射频波束合成器的接收模式
雷达通信电子战 2023-06-05
射频波束合成器决定了阵列雷达的辐射模式以及副瓣电平。发射时,射频波束合成器将输入信号分发给单个T/R模块。通常,这样做是为了让每个T/R模块接收相同的输入功率。在每个T/R模块中进行同等放大,然后产生均匀的发射孔径分布,可以最大限度地提高发射天线的增益。

接收模式

在接收模式下,幅度加权通常用于降低副瓣电平。 有源相控阵雷达通常需要低副瓣电平,以降低干扰的影响。孔径的幅度和相位误差电平决定了副瓣电平。而相位误差主要源自T/R模块和射频波束合成器。 为了达到低残余,量化相位误差以改善低副瓣的性能,T/R 模块采用数字移相器微波单片集成电路。
为了取得足够的跟踪精度,雷达通常采用单脉冲跟踪技术,需要单独的接收通道或射频波束合成装置,用于接收和值、三角形方位角、三角形高程和三角形之间的通道数。为了实现低副瓣性能,每个通道都可以选择一个最佳的振幅分布。
另外,因为通道是同时使用的,所以T/R模块中的单个移相器不能同时校正所有单相通道的相位误差,和通道副瓣通常优先于差分通道副瓣。在研制有源相控阵雷达波束合成结构时,有许多权衡取舍。

在接收模式下,首先使用列波束合成器合成辐射单元的输出。然后将列波束合成器的输出与水平波束合成,形成和值、三角形方位角、三角形高程和三角形之间的通道数。


利用衰减器或可变增益放大器,T/R模块采用了接收孔径加权。因为T/R模块采用了接收振幅加权,因此发射和值、接收和值波束合成器均匀分布,并且共享发射和接收功能。列和行组合的顺序可以交替变化。


相控阵的振幅衰减器也可以安装在波束合成器中,而不是安装在T/R模块中,如图所示。因为这种结构的发射和接收振幅衰减不同,所以接收波束和发射波束需要单独的波束合成器。

分布式波束控制器体系结构

尽管具有独立收发波束合成器的阵列比较复杂,但它的接收噪声系数很低。如果雷达要探测小回波信号,需要较低的天线噪声系数。对这两种结构进行分析,结果表明,对于大型有源相控阵天线,两者噪声值相差约0.5 dB。选择普通或独立的波束合成器时,需要考虑波束合成器的复杂性和天线噪声系数。
通过改变T/R模块中的移相器的插入相位,可以控制有源相控阵天线的发射和接收波束。天线波束扫描控制器(BSC)为所有的T/R模块生成移相指令。生成的移相指令既可以发给阵列,也可以在集中位置处理。这两个结构分别称为分布式波束扫描控制器和集中式波束扫描控制器。
在分布式波束扫描控制器结构中,中央控制器生成简单的指令,如扫描角度、频率和时间。T/R模块控制的电子器件包括专用集成电路(ASIC)、带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、场效应晶体管(FET)开关等。通过简单的输入指令和模块位置,专用集成电路可以计算出每个T/R模块的相位设置。
带电可擦可编程只读存储器中存储了每个T/R模块的线性振幅和相位表。这些数据都有特定的模块,以模块工厂测试结果为基础存储在带电可擦可编程只读存储器中,并且可以在任何时候删除和重新加载新的数据。从专用集成电路到T/R模块的数据传输速率大约为20mbps。 
在本地分配时钟可以最小化噪声,因为时钟不同步。由于许多不同的波束扫描/增益相位组合可以预先存储在内存中,因此易于实现不同波束之间的切换,无需在单个驻留中重新计算。

集中式波束控制器体系结构

在集中式波束扫描控制器结构中,中央位置执行大部分计算任务,每个T/R模块所需的数据直接通过并行总线发送到T/R模块或T/R模块组(例如最小可更换组件)。
中央波束扫描控制器有多张数字信号处理器(DSP)卡,每张卡对应一个特定的T/R模块组,并存储该模块组的所有校准值(线性表格)。在最小脉冲重复间隔(PRI)内,每张数字信号处理器卡为模块组中的每个T/R模块执行一次波束指向计算。
对于集中式波束扫描控制器结构,该功能可通过FPGA实现,以满足新的T/R模块需求。集中式波束扫描控制器的优点是中央处理器可以通过商业途径购买,能够为不同的雷达系统重构。大型有源相控阵系统既可采用分布式波束扫描控制器结构,也可采用集中式波束扫描控制器结构。
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