详细分析：现代舰载有源相控阵雷达系统

舰载雷达系统需求

舰载雷达系统通常必须在短时间内监视数千个方向位置，跟踪数百个目标和制导导弹。只有相控阵天线满足这些需求，因为相控阵天线可以在微秒内以电扫方式快速调整雷达波束，使它们照射大范围内的不同方向位置。除了提高灵敏度外，还需要改善系统稳定性，以便在海杂波或地杂波中探测低空飞行的巡航导弹。

与此同时，雷达需求也日益增多，比如缩减采购、运行和维护成本，提高可靠性，降低操作人员数量。虽然相控阵天线的概念非常简单，但天线设计的限定因素非常多，甚至有些复杂。

固态元器件技术的迅猛发展，持续并显著地影响了相控阵天线的设计和性能。有源相控阵天线的核心是发射/接收(T/R)模块。每个辐射单元的T/R模块在发射信号时进行功率放大，在接收信号时进行低噪声放大，也进行波束控制的移相控制。

采用砷化镓(GaAs)微波单片集成电路(MMIC)技术的T/R模块可以满足性能需求，可靠性非常高，批量生产成本也可承受。

有源相控阵雷达比无源相控阵雷达的性能要高几个数量级，同时提高了可靠性并降低了采购成本。海军舰载雷达研发项目中的有源相控阵是一项关键技术，例如AN/SPY-3多功能雷达是可用于远程监视的广域搜索雷达，也是可用于海军战区弹道导弹防御的先进雷达。

相控阵天线概述

为了充分理解有源相控阵技术的用途，首先回顾目前数个军用雷达系统采用的传统或无源阵列方法。典型的无源相控阵天线射频框图如图1a所示。

一部中央发射机，通常由大功率微波管(如行波管)或交叉场放大器组成，通过一个大功率波束控制网络为辐射单元提供能量。高功率铁氧体或二极管移相器控制每个辐射单元，以电子方式控制波束到所需的角度。

图1 (a)无源相控阵天线的射频框图 (b)有源相控阵天线的波束合成器结构

在接收模式下，利用小功率波束合成网络合成辐射单元和移相器的输出。通常，三个同时接收的波束可以用来进行单脉冲跟踪。低噪声放大器(LANs)可用于放大波束合成器的输出信号。无源相控阵雷达最好的例子之一是AN/SPY-1雷达(如图2所示)，它已经服役超过20年，是海军装备的性能最好的雷达。

图2 DDG-51伯克级驱逐舰的SPY-1/D 相控阵天线

无源相控阵系统有一些性能局限，系统效率不高。例如，发射波束合成器的损耗通常比较大，所以发射机必须发射大功率信号克服这些损耗。因为发射机发射的射频功率的绝大部分，在辐射之前就以热量的形式浪费了。

大功率中央发射机通常采用微波管技术，占空比比较低，波形灵活性有限。接收波束合成器的损耗高，特别是需要低副瓣时，会显著降低接收灵敏度。此外，在杂波环境下使用雷达时，中央源的传输噪声通常是一个限制因素。

相比采用固态技术的发射机，基于高功率管的发射机及其附属高压供电系统，可靠性更低，维护和更换成本更高。最后一个因素尤其重要，既舰船可以持续执行较长时间任务，同时避免在海上进行维护。

有源相控阵的优势

不断演变的威胁推动了大幅改善雷达性能的需求。采用有源相控阵技术可以改善雷达性能，同时也可改善可靠性、可维护性、可用性和全寿命成本。在有源相控阵中，通过每个辐射单元的一个T/R模块，可以实现发射和接收功能(如图1b所示)。

T/R模块在发射信号时进行功率放大，在接收信号时进行低噪声放大，为波束转换和副瓣抑制进行幅度和相位控制。因为这种将功率放大器和低噪声放大器置于孔径上的构造，能够显著降低传输和接收损耗，从而可以在既定数值的微波功率下提高雷达灵敏度。

灵敏度改善

发射和接收波束合成器的损耗更低，固态T/R模块比传统的基于高功率管的发射机的占空比高，通常能够将雷达灵敏度提高几个量级。

杂波条件下的目标探测能力改善

在有源相控阵中，发射噪声和不稳定(如T/R模块和供电系统)的重要信源分布在孔径上。因此，它们的噪声输出不会以与发射信号相同的方式连续增加，会引起脉冲间的平均变化。这样会显著改善有源相控阵雷达的能力，可以探测海杂波或地杂波中的小型动目标。

