林肯实验室文献解读：全数字相控阵雷达（4）

发布时间:

2026-03

1.概述

天气监测雷达在2013年升级为双极化配置，处理产生的双极化变量可以区分不同的水凝物粒子类型，识别非气象散射体如昆虫、鸟和碎屑，同时还提高了降水量估计的准确性。典型的体积覆盖模式扫描中有5000个不同的指向方向，为了达到可接收的数据质量，需要平均约0.05秒的连续处理间隔，完成一个体积扫描需要四分之一或更长时间。

因此，一些研究雷达的实验机构提高了每分钟/次的体积扫描，这对监测概率的改善、误报率的降低和预警提前时间的增加都会减少伤亡，对社会带来可量化的好处。美国国家强风暴实验室领导了一个重要的研究，以确定PPAR是否可以支持更快的体积扫描，同时保持着系统提供高的数据质量。这是由林肯实验室、通用动力公司、NSSL、俄克拉荷马大学等开发的的一个主要的实验资产（ATD），可以探索关键性能挑战并展示高度数字化PPAR的操作益处。下一代PPAR开发的基础构架模块：一个8×8单元的、双极化的、相控阵面板，其可扩展及数字化的单元架构可以支持诸如未来气象雷达的要素。

2 .下一代数字相控阵雷达的需求

为了实现更快的体积扫描时间，下一代雷达需要支持多个、同时的灵活波束，并具有良好的波束到波束隔离。对于平面相控阵架构，这可以通过在单个阵面上生成和处理多个同时的波束，不管是固定的或旋转阵面，或两者的某种组合来实现。

同时接收波束需要在频率或波束指向上有一定的分离来实现高隔离。在生产具有宽分离的多个波束时保持良好的接收旁瓣，倾向于一个全数字阵列或至少在一个维度上是数字的，而不是采用子阵列或重叠子阵列的雷达。对于子阵列系统，波束必须被聚集以适应子阵列模式，而在子阵列模式中的波束数字重定向会在接收相位渐变中造成系统性的不规则性，导致增加的旁瓣。

为了最大的功率效率，阵列应该让功率放大器工作在饱和模式。可以通过应用仅相位渐变到阵列，来展宽（破坏）发射波束，从而支持多个接收波束，但这以减少有效各向同性辐射功率（EIRP）和增加双向旁瓣为代价。或是采用'霰弹枪'的方法，使用多个紧密间隔的发射脉冲指向广泛的不同方向。

上述两种方法的任何一个都要求发射功率与同时波束的数量成正比增加保持灵敏度。

为了极化变量提供良好的数据变量，雷达需要保持出色的极化隔离和优良的H-和V-通道的波束模式匹配。为了保持低旁瓣并支持在相同孔径中广泛分离的同时接收波束的良好隔离，天线的相位和幅度需要被很好的校准。

3 .系统概览

DPPAR由一个"构建快"面板组成，该面板包含64个堆叠贴片天线，这些天线在8*8的网格中排列，2英寸的点阵间距（5厘米），覆盖2.7GHz到3.1Ghz的频率范围。面板可以独立操作，或与其他面板在阵列中相同的。

PPAR架构将部分信号处理直接放在每个天线元件后面，如波束形成和脉冲压缩。这样可以通过直接在每个元素上对接收和发送信号进行数字化来最大化自由度。此外，PPAR采用了一个液体冷却架构，帮助处理由于在阵列上的处理增加和传输功率能力增加而引入的热负荷。

图1所示，DPPAR面板采用与ATD面板相同的双板设计，通过一系列连接器将孔隙板与背板印刷电路板组件连接在一起。这简化了组装，并可以最小化面板的厚度。孔隙组件包括64个双极化贴片天线，与单独的传输/接收模块配对。

图1. DPPAR面板双板设计，带有孔隙和背板板

背板PCB有三个目的：1.提供局部的电源调节 2.通过分布式信号束（DSB）同步到更大阵列 3.使用8个处理芯片，同时用于阵列外的数据传输

图2：DPPAR面板的双板设计，带有孔隙板合背板

图3：连接孔隙板和背板的高密度射频接插件

图4：DPPAR面板，辐射侧（左）的面板带有天线网格，电子设备壳（右）带有刚性机械安装和手柄

图4展示了DPPAR面板的设计，图4左侧为面板的辐射面，上面为贴片辐射器的点阵；右侧为电子设备壳。为了散发系统产生的热量，两个板通过一个公共冷板来冷却，如图5所示。

图5：DDAR面板，辐射侧（左）的面板带有天线网格，电子设备壳带有刚性机械安装和手柄。

4. 全数字的射频系统

图5：DPPAR面板设计

图6：DPPAR面板设计（爆炸图）

完全数字化的架构通过消除对几个模拟组件的需求来简化射频设计。单元权重在数字域中进行计算，因此在每个单元上执行波束转向和波束成形且不需模拟衰减器和移相器。每个单元的信号在数字上求和，因此不需要昂贵的微波波束形成网络。此外，应用高速直接采样转换意味着不需要模拟频率的混频电路。单通道的射频链方框如图7所示。