魯加國(guó)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣，多波束技術(shù)體制雷達(dá)越來(lái)越受到重視。多波束形成技術(shù)，可以充分發(fā)揮現(xiàn)代雷達(dá)的多功能、多模式以及多目標(biāo)探測(cè)等優(yōu)勢(shì)[1]。目前實(shí)現(xiàn)接收同時(shí)多波束技術(shù)已較為成熟；而雷達(dá)發(fā)射多波束技術(shù)則更為復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)架構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越和靈活可控的雷達(dá)發(fā)射多波束，不僅需要與其匹配的雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)體制，還需要電子信息、微電子和材料等諸多相關(guān)學(xué)科的技術(shù)支撐。因此，如何形成發(fā)射多波束來(lái)匹配接收多波束，最大程度挖掘雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代雷達(dá)研究和發(fā)展的重點(diǎn)方向。

1 發(fā)射多波束技術(shù)應(yīng)用

雷達(dá)發(fā)射多波束技術(shù)可以應(yīng)對(duì)新形勢(shì)下探測(cè)目標(biāo)特性和環(huán)境的變化，在多種復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景中滿(mǎn)足雷達(dá)的作戰(zhàn)和任務(wù)需求。下面舉例說(shuō)明。

1.1 在機(jī)載多功能監(jiān)視雷達(dá)中的應(yīng)用

機(jī)載多功能監(jiān)視雷達(dá)已經(jīng)在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其具備的廣域搜索能力，可實(shí)現(xiàn)方位向上的大范圍覆蓋。將發(fā)射多波束技術(shù)應(yīng)用于機(jī)載多功能監(jiān)視雷達(dá)中，可以大幅提高機(jī)載多功能監(jiān)視雷達(dá)的工作效率和時(shí)效性，并增強(qiáng)雷達(dá)抑制雜波的能力，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)對(duì)空、海、地、成像、動(dòng)目標(biāo)、通信等多任務(wù)同時(shí)工作，如圖1所示。集成發(fā)射多波束技術(shù)的機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)主要特點(diǎn)有：

圖1 機(jī)載多功能監(jiān)視雷達(dá)多任務(wù)同時(shí)工作

1) 同時(shí)搜索/跟蹤、多區(qū)域同時(shí)搜索以及同時(shí)多目標(biāo)跟蹤，提高數(shù)據(jù)率和跟蹤精度。

2) 同時(shí)完成雷達(dá)成像和動(dòng)目標(biāo)探測(cè)工作模式，例如同時(shí)成像和動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)、跟蹤。

3) 同時(shí)多區(qū)域成像。如雷達(dá)平放在機(jī)腹下方可同時(shí)完成飛機(jī)雙側(cè)成像，或側(cè)視同時(shí)多波位成像，來(lái)匹配導(dǎo)航等應(yīng)用場(chǎng)景。

4) 高分辨率寬測(cè)繪帶成像，賦予其他非雷達(dá)功能。

1.2 在新一代防空反導(dǎo)多功能雷達(dá)中的應(yīng)用

與防空預(yù)警相比，反導(dǎo)預(yù)警的區(qū)域和空間更加寬泛，將發(fā)射多波束技術(shù)應(yīng)用于新一代防空反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)防空反導(dǎo)一體化，并充分利用雷達(dá)發(fā)射波束控制靈活、覆蓋空域大的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)作戰(zhàn)需要設(shè)計(jì)多種針對(duì)不同目標(biāo)類(lèi)型和雜波背景工作模式，如圖2所示。集成發(fā)射多波束技術(shù)的防空反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)一體化突出的優(yōu)勢(shì)在于：

圖2 防空反導(dǎo)一體化多功能雷達(dá)工作場(chǎng)景

1) 與數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)的結(jié)合，可提高雷達(dá)的探測(cè)能力。在空域上，雷達(dá)的搜索、跟蹤區(qū)域不再固定受限，發(fā)射多波束技術(shù)可根據(jù)探測(cè)需求，靈活控制波束指向，同時(shí)搜索、跟蹤大范圍、多區(qū)域目標(biāo)；在時(shí)域上，采用發(fā)射多波束技術(shù)，雷達(dá)可與獨(dú)立形成搜索和跟蹤波束，同時(shí)進(jìn)行目標(biāo)搜索和跟蹤任務(wù)，提高雷達(dá)的探測(cè)效率。

