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                盤點雷達領域的新技術與新應用
                編輯:深圳市兆廣安科技有限公司   時間:2018-11-03

                  雷達技術的最新突破,結合軍事和商業應用的小型化、經濟型、高精度雷達需求,帶來了雷達技術與應用的復興。許多即將來臨的技術增長領域,如無人駕駛汽車、無人機(UAV)和各種商用/民事應用,都取決于固態雷達和一些新的制造工藝與設計方法。這復興是軍用雷達、隱身和干擾技術升級發展淘汰傳統雷達解決方案的產物。先進數字信號處理(DSP)、靈活射頻收發器和尖端天線技術的廣泛應用正在加速這種改變。

                新型天線與制造工藝的進步提升了雷達能力,降低了雷達成本。其中,氮化鎵(GaN)晶體管、低噪聲放大器(LNA) 和有源電掃陣列(AESA) 天線已經成為近期全球軍用雷達與雷達干擾機合同簽訂及系統部署的核心內容。采用這些技術的雷達性能優于傳統雷達系統,促進了大批雷達設計與制造方案的創新發展。新型AESA技術支撐工作于更高頻率(毫米波)、體積更小的相控陣天線獲取更高的分辨率,而模塊化設計方案支撐快速應用新的數字處理與計算技術的。

                1、有源電掃陣列(AESA)

                在過去幾十年間,相控陣天線大大提升了傳統雷達的波形因子與性能。近期的進步受益于能力更強的DSP和計算方法。有源電子波束控制(或波束形成)利用相控陣天線的性能優勢并引入有源控制,在增加雷達掃描速度和精度的同時,大大降低了機械控制雷達天線的維護成本與故障率(見圖1)。業界的引領者包括雷聲公司、諾思羅普×格魯曼公司、洛克希德×馬丁公司和泰利斯公司等,另外有許多其他公司正在該領域積極地開展研究。目前,傳統雷達技術的升級、改造與更新換代對AESA雷達的需求量較大。

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                1、許多戰斗機都已通過利用新型AESA雷達技術完成升級,淘汰了機械控制。

                新型AESA中,T/R模塊可通過配置,獨立工作或成組工作。這樣支撐產生了工作于不同頻率多個波束,從而實現了掃描資源的動態化和智能化應用。同無源陣列相比,這種高適應性結構有助于降低截獲概率。另外,定向接收與頻率捷變增強了抗干擾能力,特別是在寬帶工作時。

                模塊化AESA設計也提高了可靠性,因為T/R模塊任何故障都不會導致整個系統的能力喪失,通過模塊替換就能快速完成維修/維護。用于AESA雷達的T/R模塊實質上是能力很強的軟件定義無線電(SDR)部件,也可設定用于高數據率無線電通信。通過將接收機通信限定在波束聚焦路徑之內,這種高方向性波束形成能力還可保證通信安全。

                AESA雷達天線最大掃描角通常小于120°。實現360°覆蓋,常規解決辦法就是將其安裝在機械旋轉平臺上。最近,完全360°覆蓋也已經利用背靠背天線面板的固定陣列進行了驗證。例如,雷聲公司自籌資金設計樣機,用于升級愛國者導彈系統。其他系統利用幾個與同一雷達系統鏈接的面板來提供全向掃描和跟蹤能力。特別應當指出的是,AESA系統的成本大體上與陣列的面積與性能,以及T/R模塊的數量成正比。

                2、多輸入多輸出(MIMO

                為了降低AESA雷達的尺寸、重量、功耗和成本(SWAP-C)和增加擴展能力,研究人員正在開發先進的稀布陣技術。這些陣列通過組合,利用類似于為5G無線通信開發的多輸入多輸出(MIMO)技術來形成更大的虛擬陣列。MIMO 雷達利用多個獨立發射與接收天線實現空間分集,應用運算算法來計算雷達反射和獲取復合分辨率。這些天線系統也可同時工作于不同的頻率上,或者在一個款待頻段內同時運行,且相互無干擾,以進一步提高雷達雜波下真實目標的辨識能力。

