数字阵列雷达发射多波束的若干关键技术*

鲁加国

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

随着现代雷达技术的发展和应用推广，多波束技术体制雷达越来越受到重视。多波束形成技术，可以充分发挥现代雷达的多功能、多模式以及多目标探测等优势[1]。目前实现接收同时多波束技术已较为成熟；而雷达发射多波束技术则更为复杂，要实现架构简单、性能优越和灵活可控的雷达发射多波束，不仅需要与其匹配的雷达系统技术体制，还需要电子信息、微电子和材料等诸多相关学科的技术支撑。因此，如何形成发射多波束来匹配接收多波束，最大程度挖掘雷达的优势，成为现代雷达研究和发展的重点方向。

1 发射多波束技术应用

雷达发射多波束技术可以应对新形势下探测目标特性和环境的变化，在多种复杂应用场景中满足雷达的作战和任务需求。下面举例说明。

1.1 在机载多功能监视雷达中的应用

机载多功能监视雷达已经在军事和民用领域得到了广泛应用，其具备的广域搜索能力，可实现方位向上的大范围覆盖。将发射多波束技术应用于机载多功能监视雷达中，可以大幅提高机载多功能监视雷达的工作效率和时效性，并增强雷达抑制杂波的能力，实现雷达对空、海、地、成像、动目标、通信等多任务同时工作，如图1所示。集成发射多波束技术的机载监视雷达主要特点有：

图1 机载多功能监视雷达多任务同时工作

1) 同时搜索/跟踪、多区域同时搜索以及同时多目标跟踪，提高数据率和跟踪精度。

2) 同时完成雷达成像和动目标探测工作模式，例如同时成像和动目标监测、跟踪。

3) 同时多区域成像。如雷达平放在机腹下方可同时完成飞机双侧成像，或侧视同时多波位成像，来匹配导航等应用场景。

4) 高分辨率宽测绘带成像，赋予其他非雷达功能。

1.2 在新一代防空反导多功能雷达中的应用

与防空预警相比，反导预警的区域和空间更加宽泛，将发射多波束技术应用于新一代防空反导预警雷达，可以实现防空反导一体化，并充分利用雷达发射波束控制灵活、覆盖空域大的优点，根据作战需要设计多种针对不同目标类型和杂波背景工作模式，如图2所示。集成发射多波束技术的防空反导预警雷达一体化突出的优势在于：

图2 防空反导一体化多功能雷达工作场景

1) 与数字阵列雷达技术的结合，可提高雷达的探测能力。在空域上，雷达的搜索、跟踪区域不再固定受限，发射多波束技术可根据探测需求，灵活控制波束指向，同时搜索、跟踪大范围、多区域目标；在时域上，采用发射多波束技术，雷达可与独立形成搜索和跟踪波束，同时进行目标搜索和跟踪任务，提高雷达的探测效率。

2) 提高雷达的抗干扰能力。首先，针对无源干扰情况，发射多波束可采用自适应算法实现波束的自适应零陷控制，将发射波束指向目标期望方向，而使零陷位置对准干扰源方向，降低无源干扰的影响。其次，面对复杂敌意干扰源，结合多输入多输出技术(MIMO，Multiple Input Multiple Output),采用多波束干扰抑制以及波束捷变等方法，实现对复杂敌意干扰的抑制。此外，发射多波束也可以满足在正常工作的同时，发射干扰波束，掩护自身信号特性，为增加敌方干扰难度。

3) 相比常规雷达分时探测技术，发射多波束技术可满足针对不同区域任务的需求，发射相应的波束，并结合相控阵雷达多功能、多任务的优势，可以实现多任务的实时处理，进一步提升了雷达的作战能力。

1.3 侦干探通遥多功能系统中的应用

侦干探通多功能系统采用多个发射波束共用一个射频口径的方式实现雷达、侦察、干扰和通信等多功能，完成目标搜索与跟踪、导弹制导和控制、侦察与干扰等任务，如图3所示。

图3 机载侦干探通多功能系统的构想图

目前，侦干探通多功能系统尚处于探索创新阶段，但如果在侦干探通遥多功能系统中结合数字阵列，集成同时发射多波束技术，必将大幅提升系统的功能和性能。具体分析如下：

1) 提高雷达的作战性能。相同的条件下，电子侦察系统的作用距离远大于雷达，可先于雷达发现目标，电子侦察系统可为雷达作目标指示。

2) 提高雷达的抗干扰能力。如果雷达发射的波形与干扰相似，会增加敌方干扰系统分选、识别威胁的难度，也可能被其侦察系统误认为纯干扰而不采取对抗措施，因此可减小雷达遭受有源和无源电子干扰的概率。

