电扫阵列(ESA)的优势与局限，数字波束形成(DBF)的实现与挑战 留言
现如今电子扫描阵列(ESA)已经在机载雷达应用中占据了主要地位，与传统机械扫描阵列的主要不同点在于它通过对单个阵元辐射的电磁波相位进行独立控制来实现波束控制。
波束扫描控制器(BSC)
波束扫描控制器(BSC)将期望的波束指向(通常是相对于天线面法向的角度)转换成对独立辐射单元的相位指令，相移计算方法如下图。
在搜索状态下，波束从一个位置到下一个位置以小步长步进的方式扫描，在每个位置驻留一段时间，即目标驻留时间。波束移动的步长通常是3dB波束宽度的一半，还可以根据波形损失和帧扫描时间进行权衡优化。
无源电子扫描阵列
无源电子扫描阵列具有与机械扫描阵列相同的通过收发开关连接的集中式发射机和接收机，但它的每个辐射单元的后面连接一个移相器，如果是一维扫描阵列则每一列辐射阵元连接一个移相器，通过控制移相量就可以控制波束指向。
有源电子扫描阵列
有源电子扫描阵列比无源电子扫描阵列的复杂程度提高了一个量级。阵列的每个单元都包含了发射功率放大和接收前端的功能。每个辐射单元后面直接连接一个专用的微型发射/接收(T/R)组件，而不是移相器。
收发组件(T/R)包含多级大功率功放(HPA)，双工器(环形器)，防止发射脉冲通过双工器泄露到接收通道的保护电路，放大接收信号的低噪声放大器(LNA)。
输入输出的射频信号都会通过一个可变增益的放大器和一个可变增益的移相器，发射和接收是分时使用的。这些器件和附属的开关的状态由逻辑电路按照波束控制计算机发送的指令进行控制。为了降低收发模块的成本，并减小它们的尺寸以安装在密集排列的辐射单元后面，这些模块通常是由集成电路设计的小型化器件。
当前的趋势是将几个辐射单元连接的收发模块集成为一个芯片组，而不是每一个辐射单元对应一个收发模块。这些较大的收发组件可以给两个或更多的辐射单元提供激励。
电子扫描阵列有三个主要的优势：1，降低飞机的雷达散射截面积；2，使波束控制更加灵活；3，可靠性更高。但电子扫描阵列也会带来的局限。
电扫阵列的优势
降低天线阵列的RCS。在所有的低散射截面积飞机上，雷达天线的安装方式是关键。即使是一个相对小的平面阵列，如果从天线的正面照射，也可能有相当于几千平方米的RCS。机械扫描阵列在搜索的时候要不断地转动，因此天线阵面反射对飞机在威胁方向的RCS没那么容易降低。
当雷达处于单目标跟踪模式的时候，它的天线阵面持续指向一个目标，这时机械扫描阵列的散射截面积问题会非常严重。而电子扫描阵列相对于飞机是固定安装的，天线对飞机RCS的影响可以降低，更多相关知识点击查看《雷达散射截面积(RCS)基础知识》。
极其灵活的波束控制。由于电子扫描阵列的波束控制不存在惯性问题，它的波束控制比机械式要灵活的多。可以考虑一些典型值来向大家展示这种不同。
机械扫描阵列的最大波束扫描速率，即它的波束灵活度，受限于转动时驱动电机的功率，这通常在100~150 deg/s之间。另外，改变波束的移动方向大概要1/10s。
然而，电子扫描阵列可以在几微秒的时间内在±60°的范围内任意改变波束指向。这种极其灵活的波束控制有许多优势：
-
目标探测到时就可以建立跟踪；
-
对多目标具有与单目标一样的跟踪精度；
-
雷达控制导弹攻击目标时，即使目标在导弹的搜索范围之外，也能被雷达探测或跟踪；
-
波束的驻留时间和波形可以单独优化以满足探测和跟踪的需要；
-
采用时序探测技术显著提高了探测范围；
-
地形跟踪能力大大增强；
-
电子欺骗技术可以在天线探测区的任何地方使用；
-
这些能力已经产生了一种全新的、高度通用的、高效的方法来分配他的雷达前端和计算资源，并控制和交织执行雷达的各种操作模式。
高可靠度。电子扫描阵列完全摒除了转动系统、驱动电机和旋转接头这些结构，所有这些都可能导致故障。电子扫描阵列的唯一活跃的组件是它的移相器。高质量的移相器非常可靠。然而，即使偶尔发生故障，只要不超过5%的单元发生故障，天线的性能就不会发生明显的降低，因而不需要更换它们。
有源电扫阵列的额外优势
有源电子扫描阵列还有一层额外的可靠性，因为它的收发模块使用固有可靠性很高的高功率放大器，代替了中央行波管。有源电子扫描阵列不仅使用集成固态电路，且只需要低电压的的直流电源就可以工作，因此故障率极低。
有源电扫阵列最多可以有百分之五的模块发生故障而不影响性能。即使发生故障了，也可以通过适当地调整故障单元附近的单元的辐射来降低独立单元故障引起的影响。因此，一个设计良好的有源电子扫描阵列的平均故障间隔时间(MTBCF)可能与飞机的寿命相当。
由于收发模块中的低噪声放大器和高功率放大器几乎与辐射器直连的结构所带来的，这从根本上消除了天线馈电系统和移相器的损耗。另外，忽略辐射器、双工器和接收保护电路相对较小的损耗，低噪声放大器贡献了净接收机噪声系数。可以通过合理的设计得到非常低的噪声系数。传输损耗也同样降低了。