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                2、毫米波雷達擁有穿透塵霧的能力,能夠精確探測和識別其他車輛與路面危險。

                據稱,MIMO雷達系統的性能優于類似的傳統相控陣系統。盡管目前還未做出最終驗證,但是在某些平臺上已經開始應用。如在SWAP-C受限的平臺上,包括小型UAS、衛星或快速部署機動雷達站等。在這些平臺上,相控陣雷達由于太貴、太重、太大且功耗太高而無法部署,而小型稀疏布陣MIMO天線陣列擁有SWAP-C優勢,和高精度雷達能力。最近某些研究表明,合成孔徑雷達(SARMIMO雷達系統在地面動目標顯示(GMTI)應用方面擁有潛在的優勢,其針對快速和慢速運動目標的定位精度優于相控陣雷達,并且虛警更少、抗干擾能力更強。鑒于環境條件和目標信號特征,為了實現這些性能優勢,必須有效應用高精密DSP和數字波形發生技術。

                MIMO雷達研究也重點關注全向天線系統,但同相控陣天線相比,損耗更大。這種損耗會導致關注目標區域外的能量浪費。然而,有研究建議采用認知無線電系統來增強MIMO雷達的性能,消除這些不利因素。

                3、超寬帶寬毫米波雷達

                為了規避低頻微波頻段內的頻譜擁擠,獲取高精度和高分辨能力,許多雷達應用已轉向20 GHz 以上頻率。幸運的是,在毫米波頻率上,擁有幾個可用帶寬為0.5 GHz、1 GHz,甚至4 GHz的指定頻段。盡管通常毫米波頻率的大氣損耗更高,但是同低于6 GHz 以下的微波頻率相比,其方向性更強。毫米波雷達將受益于噪聲低、分辨率高(超寬帶寬)和體積小等優勢。

                許多最新款汽車雷達利用可有效穿透不利自然條件(如光學傳感器無法穿透的塵霧和雨水)的79GHz毫米波頻段(見圖2)。工作于該頻段的雷達還能提高分辨率,獲得更優的危險探測特性。毫米波雷達的優勢也可轉化為其他應用,包括無人機探測監視和醫學監控。例如,采用調頻連續波(FMCW)原理周界監視多通道雷達(MCRPS) 與掃描監視雷達系統(SSRS),其工作頻率94GHz,帶寬1GHz,運行功率100mW,已經達到了375px的距離分辨率,并可基于旋翼的類型對無人機進行分類。另外,工作于24GHz的雷達已經用于遠程心率監測,可精確地辨別和表征心跳,其均方根誤差低于7.17 ms。

                軍事應用上的一些優勢(如探測距離更遠、分辨率更高和基于FMCW的目標識別能力更強)可在科學、醫學和安全等眾多領域獲得新的應用。由于對光環境、天氣和雜波更低的敏感性,毫米波雷達也可獲取優于可視頻譜與紅外照相的監視優勢。例如,針對隱匿威脅探測開發的安全管理技術能夠可靠地探測出100英尺處威脅。當前這一技術采用W波段(75~110GHz) ,并已開發出有效作用距離超過30ft的手持型設備。

                4、雷達設計與制造

                對于雷達技術中大多數最新進步與應用,雖然利用傳統雷達技術也可以實現,但SWAP-C的優勢和數字計算的進步在日益增長的雷達業界中得到了更快速地應用,而它們的能力與成本效益也已得到證實。研究人員正在研究一些新的制造工藝與半導體,以推動其進一步增長。

                4.1 氮化鎵(GaN)技術對雷達的影響

                美國國防部許多最新合同與其他一些國家的軍事開發活動都要求采用基于GaNT/R模塊來改進和升級其傳統雷達。主要原因是AESA雷達T/R模塊中的GaN 功率放大器(PA)功率密度、可靠性、頻率效力與帶寬上遠超其他固態技術。它們與行波管放大器呈競爭態勢,但是不存在相應的可靠性、體積與維護問題。與元素周期表內的第III至第V類半導體材料一樣,如砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)一樣,GaN半導體比硅和碳化硅(SiC)具有高的多的電子遷移率。

