一種毫米波二維電掃有源相控陣?yán)走_(dá)?

楊勝華，彭祥龍，李一民

一種毫米波二維電掃有源相控陣?yán)走_(dá)?

楊勝華，彭祥龍，李一民

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

采用多波束開(kāi)關(guān)饋線與相控波束掃描相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種低成本毫米波二維電掃描有源相控陣?yán)走_(dá)。該雷達(dá)主要包含電掃的關(guān)鍵組件Rotman透鏡與多端口TR組件，配以高性能的模塊化數(shù)字信號(hào)處理機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該雷達(dá)能實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤、前斜視調(diào)頻步進(jìn)SAR成像與扇掃成像。

相控陣；調(diào)頻步進(jìn)SAR；毫米波二維電掃；Rotman透鏡；多端口TR組件

1 引言

采用毫米波頻段的雷達(dá)具有體積小、重量輕、波束窄、角度分辨力高、帶寬大、抗干擾能力強(qiáng)，以及準(zhǔn)全天侯工作能力等特點(diǎn)。隨著直升機(jī)與遠(yuǎn)程精確打擊等武器平臺(tái)以及微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)毫米波相控陣?yán)走_(dá)的需求日益迫切。相控陣?yán)走_(dá)波束掃描無(wú)慣性，位置捷變，易于實(shí)現(xiàn)大的功率孔徑積，能夠?qū)崿F(xiàn)波束賦形和多波束，同時(shí)完成多種功能，可靠性高，隱身特性好。但是采用完全獨(dú)立多通道毫米波二維有源相孔陣?yán)走_(dá)體制，設(shè)計(jì)和制造成本很高。

本文介紹的雷達(dá)系統(tǒng)采用一種二維電掃技術(shù)：方位向采用中頻數(shù)字移相實(shí)現(xiàn)相控波束掃描，俯仰向通過(guò)饋線開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)波束位置切換電掃。與傳統(tǒng)的二維平面相控陣?yán)走_(dá)比較，用一組線性陣列實(shí)現(xiàn)方位和俯仰二維面陣的電掃描功能，大大降低了系統(tǒng)成本。最后，簡(jiǎn)述了目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤和高分辨率成像等試驗(yàn)情況。

2 射頻前端組合

毫米波二維電掃描雷達(dá)由射頻前端、中頻信道與數(shù)字信號(hào)處理終端3部分組成。

射頻前端組合由Rotman透鏡天線組、多端口T／R組件以及行波耦合饋線校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)組成，是實(shí)現(xiàn)二維電掃描的關(guān)鍵，如圖1所示。

圖1 射頻前端組合Fig.1 Device of RF front-end

2.1Rotman透鏡天線

二維電掃描陣列天線要實(shí)現(xiàn)低成本，Rotman透鏡是較好的選擇。Rotman透鏡天線本質(zhì)上是一種具有多個(gè)輸入口和多個(gè)輸出口的微波饋線網(wǎng)絡(luò)，由波束口、焦弧面、透鏡陣口輪廓和陣列端口4部分組成。每個(gè)波束端口對(duì)應(yīng)于一個(gè)波束指向，若干個(gè)3 dB交叉的波束即能覆蓋一定角度范圍的空域。

天線輻射陣元采用喇叭形式，與Rotman透鏡集成在一起。整個(gè)天線系統(tǒng)由N個(gè)Rotman透鏡天線單元組成，每個(gè)Rotman透鏡天線單元同一位置的波束端口輸入相同的射頻信號(hào)，則整個(gè)透鏡組的陣列端口在空間遠(yuǎn)場(chǎng)功率合成為一個(gè)波束。

在毫米波頻段，Rotman透鏡天線必須解決3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即透鏡設(shè)計(jì)、透鏡加工、透鏡組定位與裝配。Rotman透鏡的設(shè)計(jì)方法有射線構(gòu)造法與輪廓邊界積分法兩類；金屬透鏡的加工與裝配需要精細(xì)的設(shè)計(jì)與加工，以保證波束指向與插損等技術(shù)指標(biāo)。

Rotman透鏡天線實(shí)物圖和測(cè)試的方向圖如圖2～3所示。

圖2 波束口（上）與陣列端口（下）Fig.2 Beam ports（up）and ports of arrays（down）

圖3 Rotman透鏡天線方向圖Fig.3 Antenna pattern of rotman lens

2.2多端口T／R組件

為了降低射頻損耗，將射頻開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)與T／R組件集成在一起，構(gòu)成具有多個(gè)輸出端口的多端口T／R組件，如圖4所示。為減少器件數(shù)量，進(jìn)一步降低損耗，專門設(shè)計(jì)了單刀四擲開(kāi)關(guān)。

