相控阵雷达未来的发展趋势之：多波束相控阵雷达

原文转自公众号" 相控阵" 欢迎关注。用同一相控阵天线孔径同时形成多个无损或接近无损的接收波束，是相控阵雷达的一个重要特点。综合起来，多波束相控阵天线的优势主要体现在以下几个方面：

• 单脉冲测角：形成和、差波束或实现比幅/比相的多个接收波束

• 充分利用雷达发射波束内的能量

例如，美国AN/FPS-85空间目标预警和跟踪雷达，其收、发天线分置，发射波束宽度(1.4°)大于接收波束宽度(0.8°)，相控阵天线形成图示的9个接收波束。不仅能够充分利用发射波束主瓣照射覆盖区内的辐射信号能量．同时提供了幅度比较实现单脉冲两维测角的条件。

• 应用于两坐标和三坐标雷达，提高雷达的搜索数据率和跟踪数据率

• 应用于原有两坐标雷达的接收天线，使雷达具有测高功能，成为三坐标雷达，并可降低作为三坐标雷达的造价

• 应用于分布式雷达与宽波束发射-高增益接收低截获雷达．满足宽监视空域覆盖的要求

• 多辐射源定位和多方向信号接收

• 目标确认和丢失目标重照

雷达从发现目标到转入跟踪过程中必须对初发现目标进行确认，如用多个接收波束可缩短确认时间及提高确认结果的正确率。当目标在跟踪过程中丢失后，必须在目标丢失区域附近进行局部搜索、重新发现目标。此时具有多个接收波束形成能力的相控阵天线有利于提高丢失目标重照的效率。

1)相控阵天线接收多波束形成

相控阵天线接收多波束形成可在射频、中频、视频，甚至光学波段形成。目前，多数相控阵雷达接收多波束以射频方法为主。当要形成的接收波束数目不大时，采用在低噪声放大器(LNA)后接移相器的方法，通常适用于强制馈电方式(若为空间馈电，可参照抛物面天线多波束设计方法，用多个初级馈源喇叭实现)；当要形成的接收波束数目很大时，如要求覆盖较大空域(例如±60°扫描范围)，一般多采用Blass多波束形成法、Butler矩阵多波束形成法、龙伯透镜法等。但考虑天线副瓣、信号带宽增大等因素。上述方法在真正成功的相控阵雷达中尚未有报道，而较多的应用于电子侦察和电子干扰等系统中。多波束形成亦可在中频实现(如Blass多波束形成法等)，英国早期一维相扫三坐标雷达Martello(圆堡)中即有应用。

数字波束形成(DBF)则在视频形成，由于波束形成在计算机内完成，各天线单元需要的相位补偿和幅度加权也在计算机内完成。因而具有很多优点，在相控阵雷达中应用渐增。DBF技术的主要特点是：

• 可形成多个接收波束

• 具有改变天线波束形状的灵活性，即波束形状捷变能力

例如，为了合理解决相控阵雷达在搜索和跟踪两种状态对信号能量分配、数据率等的要求不同带来的矛盾，在搜索状态和跟踪状态可采用不同形状的天线波束。DBF允许在一个重复周期内改变方向图形状(如由笔形波束变为余割平方波束)、波束宽度、多波束之间的相交电平和天线波束的副瓣结构等。

• 实现接收天线低副瓣或超低副瓣的要求

• 改善天线波束指向精度

• 自适应波束形成

自适应零点控制(波束凹口的数目与指向)适用于雷达抗干扰、电子侦察等。空时自适应信号处理(STAP)在机载雷达中的应用是DBF技术的一个重要分支

• 多信号源定向

• 有利于形成共形相控阵天线

DBF技术应用于相控阵雷达必须解决以下问题：

• 高精度信号相位/幅度采样/检测设备．这是实现相位、幅度补偿的必要条件

• 多通道接收机。中频直接采样

• 稳定的本振信号功率分配网络

• 多波束形成算法及自适应算法

目前，最经济的多波束形成算法是FFT，它的等效RF方案即是Butler矩阵。DBF技术广泛应用目前还存在一些制约因素，其设备量较大、成本较高，同时难以在瞬时宽带信号条件下使用。因此，对大型相控阵天线目前主要采用子阵级DBF。

2)相控阵天线发射多波束形成

相控阵发射天线多波束形成采用时间分割方法，即在一个重复周期内顺序向不同空间方向发射脉冲,获得多个发射波束，通过改变重复周期及发往不同方向的信号脉冲宽度，可以调节各个方向的跟踪目标所需的发射能量和跟踪数据率。

改变发射波束方向的转换时间取决于波控的转换时间。当采用基于DDS的数字T/R组件后，这一转换时间将大大缩短，使实现发射多波束更为方便。

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