                GaN還驗證了極端的物理穩固性、輻射電阻、高壓生存能力,以及非常高的熱穩定性。因此,同其他固態技術相比,GaN功率電子器件在PA應用方面展現了驚人的功率密度和高功率附加效率。用于低噪聲放大器(LNA)時,GaN也擁有與GaN PA相類似的穩固特性,所提供的靈敏接收機技術不易被干擾、破壞或受有限動態范圍(源于低輸入電壓門限)的影響。

                許多企業都在研究GaN技術在降低電信、衛星和其他功率器件SWAP-C方面的優勢,其目標都是增加晶圓的尺寸和提升GaN 加工工藝。改善散熱的方法也會帶來更高的功率電平和體積更小、更具成本效率的器件。GaN正日益發展為一種主流技術,能夠以更低成本實現帶寬與性能更高的雷達與通信系統,并興起一些新的雷達與無線電應用。

                4.2 3D 打印雷達器件、模塊化雷達設計與磁性材料增強

                為了進一步降低雷達器件的SWAP-C,各大研究所、工業部門和美國國防部正在研究3D電子器件打印、模塊化射頻/微波器件設計技術和磁性材料增強應用方面的進展。體積更小、效率更高的柔性可擴展雷達器件,包括天線與射頻/微波無源器件,將實現更先進的單兵攜帶、無人機載和商用雷達系統。這類技術可在一個低成本基片上打印天線、移相器、濾波器和傳輸線。雷聲公司UMass-Lowell 研究所正在推進這一項目,其應用涉及塑料、3D打印導電油墨、頻率選擇表面和靈敏可調變容二極管(見圖3)。

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                3、3D打印天線陣列采用塑料基片和其他輕便、低溫制造器件,可降低AESA雷達的成本與重量。

                雷聲公司也正在與美國陸軍研究實驗室合作,為陸軍的下一代雷達(NGR)研究可擴展、機動、多模式雷達前端技術(SAMFET)項目。美國陸軍計劃為NGR選用開放式架構,以減少重復開發和升級,同時鼓勵模塊化器件研發、新型雷達設計與新式制造工藝。射頻/微波與數字技術,如OpenVPX OpenRFM,也可提升高性能軍用電子器件(嚴格依賴耦合的數字與射頻/微波系統)的模塊化設計與開發水平。

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                4、DARPA啟動新項目:磁性、小型、單片集成器件(M3IC),擬實現環形器和隔離器等磁性器件小型化,以及晶體管和電容器等微電子器件的集成,帶來能力更強的電磁微系統,實現雷達與其他射頻系統領域的芯片級創新。

                從其他途徑也可實現SWAP-C降低。美國國防高級研究計劃局(DARPA)已經啟動了一項研究,其目標是將磁性器件與射頻及數字集成電路(IC)工藝相集成。磁性、小型、單片集成器件(M3IC)項目的目標是實現通信、雷達與電子戰(EW)系統的小型化,支撐新的控制/功能方法。從DARPA項目信息來看,目前還不清楚該項目是否對超材料技術敞開應用,因為經驗證證實,某些超材料擁有磁性特性。

                5、對器件和設備的影響

                最新的雷達與無線電系統是由先進計算機系統控制和解析的一種復雜的高集成數字、模擬和射頻/微波電子器件合體集(見圖5)。支撐大多數現代雷達的SDR技術也應用于Wi-Fi 路由器、智能手機、汽車和蜂窩基站。宇航、防御雷達與現代商用無線電之間的差別在于射頻與數字電子器件的復雜度、帶寬和功率,以及天線的尺寸與功率處理能力。

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                5、現代雷達信號鏈應用了許多射頻與微波器件

                然而,隨著消費與工業無線電與雷達技術的進步,在能力與復雜度方面的這種界線開始變得模糊不清。為了維持其領先地位,美國國防部繼續投資開發下一代宇航與防御雷達器件與設備。這將對這些器件與設備本身,以及用于設計、測試和制造它們的設備產生影響。