圖4 多端口毫米波T／R組件Fig.4 Multi-port T／R module

多端口T／R組件與Rotman透鏡天線單元厚度相同，兩者對(duì)應(yīng)相連。通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)陣列切換選擇，把微波信號(hào)輸出到Rotman透鏡不同的波束端口，實(shí)現(xiàn)俯仰波束的快速掃描。

T／R組件采用平面功率合成技術(shù)，低損耗設(shè)計(jì)，多層低廓線電路布局，散熱齒配合強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，實(shí)現(xiàn)輕小型化，保證了組件間的幅相一致性和可靠性。

3 幅相校準(zhǔn)

毫米波二維電掃描雷達(dá)采用陣內(nèi)幅相校準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)時(shí)在線校準(zhǔn)收發(fā)通道的幅相誤差。相比矩陣開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制，行波耦合饋線節(jié)省了大量器件，減少了損耗，適應(yīng)更多的校準(zhǔn)算法。

3.1行波饋線校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)

如圖5所示，行波饋線網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)主饋線與多個(gè)副饋線。副行波饋線安裝在多端口T／R組件與Rotman透鏡之間，從多個(gè)波束口中耦合一部分射頻信號(hào)至主行波饋線，并把絕大部分射頻信號(hào)傳遞給透鏡天線或者T／R組件。主行波饋線把各個(gè)副行波饋線連在一起，并連接校準(zhǔn)信號(hào)源或者校準(zhǔn)接收信道，完成校準(zhǔn)信號(hào)分配或者合成。

為降低射頻損耗，行波饋線采用鋁質(zhì)波導(dǎo)。

圖5 主行波饋線（上）和副行波饋線（下）Fig.5 Main traveling wave feed line（up）and auxiliary traveling wave feed line（down）

3.2幅相校準(zhǔn)算法

基于行波耦合饋線的相控陣幅相校準(zhǔn)，可以采用FFT、逆矩陣與Phase-toggle等3種算法。

本雷達(dá)采用Phase-toggle算法。每次只改變一個(gè)通道的移相值，比較移相前后接收機(jī)輸出的合成信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前通道的實(shí)際幅度與相位值。以第m個(gè)通道為例：

式中，s0、sm為所有通道信號(hào)矢量和；bm，bg為某一通道信號(hào)的幅度；N為TR通道總數(shù)；φ0，g為非m通道初始相位；φ0，m，φm，m為m通道初始相位和待改變相位。

Phase-toggle算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量少，不需要波束掃描就能計(jì)算出各通道間的實(shí)際幅度和相位值，陣內(nèi)陣外校正均能適用。

4 雷達(dá)系統(tǒng)試驗(yàn)

本雷達(dá)采用全相參、脈沖多譜勒、單脈沖測(cè)角和二維有源相控陣描體制，利用快捷靈活的波束掃描方式，配合高性能的數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)，實(shí)時(shí)完成數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理，并具備在多種應(yīng)用平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多種功能的能力。

4.1扇掃DBS成像

扇掃DBS（Doppler Beam Sharpening）成像，距離向脈沖壓縮，方位上做非聚焦處理。然后進(jìn)行多譜勒質(zhì)心估計(jì)和子孔徑拼圖，最后形成二維圖像，如圖6所示。

圖6 DBS圖像Fig.6 DBS imaging

4.2前斜視調(diào)頻步進(jìn)SAR成像

前斜視調(diào)頻步進(jìn)SAR采用CS（Chirp Scaling）算法，先進(jìn)行距離向預(yù)處理形成距離向上的合成寬帶信號(hào)，然后在距離向進(jìn)行脈沖壓處理，同時(shí)結(jié)合導(dǎo)航參數(shù)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)算法消除運(yùn)動(dòng)平臺(tái)非理想運(yùn)動(dòng)的影響，在方位上采用聚焦處理得到雷達(dá)二維SAR圖像，如圖7所示。