2) 提高雷達(dá)的抗干擾能力。首先，針對(duì)無(wú)源干擾情況，發(fā)射多波束可采用自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)波束的自適應(yīng)零陷控制，將發(fā)射波束指向目標(biāo)期望方向，而使零陷位置對(duì)準(zhǔn)干擾源方向，降低無(wú)源干擾的影響。其次，面對(duì)復(fù)雜敵意干擾源，結(jié)合多輸入多輸出技術(shù)(MIMO，Multiple Input Multiple Output),采用多波束干擾抑制以及波束捷變等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜敵意干擾的抑制。此外，發(fā)射多波束也可以滿(mǎn)足在正常工作的同時(shí)，發(fā)射干擾波束，掩護(hù)自身信號(hào)特性，為增加敵方干擾難度。

3) 相比常規(guī)雷達(dá)分時(shí)探測(cè)技術(shù)，發(fā)射多波束技術(shù)可滿(mǎn)足針對(duì)不同區(qū)域任務(wù)的需求，發(fā)射相應(yīng)的波束，并結(jié)合相控陣?yán)走_(dá)多功能、多任務(wù)的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的實(shí)時(shí)處理，進(jìn)一步提升了雷達(dá)的作戰(zhàn)能力。

1.3 偵干探通遙多功能系統(tǒng)中的應(yīng)用

偵干探通多功能系統(tǒng)采用多個(gè)發(fā)射波束共用一個(gè)射頻口徑的方式實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、偵察、干擾和通信等多功能，完成目標(biāo)搜索與跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)和控制、偵察與干擾等任務(wù)，如圖3所示。

圖3 機(jī)載偵干探通多功能系統(tǒng)的構(gòu)想圖

目前，偵干探通多功能系統(tǒng)尚處于探索創(chuàng)新階段，但如果在偵干探通遙多功能系統(tǒng)中結(jié)合數(shù)字陣列，集成同時(shí)發(fā)射多波束技術(shù)，必將大幅提升系統(tǒng)的功能和性能。具體分析如下：

1) 提高雷達(dá)的作戰(zhàn)性能。相同的條件下，電子偵察系統(tǒng)的作用距離遠(yuǎn)大于雷達(dá)，可先于雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，電子偵察系統(tǒng)可為雷達(dá)作目標(biāo)指示。

2) 提高雷達(dá)的抗干擾能力。如果雷達(dá)發(fā)射的波形與干擾相似，會(huì)增加敵方干擾系統(tǒng)分選、識(shí)別威脅的難度，也可能被其偵察系統(tǒng)誤認(rèn)為純干擾而不采取對(duì)抗措施，因此可減小雷達(dá)遭受有源和無(wú)源電子干擾的概率。

3) 提高雷達(dá)的生存率。利用電子偵察設(shè)備的距離優(yōu)勢(shì)，作戰(zhàn)平臺(tái)可隱蔽接近目標(biāo)，直到目標(biāo)進(jìn)入武器系統(tǒng)作用范圍才發(fā)射信號(hào)，可縮短雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和平臺(tái)暴露的時(shí)間。

4) 改善干擾的效果。偵干探通一體化系統(tǒng)具備一維信號(hào)分選、識(shí)別參數(shù)功能，可大大降低虛警，增加信息的可靠度，可利用雷達(dá)提供的目標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)干擾。

5) 利于干擾效果評(píng)估。電子偵察系統(tǒng)利用雷達(dá)提供的目標(biāo)距離和航跡等信息，判斷干擾效果，以便選擇最佳干擾樣式，獲得最好的干擾效果。

2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

多波束形成技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，在多波束形成方面已經(jīng)取得了許多成果[2-4]。多波束形成經(jīng)歷了從經(jīng)典的矩陣網(wǎng)絡(luò)式多波束、透鏡式多波束到相控陣多波束的演變；未來(lái)，結(jié)合數(shù)字陣列體制形成多波束將成為研究和發(fā)展的主要趨勢(shì)。

