无源电扫描阵列(PESA)与移相器 留言

从雷达研发初期，有一个问题就一直困扰着雷达设计人员，那就是如何取得雷达精度、距离和扫描时间之间的平衡。该问题源于这样一个事实，即波束宽度较窄的雷达具有更高精度(分辨率单元)，且在发射功率相同时(功率更集中)其探测距离更远。

但是，雷达波束越窄，完成对其整个探测范围扫描所需的时间就越长。此外，雷达增益越高(波束更窄)可能需要天线尺寸更大，而这不利于实现快速扫描(为了达到要求的精度，雷达可能需要采用尺寸巨大的天线，而即使通过机械方式也很难控制巨大的天线的转动)。解决该问题的一种方法是采用无源电扫描阵列(PESA)。

PESA不依赖于机械装置，而是依靠称为波的干涉现象来控制雷达波束。波的干涉是当两个或多个相同类型的波在空间同一点振荡并相遇时发生的现象，这些波在一点的总振幅将以与水波纹类似的方式叠加，具体取决于这些波的相位差，干涉可能使幅度增强抑或相消(如下图所示)。

通过控制一组发射阵元的相位差，就可以控制增强和相消干涉出现的位置，进而形成波束并控制其方向。重要的一点是，由于PESA雷达通过电子干涉实现波束指向控制，因此控制波束从一个平面的一边扫描到另一边所需发射阵元的数量最少是2个(例如：发射阵元排列成一条水平线的阵列将无法控制波束完成垂直向扫描)。

PESA雷达通常包括：1个馈源、1个低噪声放大器(LNA)、1个功率分配器、1个双工器，大约1000-2000个发射阵元和相同数量的移相器，阵元的具体数量取决于雷达的尺寸和性能要求。

PESA雷达的发射单元可以是任何类型的各向同性或定向天线。一些常见的发射单元如下：

战斗机上配置的第一代有源/无源相控阵雷达最通常采用的辐射天线是贴片天线，因为最容易设计。现代有源相控阵渐渐转为采用宽带特性和增益比贴片天线更好的喇叭口辐射器：

无论采用何种天线阵元，辐射阵元数量增多，雷达的方向性特性就会提高。如上文所述，如果雷达的工作频率(波长)保持不变，发射孔径越大，得到的波束宽度就越窄，则雷达系统的作用距离和精度都会提高。

但是，对于任意相控阵系统，通过增大辐射阵元的间距来增大雷达孔径的同时降低造价并不是一个好做法。因为，当辐射阵元的间距大于工作频率时会出现栅瓣，这会极大降低雷达的性能。

移相器是PESA雷达上最重要且最昂贵的器件，没有它们就无法控制信号相位，也就无法实现波束扫描。

这是一种最简单的移相器。原理是让信号花费一点时间通过一段传输线。时延(相当于信号的相移)取决于传输线的实际长度、信号的频率和信号在传输线介质中的相位速度。通过在两条或更多条预先确定长度的传输线之间切换，使信号通过其中一条从而控制相移。延迟线法是最直接的方法，因为它利用两个直接路径之间的简单时间延迟差来获得所需相移。

数字移相器中使用的开关元件是：机械开关(或继电器)、PIN二极管、场效应晶体管(FET)或微机电系统(MEMS)。时延移相器中通常使用PIN二极管开关，因为它们具有切换速度快、损耗小且偏置电路(可使PIN电阻的变化范围大从约10千欧变到1欧姆)相对简单的特点。

相移和时延的关系由下式确定：

时延(s)=[相移(°)] / [360°x频率(Hz)]

时延移相器存在的问题是：其相位误差随频率的升高而增大，体积随着频率的降低而增大，而且相位的变化会随频率的变化而改变(因此对于频率太高或太低的情况都不适用)。

重要的一点是，虽然时延移相器与真时延器件/时延单元都基于相同的原理(多路径结构)，但两者却有很大不同。时延移相器在两个状态(两个状态的相位不随频率变化)插入的相位差通常是固定的。这两种状态的时间延迟差非常小(两种状态的路径长度相差小于一个波长)。

而时延单元可以提供多种、多波长相移。由于普通移相器无法实现恰当的时延差，因此波束在频率上会出现失真(例如，如果阵列直径为1m，则至少需要几纳秒的延迟)。为解决这一问题开始采用真时延单元。与移相器用在阵元级不同，真时延单元是用在子阵列级。

这种移相器主要是一种正交耦合器，它将输入信号分成相位差90°的两路信号，这两路信号被反射系数(如幅度和相位)相同的一对开关负载反射之后，在移相器的输出端转为同相。这种移相器利用被导电线反射后信号的相位相对入射信号发生变化的现象。

被反射的电压波的相移相对于入射波从0°(开路-零变容二极管电容)到-180°(短路-无限变容二极管电容)变化。已经证明这种移相器具有很大的工作带宽。但是由于变容二极管本身的物理局限，因此实际可获得的最大相移只有约160°(也就是说，通过多个此种电路的组合可获得更大的相移)。

这种移相器与反射移相器类似，输入到3dB正交混合电路的RF信号被分成两路相等的输出，但相位相差90°。同相或0°通道被指定为I通道，正交或90°通道被指定为Q通道。信号通过能够为信号提供相移的双相调制器(通常采用小型反射移相器作为双相调制器)。

调制后信号获得0°或180°相移，可以选择任何一对正交矢量。之后这两路信号在一个同相合成器中重新合成。由于I和Q分量的衰减都可控制，因此不仅可以控制输出信号的相位，还可以控制其幅度。

由于延迟线移相器不能在大频率范围内提供恒定的相移，因此开发了一种开关滤波器移相器。这种移相器的原理是通过开关切换控制RF信号通过高通或低通滤波器通道。这种移相器与延迟线移相器大致类似，但是用滤波器代替了传输线。

低通滤波器由一系列电感和并联的电容器组成，科使通过它的信号相位延迟。高通滤波器由一系列电感和电容组成，可使通过它的信号相位超前。与延迟线移相器不同的是，这种移相器可在很宽的工作频率范围内获得非常一致的相移。而且与等效的开关线、反射式和I-Q调制器等移相器相比，开关滤波器移相器的整体尺寸很小，也因此使其成为雷达最常用的一种MMIC移相器。

与普通反射天线相比，PESA的主要优点如下：扫描速率极高(可提高跟踪目标数量，且更难以被雷达告警接收机发现)，可根据目标类型和任务要求对目标照射时间或驻留时间进行优化，高增益低副瓣(更难被干扰，更难被敌方探测，且探测距离更远)，随机扫描方向图(更难干扰)，使用专用检测和调制技术可辅助从噪声背景中提取目标信号。

这种雷达的主要缺点是：造价较高，而且互耦问题使其扫描范围无法超过60°(固定相控阵的视场为120°扇区，而机械扫描雷达可达到360°)。

 

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）