3) 提高雷达的生存率。利用电子侦察设备的距离优势，作战平台可隐蔽接近目标，直到目标进入武器系统作用范围才发射信号，可缩短雷达发射信号和平台暴露的时间。

4) 改善干扰的效果。侦干探通一体化系统具备一维信号分选、识别参数功能，可大大降低虚警，增加信息的可靠度，可利用雷达提供的目标信息，实现自适应干扰。

5) 利于干扰效果评估。电子侦察系统利用雷达提供的目标距离和航迹等信息，判断干扰效果，以便选择最佳干扰样式，获得最好的干扰效果。

2 研究现状和发展趋势

多波束形成技术的研究始于20世纪60年代，经过50多年的发展，在多波束形成方面已经取得了许多成果[2-4]。多波束形成经历了从经典的矩阵网络式多波束、透镜式多波束到相控阵多波束的演变；未来，结合数字阵列体制形成多波束将成为研究和发展的主要趋势。

2.1 经典的发射多波束

早期主要通过模拟的方式来实现多波束的形成，即在射频或中频通过硬件方式形成多个波束，例如Blass、Butler、Rotman多波束矩阵网络等，这类方法因为具有无损增益，各波束之间是正交的、结构简单、成本低等优点被广泛应用。但这类方法也存在明显的缺点：波束网络方案确定之后，波束的形状、指向和相邻波束的相交电平等特性也随之固定，难以改动；硬件设备量也会随着发射波束数目的增多而增加，大幅增加了雷达系统的成本。

此外，利用典型的龙伯透镜天线也可在全空间形成多波束，并保持每个波束增益相同。由于球形龙伯透镜天线安装相对复杂，因此结构更为简单的柱面龙伯透镜天线近年来受到了更多重视和研究。

2.2 有源相控阵发射多波束

有源相控阵实现波束扫描发射多波束需要多个射频功率合成网络，射频功率合成网络与天线单元相连的支路具有相位调节功能，一般发射波束的数目同射频功率合成网络数目相同。多波束发射有源相控阵雷达系统较为复杂[5]，天线单元发射的信号，先经过移相器，接着按子阵相加，然后进行放大，分路、配相后送相加器形成多波束发射，其原理如图4所示。

图4 有源相控阵天线子阵多波束

天线阵面划分为多个独立可控的天线子阵，形成多个同时异频发射波束，并实现多个异频发射的信号同时接收，相当于多套雷达同时工作，在任务调度时，单任务或多任务并行排队，请求信息平均分到多个阵列天线子阵里进行控制。

有源相控阵发射多波束的优点是不同子阵的阵面放大器只放大单频信号，没有交调信号，空间频谱干净，也没有大信号压小信号的现象[6]，缺点是多波束的形成降低了天线的孔径增益，在设计中需要综合考虑。

2.3 发展趋势

经典的矩阵网络和透镜多波束形成的研究时间较长，但实际多在雷达接收多波束上有应用[7]；由于这两种方法存在形成波束的数量固定、波束难以扫描、系统架构复杂、研制成本高等问题，在雷达发射多波束技术领域难以广泛应用。

相控阵雷达实现接收/发射多波束方式常用的方法，是在时间上交错地发射不同频率的波束实现发射多波束，多套射频网络合成形成接收多波束，在实际装备中已有应用[8]。数字阵列雷达是新一代相控阵雷达，经过30多年的应用发展，具备或超过了常规相控阵雷达的功能和性能，例如，数字阵列雷达接收多波束是在数字域实现的，形成接收多波束不需要额外的波束形成矩阵网络或透镜。