2.1 經(jīng)典的發(fā)射多波束

早期主要通過(guò)模擬的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多波束的形成，即在射頻或中頻通過(guò)硬件方式形成多個(gè)波束，例如Blass、Butler、Rotman多波束矩陣網(wǎng)絡(luò)等，這類(lèi)方法因?yàn)榫哂袩o(wú)損增益，各波束之間是正交的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但這類(lèi)方法也存在明顯的缺點(diǎn)：波束網(wǎng)絡(luò)方案確定之后，波束的形狀、指向和相鄰波束的相交電平等特性也隨之固定，難以改動(dòng)；硬件設(shè)備量也會(huì)隨著發(fā)射波束數(shù)目的增多而增加，大幅增加了雷達(dá)系統(tǒng)的成本。

此外，利用典型的龍伯透鏡天線(xiàn)也可在全空間形成多波束，并保持每個(gè)波束增益相同。由于球形龍伯透鏡天線(xiàn)安裝相對(duì)復(fù)雜，因此結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的柱面龍伯透鏡天線(xiàn)近年來(lái)受到了更多重視和研究。

2.2 有源相控陣發(fā)射多波束

有源相控陣實(shí)現(xiàn)波束掃描發(fā)射多波束需要多個(gè)射頻功率合成網(wǎng)絡(luò)，射頻功率合成網(wǎng)絡(luò)與天線(xiàn)單元相連的支路具有相位調(diào)節(jié)功能，一般發(fā)射波束的數(shù)目同射頻功率合成網(wǎng)絡(luò)數(shù)目相同。多波束發(fā)射有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)較為復(fù)雜[5]，天線(xiàn)單元發(fā)射的信號(hào)，先經(jīng)過(guò)移相器，接著按子陣相加，然后進(jìn)行放大，分路、配相后送相加器形成多波束發(fā)射，其原理如圖4所示。

圖4 有源相控陣天線(xiàn)子陣多波束

天線(xiàn)陣面劃分為多個(gè)獨(dú)立可控的天線(xiàn)子陣，形成多個(gè)同時(shí)異頻發(fā)射波束，并實(shí)現(xiàn)多個(gè)異頻發(fā)射的信號(hào)同時(shí)接收，相當(dāng)于多套雷達(dá)同時(shí)工作，在任務(wù)調(diào)度時(shí)，單任務(wù)或多任務(wù)并行排隊(duì)，請(qǐng)求信息平均分到多個(gè)陣列天線(xiàn)子陣?yán)镞M(jìn)行控制。

有源相控陣發(fā)射多波束的優(yōu)點(diǎn)是不同子陣的陣面放大器只放大單頻信號(hào)，沒(méi)有交調(diào)信號(hào)，空間頻譜干凈，也沒(méi)有大信號(hào)壓小信號(hào)的現(xiàn)象[6]，缺點(diǎn)是多波束的形成降低了天線(xiàn)的孔徑增益，在設(shè)計(jì)中需要綜合考慮。

2.3 發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)典的矩陣網(wǎng)絡(luò)和透鏡多波束形成的研究時(shí)間較長(zhǎng)，但實(shí)際多在雷達(dá)接收多波束上有應(yīng)用[7]；由于這兩種方法存在形成波束的數(shù)量固定、波束難以?huà)呙琛⑾到y(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、研制成本高等問(wèn)題，在雷達(dá)發(fā)射多波束技術(shù)領(lǐng)域難以廣泛應(yīng)用。

相控陣?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)接收/發(fā)射多波束方式常用的方法，是在時(shí)間上交錯(cuò)地發(fā)射不同頻率的波束實(shí)現(xiàn)發(fā)射多波束，多套射頻網(wǎng)絡(luò)合成形成接收多波束，在實(shí)際裝備中已有應(yīng)用[8]。數(shù)字陣列雷達(dá)是新一代相控陣?yán)走_(dá)，經(jīng)過(guò)30多年的應(yīng)用發(fā)展，具備或超過(guò)了常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)的功能和性能，例如，數(shù)字陣列雷達(dá)接收多波束是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，形成接收多波束不需要額外的波束形成矩陣網(wǎng)絡(luò)或透鏡。