波形和模式灵活性改善

采用固态有源相控阵技术的波形灵活，可以更好地优化探测、跟踪、目标识别、照射、毁伤评估和导弹通信等多种功能。此外，阵列单元的T/R模块进行振幅和相位控制，所以可以更加轻而易举地为雷达工作方式优化辐射模式，包括采用零合成技术。

宽带工作能力明改善

有源相控阵采用固态技术，可以在宽带微波频率上工作。此外，有源相控阵结构有助于应用时延装置，具有宽带宽、高分辨率波形和目标成像能力。

工作可靠性改善

固态技术和附属的低压供电系统具有较好的可靠性。此外，阵列采用分布式的T/R模块和供电系统设计，能够在某些模块故障时满足工作性能需求。有源相控阵的维护周期间隔很长，可以避免在海上进行维护。有源相控阵改善了可靠性，可以显著降低阵列全寿命周期的运行和维护成本。

有源相控阵重要参数

有源相控阵的重要参数有：•工作频率和带宽•有效全向辐射功率•扫描范围•波束宽度•副瓣水平(所有单脉冲接收通道)•跟踪精度•波形参数(占空比，脉宽)•系统噪声系数•三阶交调•稳定性和相位噪声•谐波和杂散输出•可靠性、可维护性和可用性•制造和全寿命成本•最优功率需求和雷达冷凝•舰载环境需求。

工作频率、波形参数和阵列性能需求，随着雷达的特定用途而变化。有效的各向同性辐射功率和波束宽度，决定了阵列单元的数量和T/R模块的输出功率。副瓣电平决定了T/R模块、阵列和收发波束合成器的振幅和相位特性。

相位噪声、稳定性、可靠性和可维护性都会影响阵列结构，也会影响T/R模块和供电系统的特性。结合环境需求，天线的成本和重量决定了不同组件和天线结构采用的技术。天线的成本、重量和性能通常是设计和交易时非常重要的因素。

有源相控阵雷达系统框图

有源相控阵雷达系统框图如图3所示。有源相控阵由发射和接收天线阵列组成，包括辐射单元、天线罩及附属结构，T/R模块及附属控制电路，射频波束合成器，直流供电系统，波束转换控制器。以下段落将讨论这些有源相控阵子系统的重要特性和基础设计。

发射/接收(TR)模块

T/R模块是有源相控阵雷达天线的基本组件和关键技术。根据用途，有源相控阵可以由数百或数千个T/R模块组成。这些T/R模块在阵列性能发挥方面起着重要作用，它们需要进行大量的封装设计，占有源相控阵天线成本的50%。

典型的T/R模块照片

砷化镓微波单片集成电路技术，是实现每个天线单元所需的微波电路密度的关键技术。在期望的有源相控阵成本下，砷化镓微波单片集成电路半导体的批量生产，是实现有源相控阵性能优势的关键。典型的T/R模块如图4所示。

图5是典型的T/R模块框图。每个模块包含一个发射通道和一个接收通道。发射通道由移相器、可变增益放大器或衰减器、激励放大器和功率放大器组成。功率放大器组可以由几个功率放大器组成，通常是2个或4个，这些功率放大器的输出功率合成后，可以获得辐射单元所需的输出功率。

典型的T/R模块框图

环形器用于发射和接收通道间的双向作用和隔离，防止波束扫描期间天线单元输入阻抗的变化，引起功率放大器的负载波动。接收通道由限制器、低噪声放大器、移相器和可变放大器或衰减器组成。该模块结构可以选择最佳的模块噪声系数、三阶截点和动态范围。

T/R模块通常也嵌入电压调节和数字控制电路。本地储量可用于维持发射脉冲现有的状态，满足上升时间要求。此外，串联稳压器可调节一部分或所有内部电压，使电源纹波和噪音减小到可控水平，满足日益严格的频谱纯度需求。

低电阻六角形金氧半场效电晶体开关，通常用于控制各种放大器的偏置电流。为了减少封装的复杂性，移相控制器和衰减器的数字信号通常串行输入到T/R模块中。通过移位寄存器和时钟信号，串行数据流可转换为并行数据。内存也可以嵌入T/R模块中，可以减少预设波束位置之间切换所需的时间。

