数字相控阵实现同时发射和接收 留言

在射频系统中，发射机和接收机由于自扰很强不能同时工作。同时发射和接收(STAR)是一种新能力，通过信号处理技术与数字波束形成技术，可以实现发射机和接收机的高度隔离。

任何STAR系统必须尽量消除其自身的干扰，以防对其接收机灵敏度产生不利影响。实现足够的隔离通常需要采用多种技术，例如高隔离度天线、可调模拟滤波器和自适应数字对消。

尽管这些技术成功的实现了单通道STAR系统，但是由于多个发射和接收元件之间的许多耦合路径必须各自被单独对消，因此开发能够STAR的相控阵仍然是一个重大挑战。

数字波束成形技术近期发展带来的许多优势可用于实现数字相控阵的STAR功能。自适应数字波束成形技术允许在同时发射和接收的波束之间保持高的隔离度。然后应用额外的数字信号处理来进一步从接收的波形中去除残留的发射信号和噪声。

通过仅使用数字域技术，可以在没有定制辐射器或前端对消电路的情况下实现完全STAR功能的阵列，从而减小前端损耗以及阵列的大小、重量和成本。

上图显示了数字波束形成和对消技术在孔径级同时发射和接收(ALSTAR)相控阵中的应用。发射和接收数字波束形成提供了两个相邻子阵列之间的空间隔离，数字接收机为每个发射机提供了测量参考，以实现接收波束中残余信号和噪声的数字对消。

孔径级同时发射和接收
Aperture-LevelSimultaneous Transmit and Receive, ALSTAR 

麻省理工学院林肯实验室(MIT-LL)开发了一种新的数字相控阵结构，以支持同时发送和接收操作。该方法在每个阵元处使用具有专用数字收发器的阵元级数字波束形成。孔径被分成发射子阵列和相邻的接收子阵列。

这种方法被称为孔径级同时发送和接收(ALSTAR)，以将其与其他支持阵元级发射和接收高隔离度的体系结构区分开来。

阵列中的每个阵元可以被分配任一功能，并且可以根据需要动态修改发射和接收区的大小和几何形状，以支持整个系统所需的各种天线方向图和功能。如果阵列中的所有阵元都在发送或接收，则阵列以传统方式运行而不会降低性能。

使用发射数字波束形成来最小化每个接收阵元处的入射功率，同时在远场近似得到所需的波束图。足够的隔离可以保持高接收机灵敏度，而不会使接收机前端过载。类似地，接收波束形成被用于最小化从每个发射机接收的耦合干扰，同时最大化感兴趣的外部信号方向上的增益。

即使在数字波束形成所提供的空间隔离改善之后，仍会在接收信号中残留大量的发射信号和噪声。使用传统的数字对消技术，可能消除发射信号，但不能消除噪声。为了解决这个问题，每个有源发射通道的输出被耦合到该阵元的接收通道。

采用发射波形作为参考信号，通过使用自适应数字对消来有效消除发射信号、失真和噪声。消除量不受发射机噪声的限制，而是受到参考接收机的动态范围的限制。由于接收机通常可以实现比高功率发射机大得多的动态范围，因此与传统的数字对消相比，此方法在整体隔离方面有显着改进。 

同时发射和接收使雷达具备同步模式、脉冲重复间隔、低截获概率和定向波形。从定位和跟踪角度来看，连续和持久的态势感知非常重要。美国麻省理工学院林肯实验室的同时发射和接收移动试验台测试表明，同时发射和接收可用于研发固定和非固定的实用系统。 

STAR相控阵列的影响 

它不需要定制辐射阵元、馈电网络、模拟消除器或其他额外的前端硬件。此外，标准阵列（非STAR）功能的性能不会被ALSTAR架构降低或损害。因此，ALSTAR方法代表了一种直接用于增强具有STAR功能的数字相控阵的方法。

为了进一步探索和实施能够实现STAR的实用相控阵，林肯实验室设计并构建了一个能够支持ALSTAR架构的八通道单元级数字相控阵。通过将高增益和高功率定向相控阵的性能与STAR的灵活性相结合，林肯实验室正在实现射频技术的新功能。

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）