新型民用“多功能相控陣?yán)走_(dá)”結(jié)合了“雙極化”和“數(shù)字波束形成”技術(shù)

新型民用“多功能相控陣?yán)走_(dá)”，結(jié)合了“雙極化”和“數(shù)字波束形成”技術(shù)本文提出了一種新型的利用雙極化數(shù)字波束形成的相控陣?yán)走_(dá)解決方案，能夠同時實現(xiàn)飛行器和氣象環(huán)境監(jiān)測。無論是依靠雷達(dá)跟蹤和管理空中交通的聯(lián)邦航空管理局(FAA)，還是提供天氣預(yù)報和應(yīng)急信息的國家氣象局，大多數(shù)人都能夠認(rèn)識到雷達(dá)系統(tǒng)在以上領(lǐng)域所起到的重要作用。然而，美國國家航空航天局、農(nóng)業(yè)與國土安全部、環(huán)境保護(hù)局和其它聯(lián)邦機(jī)構(gòu)需要依靠八種不同雷達(dá)構(gòu)成的民用網(wǎng)絡(luò)提供各類信息，例如識別和跟蹤車輛、太空雷達(dá)成像、獲取氣象數(shù)據(jù)等，目前這些工作了10年至40年時間的系統(tǒng)已經(jīng)接近設(shè)計壽命的終點(diǎn)。麻省理工學(xué)院林肯實驗(MITLL)室提出了一種多功能相控陣?yán)走_(dá)(MPAR)作為這些老化系統(tǒng)的替代品，與當(dāng)前使用旋轉(zhuǎn)拋物面天線的民用雷達(dá)系統(tǒng)不同，MPAR沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，而是利用4個天線陣面實現(xiàn)360度掃描，并且以電子掃描方式產(chǎn)生賦形波束。MPAR產(chǎn)生的捷變波束能夠達(dá)到更快的全空域掃描速率和更高的空間分辨力，能夠以一部雷達(dá)單元執(zhí)行各種天氣和飛行器監(jiān)視任務(wù)。此外，由于更快速的天氣掃描并具備對飛行器的垂直分辨力和高度估計，MPAR系統(tǒng)的監(jiān)視能力很可能會超過當(dāng)前雷達(dá)系統(tǒng)的能力。MPAR系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)在FAA的資金支持下，林肯實驗室和M/A-COM聯(lián)合開發(fā)了一個主動式電子掃描相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的原型樣機(jī)，該樣機(jī)是MPAR系統(tǒng)的基本組成部分。原型樣機(jī)的每個天線陣面由一個開孔印刷電路板(PCB)、一個熱交換器和一個底板PCB組成，用于將直流電源功率和控制信號分配到各天線陣元(見MPAR天線陣面分解圖)。開孔PCB由微帶天線貼片元件、天線饋電網(wǎng)絡(luò)、陣列波束形成網(wǎng)絡(luò)、直流電源分配網(wǎng)絡(luò)和控制信號分配網(wǎng)絡(luò)組成。PCB由市場上可買到的微波電路板材料制成，采用標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)制造技術(shù)設(shè)計。每個MPAR天線陣面由64個陣元組成，每個陣元具有獨(dú)立的輻射單元和收發(fā)(T/R)模塊，其主要功能是放大雷達(dá)信號并控制各陣元的信號相位；64個收發(fā)模塊以表貼形式安裝于開孔板的背面。為了實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的極化性能，研究人員實現(xiàn)了獨(dú)特的收發(fā)模塊架構(gòu)：1.具有兩個獨(dú)立發(fā)射通道；2.具有兩個可切換波束形成器路徑的獨(dú)立接收通道。該架構(gòu)允許收發(fā)模塊能夠快速重新配置，從而輸出單個雙極化接收信號或兩個獨(dú)立控制的線性極化信號。與線極化雷達(dá)波束相比，MPAR系統(tǒng)的雙極化可配置有效改善了雷達(dá)資源管理能力。以設(shè)計的天線陣面實現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)功能，將一組陣面(～300個單元)集成到一個平面上形成單個雷達(dá)天線陣。陣元級的有效相位和幅度控制使得雷達(dá)系統(tǒng)具備電子操縱從天線陣發(fā)射、接收期望方向雷達(dá)信號的能力。波束形成網(wǎng)絡(luò)在發(fā)射模式下將信號相干分配給各天線陣元，在接收模式下相干累加聚集能量。相控陣天線能夠以相參的方式同步輻射和接收雷達(dá)回波脈沖，可用于檢測、定位、跟蹤飛行器和氣象目標(biāo)。MPAR系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)MPAR系統(tǒng)的功能可以為氣象和飛行器監(jiān)視帶來顯著好處，該系統(tǒng)能夠提前預(yù)報惡劣天氣活動、改善降雨預(yù)報和山洪預(yù)警，為氣象預(yù)報模型提供更優(yōu)秀的記錄數(shù)據(jù)；改進(jìn)對惡劣天氣的預(yù)報將提高航空旅行的安全性并減少航班延誤，對美國領(lǐng)空的監(jiān)測也將受益于飛行器探測和跟蹤能力的增強(qiáng)。MPAR系統(tǒng)的效費(fèi)比也是具有吸引力的，根據(jù)政府提供的有關(guān)相控陣?yán)走_(dá)項目聯(lián)合行動小組的報告，由于MPAR能夠同時進(jìn)行天氣和飛行器監(jiān)視，一個MPAR網(wǎng)絡(luò)將使美國需要的雷達(dá)單元數(shù)量從目前的500多個減少到330個。除了通過購買更少的新系統(tǒng)達(dá)到節(jié)省開支之外，MPAR使用了商業(yè)無線行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)材料和制造方法以及可