T/R模块重要参数

T/R模块需求源于相控阵天线需求，根据用途不同有显著差异。T/R模块通常有以下重要参数：•工作频率和带宽•输出功率•功率附加效率•杂散和谐波输出•工作周期和脉冲特性•接收噪声图•接收增益和三阶交调•振幅和相位的数值•振幅和相位均方根误差•平均故障间隔时间(MTBF)•成本。

系统用途决定了频率、带宽和输出功率。一种典型的X波段组件的额定输出功率为10瓦左右，采用了商用微波单片集成电路。通常低频段工作时功率大。功率附加效率是可以将有源相控阵基本功率需求和冷凝负荷降到最低的一个重要参数。取决于采用的技术，发射功率附加效率通常可以达到20到25%。

低噪声放大器微波单片集成电路在微波环境下的噪声系数一般在1-2dB范围内。加上损耗和其他影响，模块噪声系数通常在3-4dB范围内。模块在低副瓣工作时，需要进行更多数量的相位控制以减少振幅和相位均方根误差。

因为有源相控阵中有大量T/R模块，因此模块的制作费用对有源相控阵可购性而言非常重要。模块的制作费用随性能、设计复杂度、生产数量和其他因素的不同而有所不同。

辐射单元和天线孔径

重要的设计任务是，设计一种能在工作频段和广域扫描阵列中有效辐射的辐射单元，且该辐射单元要有良好的阻抗匹配。因为通常有在大量的辐射单元，所以成本是一个重要的考虑因素。因为辐射单元的性能受与其他辐射单元相互耦合的影响，因此辐射单元设计时必须考虑辐射环境而不是独立的单元。

设计过程通常是迭代的，包括数字化电子建模工具仿真，通过选定的扫描角验证波导模拟器的性能，验证一个小型测试阵列(通常由100个阵列单元组成)的整系统性能。一个精心设计的阵列单元可以覆盖预定扫描量的，其中是扫描阵列侧向角。

不同阵列单元已经在偶极、微带贴片、微带和波导缝隙、波导、喇叭和喇叭型切口(如图6所示)等阵列系统上得以应用。阵列单元的选择取决于几个因素，如功率处理、极化方式、工作带宽、环境条件、部署安排和制造成本。

偶极天线和微带贴片天线的带宽通常较窄。阵列单元的带宽是根据中心频率的增益损耗来定义的。在宽频带阵列中，通常使用的是喇叭型切口阵列单元(如图6a和6b所示)，它是一个开放的正交中心导体回路激发外部导体中的切口。已经论证了6:1的带宽。

对微带缝隙天线而言，必须在每个缝隙后面使用一个腔来限制对前半球的辐射。如图6c和6d所示，它是微带缝隙散热器。

对大功率雷达阵列而言，通常使用矩形或圆柱形波导辐射单元(如图6e所示)的变型。波导阵列虽然很重，但损耗和扫描衰减低。脊波导可在宽带宽上使用。单波导、双波导和四脊波导如图6e所示。

微带贴片单元(如图6f所示)可以采用低成本的平版技术制作。相控阵采用电磁耦合贴片，通过选择贴片尺寸、衬底厚度和介电材料，带宽可以增加15%以上。使用双层贴片形成一个双调谐的单元，可以进一步增加带宽。

射频波束合成器结构

射频波束合成器在决定阵列雷达的辐射模式，特别是副瓣电平方面起着重要作用。发射时，射频波束合成器将输入信号分发给单个T/R模块。通常，这样做是为了让每个T/R模块接收相同的输入功率。在每个T/R模块中进行同等放大，然后产生均匀的发射孔径分布，可以最大限度地提高发射天线的增益。

在接收模式下，孔径振幅衰减通常用于降低副瓣电平。有源相控阵雷达通常需要低副瓣电平，以降低干扰的影响。孔径的振幅和相位误差电平决定了副瓣电平。相位误差主要源自T/R模块和射频波束合成器。

T/R模块的移相控制可以校准模块和波束合成相位误差。为了达到低残余，量化相位误差以改善低副瓣的性能，T/R模块采用了7位数字移相器微波单片集成电路。

为了取得足够的跟踪精度，雷达通常采用单脉冲跟踪技术，需要单独的接收通道或射频波束合成装置，用于接收和值、三角形方位角、三角形高程和三角形之间的通道数。为了实现低副瓣性能，每个通道都可以选择一个最佳的振幅分布。

