•工作周期和脉冲特性
•接收噪声图
•接收增益和三阶交调
•振幅和相位的数值
•振幅和相位均方根误差
•平均故障间隔时间(MTBF)
•成本
系统用途决定了频率、带宽和输出功率。一种典型的X波段组件的额定输出功率为10瓦左右&＃xff0c;采用了商用微波单片集成电路。通常低频段工作时功率大。功率附加效率是可以将有源相控阵基本功率需求和冷凝负荷降到最低的一个重要参数。取决于采用的技术&＃xff0c;发射功率附加效率通常可以达到20到25%。
低噪声放大器微波单片集成电路在微波环境下的噪声系数一般在1-2dB范围内。加上损耗和其他影响&＃xff0c;模块噪声系数通常在3-4dB范围内。模块在低副瓣工作时&＃xff0c;需要进行更多数量的相位控制以减少振幅和相位均方根误差。
因为有源相控阵中有大量T/R模块&＃xff0c;因此模块的制作费用对有源相控阵可购性而言非常重要。模块的制作费用随性能、设计复杂度、生产数量和其他因素的不同而有所不同。虽然模块的费用明细随用途的不同而有所不同&＃xff0c;但是典型的X波段模块的费用明细(如表1所示)是当前最先进的X波段T/R模块的代表。
T/R模块的费用包括半导体(微波单片集成电路)、封装、其他组件、组装和测试的费用。微波单片集成电路通常是最主要的费用项目。模块输出功率越大&＃xff0c;微波单片集成电路的成本就越高。
半导体成本取决于晶片的加工费用、晶片直径、微波单片集成电路的面积和产量。砷化镓晶片的加工费用很大程度上取决于铸造厂生产的晶片数量。铸造厂通常每年能生产2万多片晶片。
然而&＃xff0c;为了降低铸造成本&＃xff0c;每年至少生产1万片晶片。典型的X波段T/R模块的生产速率&＃xff0c;并不需要足够数量的晶片来增加铸造负载。一个4英寸晶片有足够的面积提供50多个典型的X波段模块所需的砷化镓。
因此&＃xff0c;每年生产10万个X波段模块所需的时间比生产2000个4英寸晶片所需的时间少&＃xff0c;比生产1000个6英寸晶片所需的时间少。需要利用类似人员和设施&＃xff0c;生产低开销结构的经济划算的X波段T/R模块。
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