新型民用“多功能相控阵雷达”，结合了“双极化”和“数字波束形成”技术

本文提出了一种新型的利用双极化数字波束形成的相控阵雷达解决方案，能够同时实现飞行器和气象环境监测。

无论是依靠雷达跟踪和管理空中交通的联邦航空管理局(FAA)，还是提供天气预报和应急信息的国家气象局，大多数人都能够认识到雷达系统在以上领域所起到的重要作用。

然而，美国国家航空航天局、农业与国土安全部、环境保护局和其它联邦机构需要依靠八种不同雷达构成的民用网络提供各类信息，例如识别和跟踪车辆、太空雷达成像、获取气象数据等，目前这些工作了10年至40年时间的系统已经接近设计寿命的终点。

麻省理工学院林肯实验(MITLL)室提出了一种多功能相控阵雷达(MPAR)作为这些老化系统的替代品，与当前使用旋转抛物面天线的民用雷达系统不同，MPAR没有机械旋转部件，而是利用4个天线阵面实现360度扫描，并且以电子扫描方式产生赋形波束。

MPAR产生的捷变波束能够达到更快的全空域扫描速率和更高的空间分辨力，能够以一部雷达单元执行各种天气和飞行器监视任务。此外，由于更快速的天气扫描并具备对飞行器的垂直分辨力和高度估计，MPAR系统的监视能力很可能会超过当前雷达系统的能力。

MPAR系统设计关键技术

在FAA的资金支持下，林肯实验室和M/A-COM联合开发了一个主动式电子扫描相控阵雷达天线阵面的原型样机，该样机是MPAR系统的基本组成部分。

原型样机的每个天线阵面由一个开孔印刷电路板(PCB)、一个热交换器和一个底板PCB组成，用于将直流电源功率和控制信号分配到各天线阵元(见MPAR天线阵面分解图)。开孔PCB由微带天线贴片元件、天线馈电网络、阵列波束形成网络、直流电源分配网络和控制信号分配网络组成。PCB由市场上可买到的微波电路板材料制成，采用标准的商业制造技术设计。

每个MPAR天线阵面由64个阵元组成，每个阵元具有独立的辐射单元和收发(T/R)模块，其主要功能是放大雷达信号并控制各阵元的信号相位；64个收发模块以表贴形式安装于开孔板的背面。

为了实现系统所需要的极化性能，研究人员实现了独特的收发模块架构：1.具有两个独立发射通道；2.具有两个可切换波束形成器路径的独立接收通道。该架构允许收发模块能够快速重新配置，从而输出单个双极化接收信号或两个独立控制的线性极化信号。与线极化雷达波束相比，MPAR系统的双极化可配置有效改善了雷达资源管理能力。

以设计的天线阵面实现相控阵雷达功能，将一组阵面(～300个单元)集成到一个平面上形成单个雷达天线阵。阵元级的有效相位和幅度控制使得雷达系统具备电子操纵从天线阵发射、接收期望方向雷达信号的能力。

波束形成网络在发射模式下将信号相干分配给各天线阵元，在接收模式下相干累加聚集能量。相控阵天线能够以相参的方式同步辐射和接收雷达回波脉冲，可用于检测、定位、跟踪飞行器和气象目标。

MPAR系统优点

MPAR系统的功能可以为气象和飞行器监视带来显著好处，该系统能够提前预报恶劣天气活动、改善降雨预报和山洪预警，为气象预报模型提供更优秀的记录数据；改进对恶劣天气的预报将提高航空旅行的安全性并减少航班延误，对美国领空的监测也将受益于飞行器探测和跟踪能力的增强。

MPAR系统的效费比也是具有吸引力的，根据政府提供的有关相控阵雷达项目联合行动小组的报告，由于MPAR能够同时进行天气和飞行器监视，一个MPAR网络将使美国需要的雷达单元数量从目前的500多个减少到330个。

除了通过购买更少的新系统达到节省开支之外，MPAR使用了商业无线行业的标准材料和制造方法以及可扩展的阵列架构，从而在30年的使用寿命中节省雷达系统的运营和维护费用。

作者：Dr. Jeffrey S. Herd (MIT实验室先进射频传感应用部)，翻译：高小豆