                5.1 模擬/數字電子器件

                先進的DSP和數字波形發生技術提升了下一代雷達波形的編程能力與靈活性。商用FPGA能力已經非常強大,擁有20TMAC以上的定點運算性能和每秒10萬次次浮點運算(TFLOPS)的單精度浮點性能。并且,與中央處理器(CPU)和圖形處理器(GPU)不同的是,FPGA可按需求變化進行配置。在軍事場景下,這些優勢推動和支撐雷達靈活順應不斷變化的威脅,特別是在考慮等待時間、并行工作、輸入/輸出(I/O)速度和計算強度等能力的時候。

                但是,無論處理能力多快,模擬數據首先必須轉換成數字數據,才能利用這些優勢。因此,模數轉換器(ADC)與數模轉換器(DAC)的發展增加了ADC/DAC器件,以支撐在千兆赫頻率上直接射頻合成與采樣的速度。盡管對于大多數已部署系統來說,目前在更高的微波和毫米波頻率上進行直接射頻合成與采樣都是不可行的,但是無線電裝置中所使用的幾種2.4 GHz(工業、科學與醫療波段,或S波段)波段ADC/DAC就擁有這種能力。更高頻率上的數字合成與采樣消除了上變頻級和下變頻級,在增加帶寬的同時,消除了高微波與毫米波頻段雷達信號鏈中由混頻器導致的性能限制。

                隨著對FPGA通用處理器(GPP)ADC/DAC的要求日益增加,還提出了對包括高速RAM、長期存儲器,如固態驅動器(SSD)、嵌入式計算機和數據采集控制系統在內相關器件與技術需求。

                5.2 射頻/微波電子器件

                與無線電硬件類似,雷達信號鏈組合了多種發射與接收能力并能處理高功率電平、大帶寬和復雜信號調制,同時還需要一批開關濾波器組和移相器。T/R模塊為每個天線陣列單元饋電,向天線傳送DSP生成或解析的微波或毫米波信號,然后利用接收機接收回波。T/R模塊在幾個階段中進行信號放大、過濾和上/下變頻。同軸、帶狀線或波導連接器以最小的損耗,將高保真信號從一個子系統傳送至另一個子系統。

                5.3 測試與測量設備與設施

                最新雷達技術的帶寬遠遠超過商用測試與測量設備的能力,而價格昂貴的定制測試系統在某種程度上可以彌補這一差距。盡管靈活性與編程能力得到增強,但也不可能測試新型雷達系統的每一種工作模式與工作條件。這樣推動了開發更多模塊化與可配置測試設備及更先進EM與設計仿真軟件。

                例如,針對雷達表征,要更多地組合應用實時頻譜分析儀(RTSA)與矢量網絡分析儀(VNA)。由于雷達波形的自適應與變化,還需要一些敵我識別(IFF)和測試這種能力的新方法。這就要求測量設備本身就是配備高水平診斷與報告能力的先進雷達。

                大帶寬信號發生器必須供給復雜的雷達波形。此外,用于測試射頻、物理和生存特性的現代設施也是必需的,包括電磁兼容/電磁干擾(EMC/EMI)設施、振動臺、環境暗室和近/遠場測試靶場。

                結論

                滿足現代戰場空間最新需求的雷達系統和眾多雷達新應用都要求采用先進的技術與工藝,如數字與射頻/微波硬件,模擬軟件和測試系統。由美國國防部發起,宇航工業與國防機構實施的新材料開發降低了SWAP-C。所有層面的雷達設計與實現正在發生變化,從而加速下一代系統的開發。射頻集成電路(RFIC)與單片微波集成電路(MMIC)設計、DSP工藝、材料科學和測試之間的界線正變得模糊不清。

                宇航、防御和汽車雷達的交貨時間與設計周期正日益壓縮,為器件與設備的采購施加了巨大壓力。許多射頻/微波供應商要求相對較長的交貨時間和為期數周或數月的定貨處理申請時間。這種狀況也發生變化了,最新的雷達項目要求采用準時生產(Just-in-time)解決方案。

                • (雷達前沿瞭望      陳俊峰      譯)


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