眾所周知，天線(xiàn)孔徑面積對(duì)提高雷達(dá)性能有非常重要的意義。數(shù)字陣列同孔徑發(fā)射多波束形成的實(shí)質(zhì)是在數(shù)字域進(jìn)行幅度和相位加權(quán)，然后通過(guò)多波束數(shù)字域疊加的方式進(jìn)行同孔徑多波束形成，如圖5所示，最大限度利用了天線(xiàn)增益。數(shù)字陣列實(shí)現(xiàn)同孔徑發(fā)射多波束要求多波束在空域、頻域不能重疊，相對(duì)單波束，多波束中每個(gè)波束能量降低。多波束以犧牲頻譜資源和發(fā)射能量資源作為代價(jià)，獲得了增益優(yōu)勢(shì)。

圖5 同孔徑天線(xiàn)發(fā)射多波束

數(shù)字陣列雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的帶寬越寬，可形成的波束數(shù)越少。發(fā)射多波束的每個(gè)波束都是在基帶形成，且需要不同的時(shí)間延遲和相位加權(quán)。由于這些加權(quán)系數(shù)的運(yùn)算都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，因而能夠以緊湊的硬件結(jié)構(gòu)完成復(fù)雜的功能，尤其在形成的波束數(shù)量很多時(shí)，硬件的復(fù)雜度也會(huì)增加。但是，無(wú)論是采用時(shí)域還是頻域方式處理，由成百上千個(gè)通道的高速數(shù)字信號(hào)帶來(lái)的數(shù)據(jù)量和計(jì)算量對(duì)波束形成信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[9]。

3 數(shù)字陣列雷達(dá)發(fā)射多波束關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字陣列雷達(dá)發(fā)射多波束的核心是與多波束相對(duì)應(yīng)的多頻率數(shù)字化信號(hào)產(chǎn)生，其主要作用包括3個(gè)方面：一是產(chǎn)生數(shù)字陣列天線(xiàn)發(fā)射多波束所需的多頻率波形信號(hào)；二是提供發(fā)射多波束形成所需的不同相位；三是大數(shù)字陣列天線(xiàn)波束掃描時(shí)，為了補(bǔ)償天線(xiàn)孔徑渡越時(shí)間，提供數(shù)字陣列天線(xiàn)發(fā)射不同波束瞬時(shí)帶寬工作所需的時(shí)間延遲。從數(shù)字陣列雷達(dá)發(fā)射多波束的角度來(lái)說(shuō)，有波束帶寬積提升、多路相位同步、分布式相參頻率源、高效率實(shí)現(xiàn)、雷達(dá)資源的管理和控制等值得研究的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 波束帶寬積提升技術(shù)

單元級(jí)數(shù)字陣列天線(xiàn)發(fā)射多波束帶寬積，定義為天線(xiàn)發(fā)射波束數(shù)量與帶寬的乘積。增大波束帶寬積可有效提升數(shù)字陣列的性能；在數(shù)字陣列中，形成大波束帶寬積，實(shí)質(zhì)上是利用數(shù)字轉(zhuǎn)化技術(shù)生成多帶寬復(fù)雜信號(hào)。由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的轉(zhuǎn)換速率與寬帶信號(hào)的帶寬密切相關(guān)。近年來(lái)研究人員投入了大量的精力研究各種等效提高DAC轉(zhuǎn)換速率的方法，而這些方法中，又以基于時(shí)間交替的多DAC并行技術(shù)最為受到廣大研究人員的關(guān)注[10]。

通過(guò)采用基于時(shí)間交替的多DAC(Time Interleaved Digital-to-Analog Converter，TI-DAC)并行技術(shù)可以提高DAC采樣率，從而提高大波束帶寬積，如圖6所示。但是，復(fù)雜信號(hào)的帶寬卻受到了單個(gè)子DAC零階保持特性的限制。為了突破該限制，需要研究多通道DAC技術(shù)和基于頻帶交織的多DAC(Bandwidth Interleaving Digital-to-Analog Converter，BI-DAC)并行技術(shù)[11]。