众所周知，天线孔径面积对提高雷达性能有非常重要的意义。数字阵列同孔径发射多波束形成的实质是在数字域进行幅度和相位加权，然后通过多波束数字域叠加的方式进行同孔径多波束形成，如图5所示，最大限度利用了天线增益。数字阵列实现同孔径发射多波束要求多波束在空域、频域不能重叠，相对单波束，多波束中每个波束能量降低。多波束以牺牲频谱资源和发射能量资源作为代价，获得了增益优势。

图5 同孔径天线发射多波束

数字阵列雷达发射信号的带宽越宽，可形成的波束数越少。发射多波束的每个波束都是在基带形成，且需要不同的时间延迟和相位加权。由于这些加权系数的运算都是在数字域实现的，因而能够以紧凑的硬件结构完成复杂的功能，尤其在形成的波束数量很多时，硬件的复杂度也会增加。但是，无论是采用时域还是频域方式处理，由成百上千个通道的高速数字信号带来的数据量和计算量对波束形成信号处理的实时性提出了严峻的挑战[9]。

3 数字阵列雷达发射多波束关键技术

数字阵列雷达发射多波束的核心是与多波束相对应的多频率数字化信号产生，其主要作用包括3个方面：一是产生数字阵列天线发射多波束所需的多频率波形信号；二是提供发射多波束形成所需的不同相位；三是大数字阵列天线波束扫描时，为了补偿天线孔径渡越时间，提供数字阵列天线发射不同波束瞬时带宽工作所需的时间延迟。从数字阵列雷达发射多波束的角度来说，有波束带宽积提升、多路相位同步、分布式相参频率源、高效率实现、雷达资源的管理和控制等值得研究的关键技术。

3.1 波束带宽积提升技术

单元级数字阵列天线发射多波束带宽积，定义为天线发射波束数量与带宽的乘积。增大波束带宽积可有效提升数字阵列的性能；在数字阵列中，形成大波束带宽积，实质上是利用数字转化技术生成多带宽复杂信号。由于数模转换器(DAC)的转换速率与宽带信号的带宽密切相关。近年来研究人员投入了大量的精力研究各种等效提高DAC转换速率的方法，而这些方法中，又以基于时间交替的多DAC并行技术最为受到广大研究人员的关注[10]。

通过采用基于时间交替的多DAC(Time Interleaved Digital-to-Analog Converter，TI-DAC)并行技术可以提高DAC采样率，从而提高大波束带宽积，如图6所示。但是，复杂信号的带宽却受到了单个子DAC零阶保持特性的限制。为了突破该限制，需要研究多通道DAC技术和基于频带交织的多DAC(Bandwidth Interleaving Digital-to-Analog Converter，BI-DAC)并行技术[11]。

图6 基于时间交替的多DAC并行示意图

在BI-DAC中，存在着各种系统内部误差，包括时延误差、相位偏移误差和混叠误差等，最终导致BI-DAC所生成的宽带复杂信号失真。为了在实现高带宽的同时，提高BI-DAC所生成宽带复杂信号的频谱质量，需要校准BI-DAC中时延误差、相位偏移误差和混叠误差，并进行误差补偿[12-15]。

3.2 多路相位同步

在数字阵列雷达中实现发射多波束，需要多路激励信号之间的相位同步，来达到准确测量、精确定位、精确成像的目的[16]。传统的直接频率合成手段，由于产生不同频率所需要的信号路径不同，链路中包含的放大、混频器件数量也不尽相同，因此在多路输出以及频率切换时，很难保证输出激励源的相位连续与同步。而且传统的锁相环频率合成，由于小数分频比的相位随机性以及器件相位特性的温度漂移也很难保证电路的稳定工作。

直接数字合成(DDS)技术是具有频率转换时间短、频率分辨率高、相位输出连续、可编程控制、全数字化结构、便于集成等优点，但是基于DDS的宽带数字发射系统的多通道高精度同步是研究的难点[17]。多DDS芯片精确同步的难易程度，在相当程度上是取决于DDS芯片使用的最高参考时钟频率，如果参考时钟频率越高，则多个DDS芯片输出信号间精确相位同步就越困难。通常以DDS的时钟系统作为切入点，从采样系统的角度分析讨论了针对不同时钟系统，着重研究DDS的相位同步方法。

