Horus: A Testbed for Fully Digital Phased Array Radars

C. Fulton, R. Palmer, M. Yeary, J. Salazar and H. Sigmarsson，University of Oklahoma, Advanced Radar Research Center, Norman, Okla.；M. Weber，University of Oklahoma/National Oceanic and Atmospheric Administration, Norman, Okla.；A. Hedden，Combat Capabilities Development Command, Army Research Laboratory, Adelphi, Md.

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凭借多年的经验，俄克拉荷马大学（OU）的先进雷达研究中心（ARRC）正在建立有史以来第一台移动全数字极化相控阵雷达（PAR）¹，如图1所示。在过去的10至15年间，这一技术已取得了长足的发展，尤其是在模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、大功率放大器和现场可编程门阵列（FPGA）领域，将雷达系统的重要部分逐渐移至相控阵天线口径面已成为现实。图2描绘了全数字PAR系统的总体架构，其中每个双极化天线单元的每个水平（H）和垂直（V）极化通道都有一个独立的数字接收器和数字发射器。

雷达革命

在过去的15年中，ARRC参与了美国国家多功能相控阵雷达（MPAR）项目，随后又参与了美国国家监视雷达频谱效率（SENSER）项目，该项目最初是由美国联邦航空管理局（FAA）、国防部（DoD）、国土安全部（DHS）和国家海洋与大气管理局（NOAA）合作研究的。因此，ARRC正在研究一种可扩展的S波段全数字极化相控阵，以满足天气和远程飞机扫描的需求。该阵列还将支持其他的重要操作，包括MIMO和常规通信。

灵活的波束控制和多功能的实现使得相控阵列成为多任务雷达系统的最佳候选者，因为它提供了高效且具有高成本效益的解决方案。GaAs、SiGe、CMOS和GaN技术的进步提供了可靠的、高集成度的RF器件，这些器件使相控阵天线成为现代遥感和通信技术的核心。高度集成和高效的器件允许相控阵天线架构中含有多个收发器，与只用模拟波束赋形器的上一代相控阵天线相比，这些器件可以降低相控阵的成本、减小其尺寸和重量，并优化系统功能、提高系统性能，5G当然会使用这样的相控阵技术。采用模拟波束赋形的阵列天然地受限于通过前端波束赋形电子器件的精确设置实现的波束赋形方案。

目前，利用子阵列级的数字波束赋形（DBF）是提高相控阵雷达灵活性的常见方法，NOAA国家重度风暴实验室（NSSL）操作的76个面板的先进技术演示器（ATD）和马萨诸塞州大学（UMass）雷神低功率雷达（即Skyler）可以证明这一点。然而，向单元级DBF架构的转变将可以实现前所未有的功能。例如澳大利亚的CEA-FAR海军雷达、美国海军的FlexDAR雷达²、以色列Elta的MF-STAR、AFRL的BEEMER（MIMO实验雷达天线单元的基带数字化）以及太空围栏等。另外，每个天线单元的数字化可以使人们对极化进行精确控制，可以控制单纯的H极化或V极化，或同时控制H和V极化倾斜45度，以及LHC、RHC或任意一种极化状态。

数字阵列技术是一个新生的研究方向。作战能力发展司令部陆军研究实验室（CCDC ARL）的重要贡献是开发了用于阵列校准的强大技术。相控阵雷达在拥挤环境中的运行在很大程度上取决于保护雷达的措施以及在动态环境中校准工作的持续。工厂校准对于数字阵列是不够的，因此需要强大的现场校准技术，这些技术在计算效率上也具有优势。OU和CCDC ARL正在开发基于互耦的校准技术来解决动态校准问题。CCDC ARL正在进行概念验证试验，利用单元级数字阵列实验室测试系统来量化初始算法的性能。展望未来，CCDC ARL将优化这些技术以实现更宽的带宽性能，并将重点放在大型阵列的可扩展性以及对实验室测试平台以外的操作环境的适用性。