圖6 基于時(shí)間交替的多DAC并行示意圖

在BI-DAC中，存在著各種系統(tǒng)內(nèi)部誤差，包括時(shí)延誤差、相位偏移誤差和混疊誤差等，最終導(dǎo)致BI-DAC所生成的寬帶復(fù)雜信號(hào)失真。為了在實(shí)現(xiàn)高帶寬的同時(shí)，提高BI-DAC所生成寬帶復(fù)雜信號(hào)的頻譜質(zhì)量，需要校準(zhǔn)BI-DAC中時(shí)延誤差、相位偏移誤差和混疊誤差，并進(jìn)行誤差補(bǔ)償[12-15]。

3.2 多路相位同步

在數(shù)字陣列雷達(dá)中實(shí)現(xiàn)發(fā)射多波束，需要多路激勵(lì)信號(hào)之間的相位同步，來(lái)達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量、精確定位、精確成像的目的[16]。傳統(tǒng)的直接頻率合成手段，由于產(chǎn)生不同頻率所需要的信號(hào)路徑不同，鏈路中包含的放大、混頻器件數(shù)量也不盡相同，因此在多路輸出以及頻率切換時(shí)，很難保證輸出激勵(lì)源的相位連續(xù)與同步。而且傳統(tǒng)的鎖相環(huán)頻率合成，由于小數(shù)分頻比的相位隨機(jī)性以及器件相位特性的溫度漂移也很難保證電路的穩(wěn)定工作。

直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)是具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、相位輸出連續(xù)、可編程控制、全數(shù)字化結(jié)構(gòu)、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，但是基于DDS的寬帶數(shù)字發(fā)射系統(tǒng)的多通道高精度同步是研究的難點(diǎn)[17]。多DDS芯片精確同步的難易程度，在相當(dāng)程度上是取決于DDS芯片使用的最高參考時(shí)鐘頻率，如果參考時(shí)鐘頻率越高，則多個(gè)DDS芯片輸出信號(hào)間精確相位同步就越困難。通常以DDS的時(shí)鐘系統(tǒng)作為切入點(diǎn)，從采樣系統(tǒng)的角度分析討論了針對(duì)不同時(shí)鐘系統(tǒng)，著重研究DDS的相位同步方法。

高速率參考時(shí)鐘的相位同步的關(guān)鍵要點(diǎn)之一，是內(nèi)部輔助電路的工作時(shí)鐘。由于內(nèi)部輔助電路的工作時(shí)鐘是由參考時(shí)鐘分頻得來(lái)，所以即使參考時(shí)鐘是同步的，輔助電路工作時(shí)鐘也未必是同步的，這就導(dǎo)致即使控制電路送給 DDS的數(shù)據(jù)更新信號(hào)同步，數(shù)據(jù)更新過(guò)程也無(wú)法同步。圖7所示是一種DDS輔助同步電路示意圖。

圖7 輔助同步電路示意圖

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需關(guān)注多通道高速數(shù)字信號(hào)處理硬件的成本和設(shè)備復(fù)雜度，多通道高速信號(hào)處理的高數(shù)據(jù)率傳輸和信號(hào)處理的大計(jì)算量，高速數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)處理硬件的功耗和散熱，以及精確數(shù)字延時(shí)的產(chǎn)生對(duì)高速數(shù)字信號(hào)通道間、板間互聯(lián)以及同步的要求。如FPGA、DAC等數(shù)字硬件的同步僅能實(shí)現(xiàn)一定的粗同步條件(一般在納秒級(jí))，滿(mǎn)足寬帶數(shù)字波束形成的精確同步(皮秒級(jí))還需要在數(shù)字信號(hào)處理算法中實(shí)現(xiàn)。