圖7 前斜視調(diào)頻步進(jìn)SAR圖像Fig.7 Squint-looking FM-stepped SAR imaging

4.3目標(biāo)搜索和跟蹤

充分利用相控陣優(yōu)點(diǎn)，對(duì)雷達(dá)的搜索、跟蹤時(shí)間和能量資源進(jìn)行合理分配、管理，對(duì)復(fù)雜地面動(dòng)、靜目標(biāo)采用脈沖壓縮處理、相參積累處理、雜波抑制和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、自適應(yīng)CFAR（The Constant False Alarm Probability）處理等技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行可靠檢測(cè)，提供目標(biāo)在雷達(dá)視線下的距離、速度和角度信息。

采用邊掃描邊跟蹤（Tracking While Scanning，TWS）技術(shù)和TAS（Tracking and Scanning）技術(shù)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行快速精確跟蹤。如圖8，三角形表示跟蹤上的目標(biāo)。

圖8 多目標(biāo)跟蹤Fig.8 Multi-target tracking

5 結(jié)束語(yǔ)

Romtan透鏡天線過(guò)去主要用于電子對(duì)抗領(lǐng)域，雷達(dá)應(yīng)用比較少見(jiàn)。本雷達(dá)利用Romtan透鏡天線的特點(diǎn)，配以多端口T／R組件實(shí)現(xiàn)了低成本的兩維波束電掃。通過(guò)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證后，低成本二維電掃技術(shù)、大前斜調(diào)頻步進(jìn)合成孔徑成像技術(shù)和多目標(biāo)跟蹤技術(shù)達(dá)到了研究預(yù)期。本技術(shù)可以用于直升機(jī)載雷達(dá)、車載雷達(dá)以及毫米波電子對(duì)抗等領(lǐng)域。

同時(shí)，該研究方案表明，金屬透鏡的體積一般較大，不適合機(jī)載平臺(tái)。為了減少重量，將來(lái)可以考慮采用介質(zhì)透鏡或者塑料透鏡，大幅度減小體積重量；同時(shí)采用MEMS（Micro-Electro-Mechanism System）開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，大幅度降低射頻損耗，大大提高雷達(dá)系統(tǒng)性能。

［1］張光義.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

ZHANG Guang-yi.Phase-Array Radar Technology［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2006.（in Chinese）

［2］賁德，韋傳安，林幼權(quán).機(jī)載雷達(dá)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

PENG De，WEI Chuan-an，LIN You-quan.Airborne Radar Technology［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2006.（in Chinese）

［3］Hall L，Abbott D，Hansen H.Rotman lens for mm-wavelengths［J］.Proceedings of SPIE，2002，4935：215-221.

［4］彭祥龍，石星，劉茁.基于行波耦合饋線的相控陣幅相校正算法比較［C］／／第十屆全國(guó)雷達(dá)雷達(dá)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

PENG Xiang-long，SHI Xing，LIU Zhuo.A Comparison of Calibration Algorithm method of phased array radar based on Traveling Wave Feed Line［C］／／Proceedings of the 10th Chinese Radar Academic Conference.Beijing：National Defense Industry Press，2008.（in Chinese）

YANG Sheng-hua was born in Suining，Sichuan Province，in 1976.He is now a senior engineer.His Research concerns radar system technology.

Email：shyang2008＠tom.com

彭祥龍（1971—），男，四川巴中人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

PENG Xiang-long was born in Bazhong，Sichuan Province，in 1977.He is now a senior engineer with the M.S.degree.His research concerns radar system design.

Email：Pxianl＠yahoo.com.cn

李一民（1963—），男，四川成都人，研究員，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

LI Yi-min was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1963.He is now a senior engineer of professor.His research concerns radar system design.

A Millimeter-wave Two-dimensional Electronic Scanning Active Phased Array Radar

YANG Sheng-hua，PENG Xiang-long，LI Yi-min
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

This paper introduces a low cost millimeter-wave（MMW）active phased array radar，which can perform two-dimensional electronic beam scanning（phase controlled in azimuth while multi-beam ports switched in elevation）.This radar is mainly composed of Rotman lens stack，multi-port T／R modules，and high-powered digital signal processor.Test result shows the radar can realize moving target detecting and tracking，squint -looking FM-stepped SAR and DBS（Doppler Beam Sharpening）imaging.

phased array；FM-stepped SAR；millimeter-wave two-dimensional electronic scanning；Rotman lens；multi-port T／R component

TN958.92

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.05.007

楊勝華（1976—），男，四川遂寧人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)總體技術(shù)；

1001-893X（2012）05-0640-04

2011-12-20；

2012-03-30