完整的数字架构

尽管已经证明在PAR上实现双极化具有挑战性，但最近由美国国家科学基金会（NSF）赞助的雷达技术交流研讨会取得了重大进展⁵，例如MIT Lincoln Lab在ATD的S波段控制面板⁶、BCI/LMCO的S波段原型、NCAR的C波段机载相控阵雷达系统、UMass的X波段雷达和OU的S波段圆柱形极化相控阵雷达（CPPAR）演示器⁷。为了提高“聚光”操作的时间分辨率，ARRC在几年前制造出单极化X波段大气成像雷达（AIR），如图1所示。该AIR工作在“泛光”模式，发射20度垂直扇形波束，并利用36个接收阵列进行大规模数字波束赋形。换句话说，雷达测量的距离高度指示器（RHI）可以同时形成，类似于用电磁照相机拍摄照片。这种架构与20度/秒的方位角机械扫描相结合，将允许现有的AIR在大约9秒内收集180*20度范围内的信息，因此，这也是世界上最高的龙卷风成因观测分辨率⁸。另一具有泛光分辨率的类似系统是大阪大学的X波段PAR。

这些先进的成像监视操作模式需要多个数字化子阵列通道。数字化水平的提高还将使自适应数字波束赋形（ADBF）、时空自适应处理（STAP）甚至是MIMO操作模式成为可能。理想的相控阵架构将具有数字化功能，每个天线单元的发射和接收信号都是可控的，因此也具有宽带宽覆盖能力。由于单元级处理和后续波束赋形都是数字化的，因此可以针对不同的应用场景对其进行重构和优化。单元级的数字化为新的波束处理和波束赋形方案打开了大门，并在大型系统中通过前所未有的动态可调范围提供了最大的灵活性。例如，在给定M个天线单元且单元间噪声不相关情况下，系统的信噪比提高了10log(M)。然而，这伴随着固有的技术风险和实际挑战，如需要处理的数据量以及使用不复杂的收发器。

图3给出了全数字PAR系统的三个例子。图3最左边的图描绘了几种典型的高灵敏度波束和几种低优先级波束，它们是在一个区域内收集重要信息所必需的。图3中间的图片给出了一个时空复用的范例，通过该范例可以从监视区收集多组独立样本；这样可以利用更少的样本收集数据。由于自适应空间滤波可以通过相控阵实现⁴，这极大地证明了在典型的抛物面碟形天线上使用相控阵的正确性。最后，图3的最右图描述了移动演示器将如何利用团队的成像专业知识来实现快速批量扫描⁸。

对于未来任意的多任务雷达来说，多种功能的同时实现是在给定的时间轴上满足任务要求的唯一途径，因此通过数字化实现先进的波束赋形的灵活性至关重要。另外，该方法可以通过软件升级而不是昂贵的硬件改造来实现数字PAR整个生命周期内的其他任务，从而节省了大量运营和维护成本。下一部分将对在ARRC正在设计和制造的S波段双极化PAR的开发进行概述，该S波段双极化PAR将实现这些目标。这个系统我们称为Horus，它的每个极化、每个天线单元都有一个数字化收发器，它将成为一种有价值的研究工具，用来评价该方法的优点与挑战。

Horus雷达的设计理念

ARRC目前正在开发一种移动S波段双极化相控阵系统。该系统具有全数字架构，由1024个双极化天线单元组成，分为25个8*8面板（其中16个装有电子器件），如图4所示。每个面板装有八个“OctoBlade”，几乎所有的雷达电子器件都位于其中。每个OctoBlade都经过精心设计，来激励面板中的高性能天线阵列的8单元列，并在主平面上实现几乎理想的极化状态。主平面由每边都带有PCB的金属冷却板（传热导管）组成，以容纳总共16个基于GaN的前端（每个单元、每个极化>10W），其中八个来自模拟器件的双通道数字收发器、四个用于处理的前端FPGA和两个用于控制的FPGA。天线子系统及与其相关的电子器件装配情况可以归为以下三种主要架构之一：共形贴片装配、面板装配（带有滑出式OctoBlade）或者由电缆分隔的独立结构（如图4）。带有滑出式OctoBlade的设计所需的维护成本最低，因为这些电子器件易于热插拔。对于需要有数十年使用寿命的地基系统来说，这一便捷功能非常完美。

通常，大型阵列的性能取决于阵列后方的数字互联结构。目前正在使用的是传统的分层拓扑结构，但它们的一些特性如可伸缩性、灵活性、带宽等受到了限制。例如，有些阵列采用网状拓扑结构。使用网状拓扑结构时，中心通道的负担很大。这通常会导致网络中心区域的拥堵。针对这种情况的解决方案是在网状网络中添加路由器或使用环状拓扑，这种环状拓扑在对边的路由器上具有对称性，从而可以在资源少量增加的情况下减轻不必要的拥堵。但仍有许多问题悬而未决，我们认为其中的三个主要问题是：数据传输机制（即RapidIO、千兆位以太网等）、部分波束赋形的程度以及数据路径拓扑（即层次结构等）。平衡好这些问题将使阵列规模可以方便地被扩展，以满足各种任务。