每个辐射单元发射和接收信号的幅度，和相位一样，可以单独控制。因此，有源电子扫描阵列提供了优秀的波束赋形能力，可以应用在地形匹配和近距离合成孔径及逆合成孔径雷达成像中。多波束独立控制技术可以通过将天线口径划分为几个子口径并对其提供合适的激励来实现。通过合适的收发模块设计，宽频带的多波形独立控制可以实现整个口径的共享。
主要局限和应对方法
虽然具有这么多的优势，但电子扫描阵列使得雷达的设计在两个方面相对于机械扫描阵列复杂化了：1. 获取大的扫描范围；2. 在飞机姿态变化的情况下稳定天线波束。下面概述这些局限性和规避这些局限性的方法。
扫描范围的局限
对于机械扫描阵列，只要天线罩能提供足够的通透性，天线的扫描范围都可以在不影响雷达性能的情况下增加。然而，对于电子扫描阵列，随着天线波束从阵面的法线方向向边缘移动，随着等相位面与阵面的夹角逐渐增大，孔径的宽度逐渐减小，使得波束宽度展宽。更重要的是，口径的投影面积也会随着波束角度余弦的减小而减小，相应的增益也会下降。
根据应用场景的不同，增益的衰减在一定程度上可以通过增加驻留时间来补偿，代价是降低了扫描效率。即便如此，最大可用范围通常仅为±60°。
虽然这一扫描范围可以适应大多数应用场景，如果希望有更宽的扫描范围，可以增加阵列的数量，只是成本会大幅增加。一种可行的配置方案是，为主要的前视阵列配置两个小的“脸颊”阵列来扩展扫描的范围。
波束稳定性
对于机械扫描阵列来说，波束稳定性不是问题，因为天线配置在万向节上，通过快速作用的闭环伺服系统和天线上的速率积分陀螺仪，使天线可以指向空间坐标系的任意方向。
如果天线和平衡器实现动态平衡，该系统有效地将天线与飞机姿态的变化隔离开来。而天线波束一般只是按固定的扫描模式搜索或跟踪目标，这两种情况都不需要特别高的角速度。
对于电子扫描阵列，波束稳定性就没那么简单了。由于阵列固定在机体上，飞机姿态的每一点变化如滚动，俯仰和偏航等都必须被感知。必须为每个辐射器计算用于补偿这些变化的相位指令，并且这些指令必须传输到天线的移相器或T/R模块并执行。整个过程必须以足够高的速率重复进行，以跟上飞机姿态的变化。
如果飞机的姿态变化十分剧烈，这个速率会相当的高。对于标称每秒操控2000波位的系统，2000-3000个辐射单元的相位指令必须在500微秒内完成计算、分发和执行。幸运的是，借助于先进数字处理系统，这个级别的吞吐量可以实现。
数字波束形成的发展趋势
从机械到电扫阵列，机载雷达的性能有了显著的提高。数字波束形成(DBF)可减少搜索时间，支持抗干扰技术，可实现延时宽带波束控制。数字波束形成随着数字计算技术的发展已达到了可实现的程度。
使用数字波束形成的阵列通常是指数字电子扫描阵列(DESA)，它跟传统的电子扫描阵列有一些不同。
单元级的数字波束形成技术，每个阵元的后都连接一个数字接收机
首先，阵列的接收部分分成许多个数字通道，且波束形成最终是在信号处理部分完成的。极端情况下，在每个辐射单元的后面都接一个模数转换器。
它的另一个极端情况就是传统只有一个数字通道的模拟波束形成。这是一种依赖于模拟子阵并将阵列分成若干数字通道的妥协方法。子阵的设计如下图所示，这是目前为止最实用的DBF实现方案，因为这种波束形成方式显著减少了数字通道的数量，以及数据吞吐量和处理需求。
使用子阵架构减少数字电路和数据处理需求的数字波束实现方案
数字波束形成的优势
同时多波束。它可以使用一组数字信号集合同时形成多个接收波束。多波束的形成可以使预定区域的搜索更快，且为额外的处理技术提供了可能，如角度估计比传统单脉冲方法更加精确的最大似然估计。
DBF为数字化的时间延迟技术提供了用武之地，这可以克服移相器带来的失配问题。由于幅度和相位(或时间)量是数字化的，这些量值将比模拟量值更少出错，模拟量不但精度低且更可能受到温度的影响。对于宽带应用，真实的时间延迟，比相移更必要，但这需要很大的系统开销。
使用数字通道使置零干扰源成为可能。随着数字通道的增多，可以消除的干扰源的数量也同样增多。通过对干扰的先验知识或更复杂的自适应阵列处理技术完成。对于机载系统，DBF是可以实现时空自适应处理技术的架构。
数字波束形成的挑战
实现数字波束形成的性能优势要面临许多现实的挑战。机载雷达通常工作在很高的频率上，这使得射频采样很难实现。因此，模数转换器通常在中频或者基带进行。对于每一个数字通道将需要一个或多个混频器和数字接收机，这些都将占用大量的空间。
增加这些附加的组件给机载电子扫描阵列的集成带来了巨大的挑战，因为机载电子扫描阵列阵元间距很小且空间有限。随着数字通道的增多，将有越来越多的数据需要从接收机传输到波束赋形计算机。一旦数据到达处理器，将面临另一个挑战，即实时处理这些数据，尤其是使用自适应算法的时候。这些挑战随着带宽的提高成倍增加。
原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）