另外，因为通道是同时使用的，所以T/R模块中的单个移相器不能同时校正所有单相通道的相位误差，和通道副瓣通常优先于差分通道副瓣。在研制有源相控阵雷达波束合成结构时，有许多权衡取舍。

如图所示，这是单极有源相控阵天线的简化波束合成结构。在接收模式下，首先使用列波束合成器合成辐射单元的输出。然后将列波束合成器的输出与水平波束合成，形成和值、三角形方位角、三角形高程和三角形之间的通道数。

利用衰减器或可变增益放大器，T/R模块采用了接收孔径加权。因为T/R模块采用了接收振幅加权，因此发射和值、接收和值波束合成器均匀分布，并且共享发射和接收功能。列和行组合的顺序可以交替变化。

具有独立收发波束的波束合成器

相控阵的振幅衰减器也可以安装在波束合成器中，而不是安装在T/R模块中，如图7所示。因为这种结构的发射和接收振幅衰减不同，所以接收波束和发射波束需要单独的波束合成器。

尽管具有独立收发波束合成器的阵列比较复杂，但它的接收噪声系数很低。如果雷达要探测小回波信号，需要较低的天线噪声系数。对这两种结构进行分析，结果表明，对于大型有源相控阵天线，两者噪声值相差约0.5 dB。选择普通或独立的波束合成器时，需要考虑波束合成器的复杂性和天线噪声系数。

波束转换控制器

通过改变T/R模块中的移相器的插入相位，可以控制有源相控阵天线的发射和接收波束。天线波束扫描控制器(BSC)为所有的T/R模块生成移相指令。生成的移相指令既可以发给阵列，也可以在集中位置处理。这两个结构分别称为分布式波束扫描控制器和集中式波束扫描控制器。

(a)分布式波束控制器体系结构

在分布式波束扫描控制器结构中(如图9a所示)，中央控制器生成简单的指令，如扫描角度、频率和时间。T/R模块控制的电子器件包括专用集成电路(ASIC)、带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、场效应晶体管(FET)开关等。通过简单的输入指令和模块位置，专用集成电路可以计算出每个T/R模块的相位设置。

带电可擦可编程只读存储器中存储了每个T/R模块的线性振幅和相位表。这些数据都有特定的模块，以模块工厂测试结果为基础存储在带电可擦可编程只读存储器中，并且可以在任何时候删除和重新加载新的数据。从专用集成电路到T/R模块的数据传输速率大约为20mbps。

在本地分配时钟可以最小化噪声，因为时钟不同步。由于许多不同的波束扫描/增益相位组合可以预先存储在内存中，因此易于实现不同波束之间的切换，无需在单个驻留中重新计算。

(b)集中式波束控制器体系结构

在集中式波束扫描控制器结构(如图9b所示)中，中央位置执行大部分计算任务，每个T/R模块所需的数据直接通过并行总线发送到T/R模块或T/R模块组(例如最小可更换组件)。

中央波束扫描控制器有多张数字信号处理器(DSP)卡，每张卡对应一个特定的T/R模块组，并存储该模块组的所有校准值(线性表格)。在最小脉冲重复间隔(PRI)内，每张数字信号处理器卡为模块组中的每个T/R模块执行一次波束指向计算。

对于集中式波束扫描控制器结构，该功能可通过FPGA实现，以满足新的T/R模块需求。集中式波束扫描控制器的优点是中央处理器可以通过商业途径购买，能够为不同的雷达系统重构。大型有源相控阵系统既可采用分布式波束扫描控制器结构，也可采用集中式波束扫描控制器结构。

机械封装

与有源相控阵天线的机械设计相关的主要封装考虑包括易于维护、热量管理、封装直流配电系统、射频波束合成器、辐射孔径设计/接口和结构设计。天线工作频率是设计人员可用的封装选择中最重要的驱动因素。

随着工作频率的增加，电子器件的间距将随之减小，电子器件之间的间隔更加紧密。幸运的是，对设计人员而言，高密度阵列所需的T/R模块输出功率需求较低。因此，最差的热量设计问题通常与最差的封装密度无关。

T/R模块的最小可更换组件

为了优化阵列设计以便维护，大多数有源电子器件都是最小可更换组件，其中包括T/R模块、直流电源转换器和各种控制/处理器组件(如图10所示)。在发生故障时，可靠性和系统影响决定了组件是不是要设计成最小可更换组件。