3.3 分布式相參頻率源

由于數(shù)字陣列天線(xiàn)波束靈敏度高、易于控制且信號(hào)合成后可獲得很高的信噪比，因此數(shù)字陣列雷達(dá)在強(qiáng)雜波下對(duì)極弱動(dòng)目標(biāo)具有很強(qiáng)的檢測(cè)能力。若要發(fā)揮數(shù)字陣列天線(xiàn)上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其涉及的信號(hào)噪聲必須是非相參的，否則將無(wú)法實(shí)現(xiàn)期望的合成效果，如圖8所示。對(duì)于收發(fā)通道的放大器噪聲和AD、DA變換的量化噪聲，其非相參假設(shè)是成立的，而對(duì)于頻率源系統(tǒng)的相位噪聲，其特性卻復(fù)雜得多[7]。

圖8 多路合成提高發(fā)射信號(hào)信噪比

除目標(biāo)本身特性外，限制雷達(dá)信噪比主要有兩個(gè)因素：一是接收機(jī)內(nèi)噪聲，即接收機(jī)通道噪聲和頻率源相位噪聲；二是發(fā)射信號(hào)噪聲，即發(fā)射放大鏈路噪聲和頻率源相位噪聲。在回波信號(hào)幅度一定時(shí)，常規(guī)雷達(dá)回波最大信噪比主要限制于接收機(jī)噪聲系數(shù)，而數(shù)字陣列雷達(dá)每個(gè)通道間的熱噪聲是非相參的，可以通過(guò)合成實(shí)現(xiàn)噪聲抑制，回波最大信噪比限制于頻率源相位噪聲和發(fā)射信號(hào)的信噪比，例如數(shù)字陣列雷達(dá)要采用噪聲非相參的分布式頻率源，以獲得更好的信噪比得益。

數(shù)字陣列雷達(dá)頻率源主要設(shè)計(jì)問(wèn)題，是噪聲相參體制與噪聲非相參體制的選擇、本振源噪聲非相參設(shè)計(jì)、采樣時(shí)鐘同步和高穩(wěn)定基準(zhǔn)源的傳輸?shù)?。需要說(shuō)明的是，這里的非相參是指其相位噪聲，而信號(hào)必須是相參的。

此外，由于天線(xiàn)陣列單元相位不一致影響合成效果和波束指向精度，同時(shí)采樣時(shí)鐘相位變化嚴(yán)重時(shí)，將會(huì)使系統(tǒng)時(shí)序紊亂，因此數(shù)字陣列天線(xiàn)分布式源相位是必須一致的。

3.4 高效率實(shí)現(xiàn)技術(shù)

提高末級(jí)功率放大器的效率和降低前級(jí)低噪聲放大器的噪聲系統(tǒng)是射頻集成電路設(shè)計(jì)師的永恒追求。數(shù)字陣列雷達(dá)有成千上萬(wàn)個(gè)天線(xiàn)單元，對(duì)應(yīng)著成千上萬(wàn)個(gè)數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)相互變換的通道，保證各通道間幅度、時(shí)間和相位滿(mǎn)足一定的關(guān)系，以及各通道內(nèi)發(fā)射多波束對(duì)應(yīng)頻率與帶寬信號(hào)的幅度和相位一致性，是發(fā)射多波束高效率形成的基礎(chǔ)。

數(shù)字陣列的每個(gè)通道有各種非線(xiàn)性器件，如放大器、混頻器等是制約通道的雙音無(wú)虛假動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵因素[18]。雖然混頻器和放大器都是非線(xiàn)性器件，但兩者重要的區(qū)別在于混頻器正是利用其非線(xiàn)性達(dá)到頻率變換的目的，需要研究混頻器交調(diào)特性特別是雙音交調(diào)特性通道性能的影響，如調(diào)制帶寬、功率損耗、鏡像頻率、雜散干擾等。