Horus的普通雷达，是通过RapidIO网络馈入面板背面来完成数字波束赋形的。这将使一个概念上的多功能PAR系统的波束-带宽积成为可能（如在适当动态范围内的200MHz波束）。分层波束赋形器减少了分层结构每个级别的数据流数量，并在此过程中执行了部分加权和汇总。脉冲式波束赋形器也是类似，但不再是在给定的阶段进行数据汇总，而是沿一系列节点或者单元发送数据，部分波束数据在此过程中被汇总，以产生用于后续处理阶段的输出。作者所知道的几乎每个中等大小的数字阵列都在使用某种形式的分层/脉冲处理来实现数字前端。重要的是，与模拟阵列不同，采用分层/脉冲波束赋形可以在数字域中将波束数量与信号带宽进行权衡，使固定的整体波束-带宽积在前端处理链的每一个点大致保持恒定。

对于多层次结构，互连成本与单元数量M的对数成正比，而数据和前端处理则与M大致成线性比例关系。两者均与整个系统的带宽成比例。这些类型的考虑因素在校准、波束赋形及自适应的权衡中对任意前端DBF架构的设计具有指导意义。最终，RapidIO可以支持任意网络架构，如折叠环形可以减少延迟并提高可靠性，这些将在未来进行探索。

图5给出了移动演示器的实验室测量结果⁹。这款全数字有源双极化相控阵天线旨在完全控制每个天线单元的发射和接收信号。与WSR-88D抛物面天线相比，ARRC项目的天线设计着重于实现相同的功能或改进性能。鉴于气象任务在目标识别方面比飞机监视任务对极化的要求更高，这些设计规范至关重要。双极化雷达既需要低交叉极化电平（低于-40dB），也需要良好匹配的模式（低于0.1dB），才能成功确定所扫描大气层的极化变量。

通常，当天线的交叉极化水平增加时，极化变量中的所有偏差都会增加。在8*8阵列的设计过程中研究了天线单元中的多个要素，这些要素包括：边缘衍射抑制；中心频率为2.8GHz的带宽超过10%；端口间隔离约为-50dB；方位角±60º扫描范围内，俯仰角±10º扫描范围内，交叉极化水平低于-45dB，同极化失配低于0.1dB。仔细校准后，对于方位角±60º扫描范围内，俯仰角±10º扫描范围内，可获得至少-10dB的有源反射系数。因此，这为Horus设计了一种新型的具有电磁耦合的堆叠十字微带贴片辐射器，图5中最左图就是这些辐射器的一个8*8面板。辐射器和馈电网络被分成两个不同的部分，以防止它们在制造后弯曲。辐射器由两个导电层及一个由RT/Duroid 5880LZ和RO4450F粘合成的天线罩。

随着对珍贵频谱需求的不断增长，现代和下一代雷达面临在复杂、动态环境中运行的挑战。例如，对能够适用和应对整个频谱新干扰源的弹性系统的需求是贯穿陆军现代化战略的一个主题。因此，为了减弱干扰，将静态和频率可重构的小型化滤波器集成到天线面板的研究和天线设计研究正在同步开展。这些滤波器基于容性负载和介质集成波导（SIW）谐振器，这些负载和谐振器已完全集成于馈电网络。静态滤波器提供了额外的带外抑制，可重构滤波器用于带内干扰抑制¹⁰。

项目状态及未来研发计划

本文提供了一个项目的简述，该项目在每个天线单元上实现数字化以提高相控阵的灵活性（即每个单元的H和V极化的Tx和Rx都是数字化的），为现代雷达挑战提供解决方案。以下列表简要概述了Horus系统的发展潜力：

l 先进的口径和波形灵敏度，可同时执行许多不同的任务/目标；

l MIMO雷达——多个发射和接收天线；

l 频谱敏感的有源相控阵；

l 具有更高级别分辨率和更宽的覆盖范围的先进DBF，功能包含自适应波束赋形、干扰改善和杂波抑制；

l 阵列成像——减小尺寸和成本的高效系统；

l 精确的极化控制：单纯H极化、单纯V极化、H和V极化同时倾斜45度、LHC、RHC、或者任意极化状态；

l 使用互耦方法进行原位阵列校准。