高速率参考时钟的相位同步的关键要点之一，是内部辅助电路的工作时钟。由于内部辅助电路的工作时钟是由参考时钟分频得来，所以即使参考时钟是同步的，辅助电路工作时钟也未必是同步的，这就导致即使控制电路送给 DDS的数据更新信号同步，数据更新过程也无法同步。图7所示是一种DDS辅助同步电路示意图。

图7 辅助同步电路示意图

在实际应用时，还需关注多通道高速数字信号处理硬件的成本和设备复杂度，多通道高速信号处理的高数据率传输和信号处理的大计算量，高速数模、模数转换模块和信号处理硬件的功耗和散热，以及精确数字延时的产生对高速数字信号通道间、板间互联以及同步的要求。如FPGA、DAC等数字硬件的同步仅能实现一定的粗同步条件(一般在纳秒级)，满足宽带数字波束形成的精确同步(皮秒级)还需要在数字信号处理算法中实现。

3.3 分布式相参频率源

由于数字阵列天线波束灵敏度高、易于控制且信号合成后可获得很高的信噪比，因此数字阵列雷达在强杂波下对极弱动目标具有很强的检测能力。若要发挥数字阵列天线上述技术优势，其涉及的信号噪声必须是非相参的，否则将无法实现期望的合成效果，如图8所示。对于收发通道的放大器噪声和AD、DA变换的量化噪声，其非相参假设是成立的，而对于频率源系统的相位噪声，其特性却复杂得多[7]。

图8 多路合成提高发射信号信噪比

除目标本身特性外，限制雷达信噪比主要有两个因素：一是接收机内噪声，即接收机通道噪声和频率源相位噪声；二是发射信号噪声，即发射放大链路噪声和频率源相位噪声。在回波信号幅度一定时，常规雷达回波最大信噪比主要限制于接收机噪声系数，而数字阵列雷达每个通道间的热噪声是非相参的，可以通过合成实现噪声抑制，回波最大信噪比限制于频率源相位噪声和发射信号的信噪比，例如数字阵列雷达要采用噪声非相参的分布式频率源，以获得更好的信噪比得益。

数字阵列雷达频率源主要设计问题，是噪声相参体制与噪声非相参体制的选择、本振源噪声非相参设计、采样时钟同步和高稳定基准源的传输等。需要说明的是，这里的非相参是指其相位噪声，而信号必须是相参的。

此外，由于天线阵列单元相位不一致影响合成效果和波束指向精度，同时采样时钟相位变化严重时，将会使系统时序紊乱，因此数字阵列天线分布式源相位是必须一致的。

3.4 高效率实现技术

提高末级功率放大器的效率和降低前级低噪声放大器的噪声系统是射频集成电路设计师的永恒追求。数字阵列雷达有成千上万个天线单元，对应着成千上万个数字信号与射频信号相互变换的通道，保证各通道间幅度、时间和相位满足一定的关系，以及各通道内发射多波束对应频率与带宽信号的幅度和相位一致性，是发射多波束高效率形成的基础。

数字阵列的每个通道有各种非线性器件，如放大器、混频器等是制约通道的双音无虚假动态范围的关键因素[18]。虽然混频器和放大器都是非线性器件，但两者重要的区别在于混频器正是利用其非线性达到频率变换的目的，需要研究混频器交调特性特别是双音交调特性通道性能的影响，如调制带宽、功率损耗、镜像频率、杂散干扰等。

由于同时发射多个不同射频信号会导致发射多波束的合信号的包络不恒定，这就对功率放大器的线性度提出了要求。目前采用让功率放大器工作在线性区的方式来实现发射多波束，这样能很好控制多波束的幅度和相位加权。如果功率放大器工作在非线性区，就会导致射频信号与串扰信号线性相加后的幅度失真和互调失真。当出现失真时，增益会随着输入信号增大而降低，即增益压缩现象。随着输入信号功率的增加，功率放大器非线性产生的干扰信号能量的比例也随着增加，功率放大器会慢慢体现出非线性，使得发射的信号发生变化，从而影响天线的发射方向图。