由于同時(shí)發(fā)射多個(gè)不同射頻信號(hào)會(huì)導(dǎo)致發(fā)射多波束的合信號(hào)的包絡(luò)不恒定，這就對(duì)功率放大器的線(xiàn)性度提出了要求。目前采用讓功率放大器工作在線(xiàn)性區(qū)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射多波束，這樣能很好控制多波束的幅度和相位加權(quán)。如果功率放大器工作在非線(xiàn)性區(qū)，就會(huì)導(dǎo)致射頻信號(hào)與串?dāng)_信號(hào)線(xiàn)性相加后的幅度失真和互調(diào)失真。當(dāng)出現(xiàn)失真時(shí)，增益會(huì)隨著輸入信號(hào)增大而降低，即增益壓縮現(xiàn)象。隨著輸入信號(hào)功率的增加，功率放大器非線(xiàn)性產(chǎn)生的干擾信號(hào)能量的比例也隨著增加，功率放大器會(huì)慢慢體現(xiàn)出非線(xiàn)性，使得發(fā)射的信號(hào)發(fā)生變化，從而影響天線(xiàn)的發(fā)射方向圖。

高效率的線(xiàn)性功率放大器設(shè)計(jì)成為我們面臨的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的功率放大器的輸出端口采用包絡(luò)調(diào)制器調(diào)制的動(dòng)態(tài)電源功率放大器代替固定電源的功率放大器方法，可以通過(guò)迫使功率放大器工作在飽和區(qū)域以顯著提高系統(tǒng)的效率。為了充分利用這種優(yōu)勢(shì)，能夠高效率放大寬帶包絡(luò)信號(hào)的包絡(luò)放大器設(shè)計(jì)尤為重要，不僅要關(guān)注線(xiàn)性功率放大器的設(shè)計(jì)，而且著重研究和設(shè)計(jì)了用于寬帶包絡(luò)信號(hào)的高效率包絡(luò)放大器，在功率回退處的效率大幅下降，包絡(luò)消除與恢復(fù)[19-20]和包絡(luò)跟蹤技術(shù)可以增強(qiáng)功率放大器的效率[21-25]，可有效改善功率放大器的效率。

3.5 雷達(dá)資源的管理和控制

發(fā)射多波束數(shù)字陣列雷達(dá)可以靈活地控制發(fā)射多波束數(shù)量，改變發(fā)射波的照射方向，選擇需要照射的目標(biāo)，調(diào)整發(fā)射功率、駐留時(shí)間與波束寬度等參數(shù)。這些特性極大地增加了數(shù)字陣列雷達(dá)的資源管理、優(yōu)化控制復(fù)雜性。需要加強(qiáng)數(shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)射與接收時(shí)間分配、駐留時(shí)間、重訪時(shí)間與波束寬度等雷達(dá)資源進(jìn)行合理的管理和控制，以達(dá)到減少雷達(dá)消耗功率，提高測(cè)量、跟蹤精度，提高跟蹤目標(biāo)的數(shù)量，節(jié)約時(shí)間消耗等效果。

目前雷達(dá)資源優(yōu)化的研究工作，主要集中對(duì)雷達(dá)發(fā)射功率的優(yōu)化與電磁波照射目標(biāo)的重訪時(shí)間間隔的調(diào)整[26-27]。對(duì)于雷達(dá)發(fā)射功率資源的管理，通常采用對(duì)目標(biāo)跟蹤的按威脅等級(jí)控制功率方法，基于信噪比、測(cè)量噪聲協(xié)方差的克拉美羅下界和輻射功率三者之間的關(guān)系[28]，對(duì)相控陣?yán)走_(dá)工作參數(shù)進(jìn)行控制，自適應(yīng)設(shè)計(jì)下一時(shí)刻的輻射功率，提高雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)輻射功率控制能力。

常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)的時(shí)間資源管理，主要集中在調(diào)節(jié)雷達(dá)照射目標(biāo)的駐留時(shí)間或重訪時(shí)間間隔方面[29-30]，在雷達(dá)時(shí)間資源有限的條件下，按照目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)與威脅程度，對(duì)駐留時(shí)間進(jìn)行波調(diào)分析時(shí)，只是關(guān)注雷達(dá)數(shù)據(jù)率、波位重疊率等參數(shù)與單個(gè)波位內(nèi)時(shí)間資源消耗的關(guān)系。相控陣?yán)走_(dá)因其波束數(shù)量多、目標(biāo)反應(yīng)和刷新速度快的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足多目標(biāo)、多類(lèi)型等復(fù)雜環(huán)境下的任務(wù)要求。

