数字相控阵雷达的优势（Benefits of Digital Phased Array Radars）1
数字相控阵雷达的优势（Benefits of Digital Phased Array Radars）1
- 一、概述
- 二、雷达架构的进化
- 2.1 模拟无源阵列
- 2.2 模拟有源阵列
- 2.3 子阵级及单元级数字化阵列
致敬经典论文
S. H. Talisa, K. W. O’Haver, T. M. Comberiate, M. D. Sharp and O. F. Somerlock, “Benefits of Digital Phased Array Radars,” in Proceedings of the IEEE, vol. 104, no. 3, pp. 530-543, March 2016, doi: 10.1109/JPROC.2016.2515842.
一、概述
数字阵列雷达（digital-array radar）基于相控阵天线发展而来，其发射波形（transmitted waveforms）在阵列单元级通过数字化的方式产生，同时从外界接收的能量也是在阵列单元级进行数字化的。
这种架构可以在数字域对指向任意方向的发射和接收波束进行幅相加权和波束成型。此外，这种架构也可以产生多个瞬时接收波束（simultaneous receive beams），波束数量、瞬时带宽（instantaneous bandwidth）和动态范围（dynamic range）只受限于采样器（data converters）的性能以及数字硬件的计算资源和功耗。
数字阵列雷达概念植根于数字信号处理和数字阵列声纳。在20世纪70年代中期，雷达数字波束合成（DBF，digital beam-forming）、相关的自适应和超分辨率阵列技术（superresolution array）的研究日渐成熟，启发了20世纪80年代Barton将DBF用于雷达系统的创新性工作。
在文献中，Barton 列出了很多数字阵列雷达相比于模拟有源相控阵雷达（analog active phased arrays）的优势，比如没有信噪比（SNR，Signal-to-noise）损失的多接收波束，自适应调零扫描（adaptive null steering）和易于校准等。
到了20世纪80年代末期，很多试验阶段的小型DBF阵列被研制出来，但是这些阵列的性能受到采样器（ADCs，analog-to-digital converters）动态范围的限制，同时也受到数字处理部分对于波束合成计算能力的限制。
20世纪末和21世纪初的十年直到如今，关于DBF的部署和验证日益增多。这背后的驱动力主要是无线电集成电路（RFICs，Radio-Frequency integrated circuits）、采样器和数字信号处理电路的蓬勃发展。
RFICs中有源器件的晶体管增益、噪声系数（noise figure），无源器件的品质因数（the quality factor），以及相应的功耗等性能都获得了显著的提升。
数字转换器得益于集成电路CMOS工艺进程按照摩尔定律预测的趋势发展，同时类似时间交织、pipelining及数字误差校正等技术使得采样器以更低的功耗实现了更高的动态范围（high dynamic ranges）和采样速率（sampling rates）。
数字信号处理部分的性能提升同样得益于摩尔定律，以及在雷达信号处理应用中，FPGA（field-programmable gate arrays）器件的日渐成熟。
目前已经有很多数字阵列雷达系统在研发中或已经部署。图1给出了其中的部分实例。里面的一些系统采用的是子阵级数字化的阵列，接收机（receivers）和波形发生器（waveform generators）分别位于接收和发射模拟波束合成子阵（analog-beamformed subarrays）后，详细的构成将在下节进行介绍。
图1 一些数字阵列系统
单元级数字化阵列（element-level digital arrays）能够将波束合成功能由模拟域转换到数字域，同时伴随着阵列构成模块的分布化程度提升，这种发展提高了阵列的可扩展性（scalability）和适应性（commonality），使得同一套数字阵列硬件不仅能够适用于雷达应用同样也可以适用于电子战与通信应用。近期，有一些研究致力于统一这些应用，以便采用通用的模块就能够在短时间构建所需要的系统。
这些发展趋势使得数字阵列成为最新一代的雷达架构。在本文中，我们讨论了相控阵雷达阵列数字化程度提升所带来的优势，并同其它传统的阵列架构进行了关键技术指标的比较。下面将从功能和器件分布化这一线索来回顾雷雷达架构过去四十年的发展。
二、雷达架构的进化
从20世纪70年代大规模使用相控阵天线开始，雷达架构的发展沿着一条功能和硬件分布化的路径进行。这一分布化的过程经历了如下发展路径：
- 模拟无源阵列（Passive Analog Arrays）
- 模拟有源阵列（Active Analog Arrays）
- 子阵级数字化阵列（Sub-array level Digital Arrays）
- 单元级数字化阵列（Element-level Digital Arrays）
2.1 模拟无源阵列
与基于抛物面天线和机械旋转的雷达相比，第一代无源相控阵（如图2所示）能够提供波束捷变功能（Beam Agility）和较高的搜索/跟踪刷新率（high search-and-track update rates），在这一发展过程中，抛物面天线整个辐射口径被分解成大量独立的辐射单元，每个辐射单元都有电控基于PIN开关或铁氧体的移相器来实现空间波束扫描功能。
图2 模拟无源阵列（Passive Analog Arrays）
电磁能量通过这些分布的辐射单元发射与接收，发射机通过波束分配网络（manifolds）将发射能量提供给各个辐射单元，辐射单元接收到的信号能量则通过波束合成网络合成一路后，通过数字接收机接收机完成模拟域到数字域的变换，最后在数字域进行雷达信号处理。
在这个架构中，虽然天线孔径进行了分布化，机械扫描功能也分布成了辐射单元后的能够实现整阵电扫的移相器，但发射机（Transmitter）、接收机（Receiver）和处理功能（Processor Function）依然是集中化的。
这些早期无源模拟阵列架构的典型特征是采用高功率的真空管发射机，同时阵列扫描天线扫描和波束合成部分会引入高损耗，因此无论是收发性能还是可靠性都比后来进一步分布化的模拟有源阵列差很多。
2.2 模拟有源阵列
随着砷化镓（GaAs）单片集成电路（MMIC，monolithic microwave integrated circuits）的出现，发射功率放大和低噪声接收功能也能够分布化到每个天线单元后面。
GaAs单片集成的高功率放大器（high-power transmit amplifiers）、低噪声接收放大器（Low-noise receive amplifiers）、移相器（Phase shifters）集成到了T/R组件中直接置于每个辐射单元后。
如图3所示的这一代的有源阵列架构弥补了上一代天线阵列扫描和波束合成部分的损耗，不仅有效的提升了阵列的灵敏度性能、功率辐射效率，而且由于采用分布化的T/R电路，提高了整个阵列的可靠性。
图3 模拟有源阵列（Active Analog Arrays）
2.3 子阵级及单元级数字化阵列
随着近些年射频、模拟和数字硬件技术的进一步发展，接收机和波形产生功能已经可以实现进一步分布化，这种分布化可以到每个波束合成后的子阵级甚至是是每个辐射天线单元后。
在子阵级数字化阵列中，传统的模拟波束合成和T/R组件在每个子阵中的各个天线单元后使用，而子阵间的波束合成则在数字域进行，如图4所示。
图4 子阵级数字化阵列（Sub-array level Digital Arrays）
而在单元级数字阵列中，微波射频前端的功能进一步简化了，因为对于单元级数字化阵列而言，不仅不再需要在模拟域实现模拟控制（移相和衰减）和波束合成等功能，在数字域能够实现更灵活的波束合成性能。
图5 单元级数字化阵列（Element-level Digital Arrays）
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