高效率的线性功率放大器设计成为我们面临的巨大挑战。传统的功率放大器的输出端口采用包络调制器调制的动态电源功率放大器代替固定电源的功率放大器方法，可以通过迫使功率放大器工作在饱和区域以显著提高系统的效率。为了充分利用这种优势，能够高效率放大宽带包络信号的包络放大器设计尤为重要，不仅要关注线性功率放大器的设计，而且着重研究和设计了用于宽带包络信号的高效率包络放大器，在功率回退处的效率大幅下降，包络消除与恢复[19-20]和包络跟踪技术可以增强功率放大器的效率[21-25]，可有效改善功率放大器的效率。

3.5 雷达资源的管理和控制

发射多波束数字阵列雷达可以灵活地控制发射多波束数量，改变发射波的照射方向，选择需要照射的目标，调整发射功率、驻留时间与波束宽度等参数。这些特性极大地增加了数字阵列雷达的资源管理、优化控制复杂性。需要加强数字阵列雷达的发射与接收时间分配、驻留时间、重访时间与波束宽度等雷达资源进行合理的管理和控制，以达到减少雷达消耗功率，提高测量、跟踪精度，提高跟踪目标的数量，节约时间消耗等效果。

目前雷达资源优化的研究工作，主要集中对雷达发射功率的优化与电磁波照射目标的重访时间间隔的调整[26-27]。对于雷达发射功率资源的管理，通常采用对目标跟踪的按威胁等级控制功率方法，基于信噪比、测量噪声协方差的克拉美罗下界和辐射功率三者之间的关系[28]，对相控阵雷达工作参数进行控制，自适应设计下一时刻的辐射功率，提高雷达系统对辐射功率控制能力。

常规相控阵雷达的时间资源管理，主要集中在调节雷达照射目标的驻留时间或重访时间间隔方面[29-30]，在雷达时间资源有限的条件下，按照目标的优先级与威胁程度，对驻留时间进行波调分析时，只是关注雷达数据率、波位重叠率等参数与单个波位内时间资源消耗的关系。相控阵雷达因其波束数量多、目标反应和刷新速度快的特点，能够满足多目标、多类型等复杂环境下的任务要求。

常规相控阵雷达用波束在空间快速捷变等效实现同时发射多波束，也可理解为时分多波束。为了提高雷达的搜索数据率，一个可行方法就是使用同时接收多波束，在需要观测的空间同时用多个波束进行照射。如图9(a)所示，在一个周期内，将3个信号发往3个不同的方向，形成3个发射波束，而在接收端同时形成10个接收波束，如图9(b)所示。此时，搜索时间将减少2/3，数据率将提升3倍。

图9 同时多波束时空简图

上述研究不能满足数字阵列雷达的发射波束数量和指向、分配波束重返照射时间和波束驻留时间等问题，为保证数字阵列雷达探测性能和进一步减轻系统资源负担，新的数字阵列波束和时间资源管理算法有待被挖掘，新算法的研究需要关注以下两个方面：

一方面要研究发射/接收多波束与多波位的匹配问题。发射/接收多波束与多波位之间的匹配实质上是优化策略和方法研究，与雷达的应用场景有关，例如，对防空反导雷达来说，波位驻留时间会限制数字阵列雷达进行脉冲积累时所能采用的脉冲个数，直接影响对目标的探测概率和探测距离等性能指标。多个波位内数字阵列雷达执行任务消耗的时间资源，会影响波位排布时每个波位所需分配驻留时间的最小值，从而影响雷达波位排布方式的选择。

另一方面要研究发射多波束与接收多波束的匹配问题。由于被探测目标的距离不同、属性不同，雷达的多目标回波信号到达雷达的时间不同；同时，雷达信号的发射和接收无法同时进行，对多任务和多目标探测的发射多波束雷达，雷达资源的管理和控制复杂度大幅度增加，在特定应用场合，需要研究雷达发射波束数量、接收波束数量、发射/接收信号工作时序关系等资源优化管理和控制策略。

4 结束语

单元级数字阵列雷达发射多波束是数字阵列技术再创新的重要研究领域之一，是推动多功能雷达探测性能跨代提升的新手段，是带动材料、微电子和电子信息等多学科的交叉融合创新的重要路径。相信未来的单元级数字阵列发射多波束将在雷达探测性能和功能方面取得巨大的进步，从数字雷达系统应用的角度，大力挖掘和研究数字阵列雷达发射多波束关键技术，必将极大推动新一代多功能数字阵列雷达的问世。