天線架構(gòu)和波束形成的趨勢

在諸如硅(Si)，砷化鎵(GaAs)和最近的氮化鎵(GaN)等半導(dǎo)體材料的推動下，數(shù)字化水平不斷提高，AESA技術(shù)繼續(xù)快速發(fā)展。與早期的半導(dǎo)體晶體管相比，半導(dǎo)體材料的進(jìn)步帶來了更高的電壓處理能力，更高的導(dǎo)熱率和效率。 

因此，這些技術(shù)可顯著改善射頻性能——更高的輸出功率，更高的工作頻率，更寬的帶寬和出眾的可靠性。天線技術(shù)也正在朝著數(shù)字化的方向發(fā)展，消除了老式的模擬元件，并實現(xiàn)了更高的效率和更大的工作動態(tài)范圍。

總的來說，這些新型材料和技術(shù)的發(fā)展，使得天線架構(gòu)和波束形成中微型化和集成度的不斷提高，這為顛覆性的優(yōu)勢和雷達(dá)應(yīng)用創(chuàng)造了機(jī)會。下圖展示了天線架構(gòu)和波束形成的趨勢，它們反映了雷達(dá)的過去和現(xiàn)在。與過去專注于解決設(shè)備過時的問題相比，現(xiàn)代雷達(dá)體系結(jié)構(gòu)專為技術(shù)嵌入，性能增長和長期可持續(xù)性應(yīng)用而設(shè)計。

近年來，依靠雷達(dá)來應(yīng)對各種各樣的威脅，從小型、行動緩慢的無人機(jī)到超小型、快速且靈敏的導(dǎo)彈。同時使用一臺雷達(dá)檢測常規(guī)目標(biāo)之上的這些威脅，對雷達(dá)設(shè)計提出了相互矛盾的要求。

例如，對于在高速，高機(jī)動和彈出目標(biāo)中檢測短反應(yīng)時間的要求與在苛刻的混亂環(huán)境中檢測慢速目標(biāo)的觀察時間長的要求相沖突。這導(dǎo)致了在規(guī)劃和利用雷達(dá)時間能量預(yù)算方面的沖突，迄今為止，已經(jīng)通過引入不同的雷達(dá)模式來解決這一問題。

因此，引入了雙軸多波束形成(Dual-axis multi-beam)的新穎解決方案，以增加觀察時間而又不影響反應(yīng)時間，并允許一部雷達(dá)同時完成各種功能和任務(wù)——多功能雷達(dá)。雙軸多波束包括多個同時接收的方位和俯仰波束。

下圖是具有多個同時接收波束的寬發(fā)射波束。由于加寬導(dǎo)致減小的發(fā)射波束增益可由目標(biāo)持續(xù)時間增加引起的高處理增益所補(bǔ)充。從本質(zhì)上講，雙軸多波束成形是20世紀(jì)70年代引入的一種現(xiàn)代形式的疊加波束雷達(dá)，它通過創(chuàng)新性地利用AESA技術(shù)改善了雷達(dá)設(shè)計的權(quán)衡因素。

單個顏色表示同時具有接收波束的發(fā)射波束

多普勒域還利用增加觀察時間來提高非對稱威脅的可檢測性，特別是低、慢和小型(LSS)目標(biāo)(如無人機(jī))的出現(xiàn)。在LSS空間中，感興趣的目標(biāo)必須與鳥類，道路和行人交通相抗衡。多波束的觀察時間越長，返回的質(zhì)量越高。

由最新的數(shù)字信號處理器支持的有限沖激響應(yīng)不是使用經(jīng)典的快速傅立葉變換對這些返回值進(jìn)行多普勒處理，而是提供了獨(dú)立的濾波器控制功能來增強(qiáng)可檢測性并提取獨(dú)特的功能以幫助目標(biāo)分類。

這些不斷發(fā)展的技術(shù)和新興概念的融合帶來了兩個關(guān)鍵的雷達(dá)發(fā)展，即圖所示的G550緊縮型機(jī)載預(yù)警(CAEW)雷達(dá)和圖所示的多功能雷達(dá)(MMR)。

雖然20世紀(jì)90年代的MFR天線裝有數(shù)十個TRM，但CAEW的MFR和MMR天線各自裝有數(shù)百個TRM。與E-2C 鷹眼的情況不同，天線陣列被吸收到灣流G550飛機(jī)機(jī)架上，沒有活動或旋轉(zhuǎn)部件。如果沒有創(chuàng)新的天線架構(gòu)，以及硬件小型化和高度的射頻數(shù)字集成，就不可能在公務(wù)機(jī)上安裝MFR。

一個MMR可滿足多種感知需求——監(jiān)視，預(yù)警和防空作用——壓縮“觀察-定位-決策-行動”(OODA)循環(huán)。與采購單個傳感器來實現(xiàn)每個功能相比，運(yùn)行單個系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

它還減少了選址和人員配備的需求，在新加坡土地面積有限和出生率下降的背景下，這尤其令人信服。DSTA將MMR概念化，與志趣相投的雷達(dá)供應(yīng)商合作開發(fā)，并且是第一個提供此功能的公司。

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