系统架构、最小可更换组件的可靠性，以及最小可更换组件的成本，决定了指定的最小可更换组件的配置。至少达到最小可更换组件的故障隔离，才能在维护期间将所需的维护时间减少到最短。结构部件、冷却液分配系统、射频波束合成器、直流配电和布线，通常需要足够的可靠性，因为舰船在海上时无法修复这些故障。

散热设计

散热设计对于保持电子器件的接点温度位于正常值至关重要，可以增强可靠性，并保持对温度引起的模块间相位误差的控制。T/R模块产生的热量占阵列内产生热量的70-80%。因为现代舰载有源相控阵的功率密度不断增大，通常需要液体冷凝。

目前使用的主要冷凝技术，采用了将热量从T/R模块传导到液体冷凝板或液体直接流过具有单独冷凝装置的最小可更换组件。如果空间足够电子器件置于最小可更换组件的一侧，那么最小可更换组件就可以直接与横跨组件的表面积较大的冷凝板相连。或者，最小可更换组件可以在边缘冷凝。

如图10所示，这是典型的边缘冷凝最小可更换组件。随着电子器件功率密度的不断增加，可能需要将T/R模块直接安装到液体冷凝板上。由于T/R模块的相位随温度的变化而变化，因此必须对阵列中的T/R模块进行严格的热控制。如果已知微波单片集成电路的温度，可以主动进行相位误差补偿。

然而，由于在各种工作模式和工作周期中测量实际门电路温度比较困难，主动进行相位误差补偿目前还行不通。目前的技术致力于在一个或多个工作模式下，保持整个阵列的平均冷凝温度并校准每个阵列单元。

维护需求通常要求替换最小可更换组件时不需要移除阵列单元。此外，必须从阵列的背面(甲板室内部)进行维护，因为从阵列的后面可以插入和拔出最小可更换组件。

必须人工安装射频波束合成器、功率分配系统、控制信号分配系统及其附属的电缆布线，以便随时插拔最小可更换组件，这些阵列单元必须适合T/R模块的最小可更换组件。这需要将控制、功率和射频分布(以及液冷最小可更换组件上的液体连接)盲配到最小可更换组件。

安装(a)水平流形(边冷最小可更换组件)

如图11所示，这是两种封装结构。在图11a中，T/R模块安装在附在液冷式安装结构上的热传导底座上。这种设计与航空运输机架设备设计类似，组件可以安装在底座两侧。该技术采用了一种简单且易于维护的封装设计，可以满足紧密的阵列单元间距。此外，冷凝板是天线结构的一部分。由于热传导长度的增加，功耗能力有所限制。

(b)固定垂直冷凝板

在图11b所示的布局中，T/R模块安装在最小可更换组件底座的一侧。单面最小可更换组件安装在一个大型垂直的固定冷凝板上，用楔形锁紧装置将基板压在冷凝板上。这种配置可以提供较大的冷凝板接触区域，并且插拔最小可更换组件也很容易；

然而，它更适用于较大的阵列单元间距，可以在一侧插入最小可更换组件的附属设备。这种方法的主要困难是最小可更换组件到冷凝板的接口。为了便于滑动插入和拔出，接口处不能有填充材料。

这就需要对两面进行严格的容差控制，这样会使实现模块间的可重复热敏电阻变得困难。另外，还可以使用相位转换类型的表面材料，在提取前需要加热接口。

最小可更换组件要么包含辐射单元，要么与阵列表面的辐射单元进行盲配。对低副瓣雷达阵列而言，后者是典型的情况，当辐射单元从面板加工出来时，具有紧密的辐射单元位置容差。

结构设计

结构设计是舰载有源相控阵雷达的一个重要问题。传统的船舶抗冲击需求(Mil-Std-901)一直是主要的结构设计因素。

对大多数天线系统而言，必须进行浮式平台驳船试验。这些测试会在11-14Hz时发出70克左右的冲击脉冲。其次考虑的是在辐射孔径保持足够的刚度，以确保在领海作战和舰载结构振动时保持阵列的平面度要求。

必须考虑这种弯曲刚度，因为它会直接影响阵列误差估算。保持足够的平面度(尤其在较大的高频阵列中)将变得越来越困难。目前正在研究的一种技术是主动测量和偏斜补偿。此外，误差估算必须要考虑舰船结构运动引起的大幅度偏斜，比如甲板室或桅杆的偏斜。

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