全数字相控阵雷达的试验台.docx
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1、全数字相控阵雷达的试验台目录1 .序言12 .雷达的发展33 .全数字化架构84 .“荷鲁斯”雷达的设计理念105 .项目现状和未来研发计划126 .确认131.序言凭借多年经验,俄克拉荷马大学(C)U)高级雷达研究中心(ARRC)正在建造有史以来第一个移动极化全数字相控阵雷达(PAR),如图1所示。随着技术在过去10到15年中取得重大发展,特别是在模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、高功率放大器和现场可编程门阵列(FPGA)领域,将雷达系统的重要部分移近相控阵天线孔径的可能性已成为现实。图2描述了全数字PAR系统的总体架构,其中每个双极点元件的每个水平(H)和垂直(V)通道都存在一个
2、独立的数字接收器和数字发射器。图1雷达演进图2每个元件都有一个独立的数字接收器和数字发射器在过去的15年中,ARRC一直参与国家多功能相控阵雷达(MPAR)计划,随后参与频谱高效国家监视雷达(SENSR)计划,最初由联邦航空管理局(FAA),国防部(DOD),国土安全部(DHS)和国家海洋和大气管理局(NOAA)协调。因此,ARRC正在开发一种可扩展的全数字极化S波段相控阵,以满足天气和远程飞机扫描的要求。该阵列还将支持其他重要的操作模式,包括M1Mo和通用通信。敏捷的波束控制和多功能功能现在使相控阵成为多任务雷达系统的最佳候选者,提供高效且具有成本效益的解决方案。GaAsSiGe、CMoS和
3、GaN技术的进步提供了可靠、高度集成且价格合理的射频组件,使相控阵天线成为现代遥感和通信的核心技术。高集成度和更高效的组件使相控阵天线架构具有多个收发器,与专门使用模拟波束成形器的前代产品相比,这些收发器可用于以更低的成本、尺寸和重量提高功能和性能:例如,5G肯定会利用相控阵技术。具有模拟波束成形的阵列本质上受限于前端波束成形电子设备的精确配置所施加的波束成形方案。目前,子阵列级别的数字波束成形(DBF)是提高相控阵雷达灵活性的常用方法,正如NOAA国家严重风暴实验室(NSS1)和马萨诸塞大学(UMaSS)雷神低功率雷达(即Sky1er)运营的76面板先进技术演示器(ATD)所证明的那样。然而
4、,向元素级DBF架构的转变提供了前所未有的功能。此类系统的示例包括;澳大利亚的CEA-FAR海军雷达,美国海军的F1exDAR雷达,2以色列E1ta的MF-STAR,AFR1的BEEMER(每个元素MIMO实验雷达的基带数字)和SpaceFence,仅举几例。止匕外,每个元素的数字使偏振测量的精确控制成为可能,单H,单V,斜45,1HC,RHC或任意偏振状态的同步H&V。数字阵列技术是一项新兴的研究工作;作战能力发展司令部陆军研究实验室(CCDCAR1)研究的重点是开发用于阵列校准的稳健技术。在拥挤和竞争激烈的环境中运行关键取决于保护雷达操作和在动态环境中保持校准。对于数字阵列来说,工厂校准是
5、不够的,需要可靠的原位校准方法,这些方法在计算上也很有效。AR1与包括OU和CCDCAR1在内的合作伙伴一起开发基于相互耦合的校准技术来解决这个问题。CCDCAR1正在进行概念验证实验,以使用元件级数字阵列实验室测试资产量化初始算法的性能。展望未来,CCDCAR1将扩展这些技术,以实现更广泛的带宽性能,并专注于扩展到大幅面阵列,以及适用于实验室测试台之外的操作环境。2.雷达的发展在过去的15年中,ARRC参与了美国多功能相控阵雷达(MPAR)计划,随后又参与了频谱有效国家监视雷达(SENSR)计划,该计划最初是由美国联邦航空管理局(FAA)、国防部(DOD)、国土安全部(DHS)和国家海洋与大
6、气管理局(NOAA)协调的。因此,ARRC正在开发一种可扩展的全数字极化S波段相控阵,以满足远程扫描天气和飞机的需求。该阵列还将支持其他重要的工作模式,包括MIMo和常规通信。现在,敏捷的波束控制和多功能能力使相控阵成为多任务雷达系统的最佳候选方案,可提供高效且具有成本效益的解决方案。GaAsSiGe、CMOS和GaN技术的进步提供了可靠、高集成度且价格适中的RF组件,这些组件使相控阵天线成为现代遥感和通信的核心技术。高集成度和更高效的组件可实现具有多个收发器的相控阵天线架构,与专用于模拟波束形成器的早期产品相比,可降低成本、尺寸和重量,提高功能和性能,例如5G就必将利用相控阵技术。采用模拟波
7、束形成的阵列难免会受限于波束形成方案,使该方案会受到前端波束形成电子设备严格构造的影响。目前,子阵列级的数字波束成形(DBF)是提高相控阵雷达灵活性的一种常用方法,例如,由NoAA国家强风暴实验室(NSS1)和美国国家航空航天局(NASA)运营的76面板先进技术验证机(ATD)和马萨诸塞州大学(UMaSS)的雷声公司低功率雷达(即Sky1erjo但是,向阵元级DBF架构的转变提供了前所未有的功能。这种系统的案例包括:澳大利亚的CEA-FAR海军雷达、美国海军的FIeXDAR雷达、以色列EIta公司的MF-STAR、AFR1的BEEMER和“太空篱笆”等。止匕外,每个元件都具有数字功能,因此可以
8、实现精确的极化控制,具备水平、垂直、同时水平和垂直极化能力,具备45。倾斜极化、左旋极化、右旋极化或任意极化方式。数字阵列技术是一项新的研究工作。作战能力发展司令部陆军研究实验室(CCDCAR1)的研究重点是开发用于阵列校准的可靠技术。雷达要在拥挤和竞争环境下运行,很大程度上取决于在动态环境中保护雷达的运行并持续校准。对于数字阵列,工厂校准是不够的,因此需要用于鲁棒的原位校准方法,这些方法在计算上也很有效。AR1与包括OU和CCDC在内的合作伙伴一起,正在开发基于相互耦合的校准技术来解决此问题。CCDCAR1正在进行概念验证实验,以使用组件级数字阵列实验室测试设备来量化初始算法的性能。未来,C
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