常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)用波束在空間快速捷變等效實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)射多波束，也可理解為時(shí)分多波束。為了提高雷達(dá)的搜索數(shù)據(jù)率，一個(gè)可行方法就是使用同時(shí)接收多波束，在需要觀測(cè)的空間同時(shí)用多個(gè)波束進(jìn)行照射。如圖9(a)所示，在一個(gè)周期內(nèi)，將3個(gè)信號(hào)發(fā)往3個(gè)不同的方向，形成3個(gè)發(fā)射波束，而在接收端同時(shí)形成10個(gè)接收波束，如圖9(b)所示。此時(shí)，搜索時(shí)間將減少2/3，數(shù)據(jù)率將提升3倍。

圖9 同時(shí)多波束時(shí)空簡(jiǎn)圖

上述研究不能滿(mǎn)足數(shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)射波束數(shù)量和指向、分配波束重返照射時(shí)間和波束駐留時(shí)間等問(wèn)題，為保證數(shù)字陣列雷達(dá)探測(cè)性能和進(jìn)一步減輕系統(tǒng)資源負(fù)擔(dān)，新的數(shù)字陣列波束和時(shí)間資源管理算法有待被挖掘，新算法的研究需要關(guān)注以下兩個(gè)方面：

一方面要研究發(fā)射/接收多波束與多波位的匹配問(wèn)題。發(fā)射/接收多波束與多波位之間的匹配實(shí)質(zhì)上是優(yōu)化策略和方法研究，與雷達(dá)的應(yīng)用場(chǎng)景有關(guān)，例如，對(duì)防空反導(dǎo)雷達(dá)來(lái)說(shuō)，波位駐留時(shí)間會(huì)限制數(shù)字陣列雷達(dá)進(jìn)行脈沖積累時(shí)所能采用的脈沖個(gè)數(shù)，直接影響對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率和探測(cè)距離等性能指標(biāo)。多個(gè)波位內(nèi)數(shù)字陣列雷達(dá)執(zhí)行任務(wù)消耗的時(shí)間資源，會(huì)影響波位排布時(shí)每個(gè)波位所需分配駐留時(shí)間的最小值，從而影響雷達(dá)波位排布方式的選擇。

另一方面要研究發(fā)射多波束與接收多波束的匹配問(wèn)題。由于被探測(cè)目標(biāo)的距離不同、屬性不同，雷達(dá)的多目標(biāo)回波信號(hào)到達(dá)雷達(dá)的時(shí)間不同；同時(shí)，雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射和接收無(wú)法同時(shí)進(jìn)行，對(duì)多任務(wù)和多目標(biāo)探測(cè)的發(fā)射多波束雷達(dá)，雷達(dá)資源的管理和控制復(fù)雜度大幅度增加，在特定應(yīng)用場(chǎng)合，需要研究雷達(dá)發(fā)射波束數(shù)量、接收波束數(shù)量、發(fā)射/接收信號(hào)工作時(shí)序關(guān)系等資源優(yōu)化管理和控制策略。

4 結(jié)束語(yǔ)

單元級(jí)數(shù)字陣列雷達(dá)發(fā)射多波束是數(shù)字陣列技術(shù)再創(chuàng)新的重要研究領(lǐng)域之一，是推動(dòng)多功能雷達(dá)探測(cè)性能跨代提升的新手段，是帶動(dòng)材料、微電子和電子信息等多學(xué)科的交叉融合創(chuàng)新的重要路徑。相信未來(lái)的單元級(jí)數(shù)字陣列發(fā)射多波束將在雷達(dá)探測(cè)性能和功能方面取得巨大的進(jìn)步，從數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用的角度，大力挖掘和研究數(shù)字陣列雷達(dá)發(fā)射多波束關(guān)鍵技術(shù)，必將極大推動(dòng)新一代多功能數(shù)字陣列雷達(dá)的問(wèn)世。