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雷达的波束如何进行转向?
录入时间:2021/4/26 16:27:49

雷达的原理非常简单,是发射短时间的RF脉冲瞄准目标,用来测量与目标之间的距离、目标的大小、速度以及加速度等。传统雷达一直使用机械转向,如下图左侧所示,这种转向方式存在一些缺点——需要进行机械维护、雷达脉冲的扫描速率相对较慢、扫描的高度也非常有限。随着雷达系统的变革,机械转向系统变为电子转向系统,优点包括——不含活动部件,所以维护简单,而且扫描速率快,可以轻松扫描不同高度。如下图右侧所示。通过电子方式可以将波束转向特定方向,另外通过增加阵列中的元件数量,还可以让波束变得非常锐利和狭窄。如果想要实现相控阵或模拟波束转向,那就需要模拟波束成形IC。ADI公司的插即用型天线芯片波束成形芯片ADAR1000,支持相控阵雷达和通信系统设计人员利用紧凑的固态解决方案快速取代庞大的机械转向天线平台。

 

什么是相控阵技术

电子转向相控阵系统的基础是一个由多根天线组成的阵列,其中,每个元件的辐射图均在结构上与相邻天线的辐射图组合形成称为主瓣的有效辐射图。主瓣在期望位置发射辐射能量,而根据设计,天线负责破坏性地干扰无用方向上的信号,形成无效信号和旁瓣。

天线阵列设计用于最大化主瓣辐射的能量,同时将旁瓣辐射的能量降低到可接受的水平。可以通过改变馈入每个天线元件的信号的相位来操纵辐射方向。下图展示了如何通过调整每个天线中信号的相位,将有效波束控制在线性阵列的目标方向上。结果,阵列中的每个天线都具有独立的相位和幅度设置,以形成期望的辐射图。由于没有机械运动部件,所以很容易理解相控阵中波束快速转向的属性。基于IC的半导体相位调整可以在几纳秒内完成,就可以改变辐射图的方向,针对新的威胁或用户快速做出响应。

相控阵元件基础理论图

类似地,可以从辐射波束变为有效零点以吸收干扰物的信号,使该物体看起来不可见,隐形飞机即是如此。重新定位辐射图或改变为有效零点,这些变化几乎可以立即完成,因为可以使用基于IC的器件而非机械部件,以电气方式改变相位设置。相控阵天线相比机械天线的另一个优势是它能同时辐射多个波束,因而可以跟踪多个目标或管理多个数据流的用户数据。这是通过在基带频率下对多个数据流进行数字信号处理来实现的。

相控阵波束成型IC

集成式模拟波束成型IC一般被称为核心芯片,旨在为包括雷达、卫星通信和5G通信在内的广泛应用提供支持。这些芯片的主要功能是准确设置每个通道的相对增益和相位,以在天线主波束所需的方向增加信号。该波束成型IC专为模拟相控阵应用或混合阵列架构而开发,混合阵列架构将一些数字波束成型技术与模拟波束成型技术结合起来。

ADI开发的集成模拟波束成形IC ADAR1000,是一款4通道器件,覆盖频段为8 GHz至16 GHz,工作于时分双工 (TDD) 模式,其发射器和接收器集成在一个IC当中,是X波段雷达应用以及Ku波段卫星通信的理想选择。

ADAR1000专为模拟相控阵应用或混合阵列架构而开发,混合阵列架构将一些数字波束成形技术与模拟波束成形技术结合了起来。该器件采用7 mm×7 mm QFN表贴封装,可轻松集成到平板阵列当中,在发射模式下功耗仅为240 mW/通道,在接收模式下功耗仅为160 mW/通道。收发器和接收器通道直接可用,在外部设计上可以与AD I公司提供的前端模块 (FEM) 配合使用。下图显示了具有全360°相位覆盖的增益和相位控制,可以实现小于2.8°的相位步长和优于31 dB的增益控制。

ADAR1000集成片上存储器,可存储多达121个波束状态,其中一个状态包含整个IC的所有相位和增益设置。发射器提供大约19 dB的增益和15 dBm的饱和功率,其中接收增益约为14 dB。另一个关键指标是增益控制的相位变化,其在20 dB范围内约为3°。同样,在整个360°相位覆盖范围内,相位控制的增益变化约为0.25 dB,缓解了校准难题。

ADAR1000 Tx增益/回波损耗和相位/增益控制,频率 = 11.5 GHz

总结

近年来,相控阵技术在反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、电子对抗能力等方面都远优于机械雷达,成为目前雷达行业发展的主要方向。ADI公司为相控阵天线设计提供从天线到位的整个信号链,且针对此应用优化IC,ADAR1000芯片可简化设计,显著缩减空中交通管制、监控、通信和天气监测所用相控阵雷达系统的尺寸、重量及功耗。对于航空电子设计人员而言,ADAR1000支持平板天线阵列,这可以缩小传统雷达系统的外形尺寸。新型ADAR1000是即插即用型芯片,使得没有或仅有很少射频经验的设计人员也能扩展雷达系统的性能并延长其工作寿命。


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