低成本扩频数字波束形成技术研究(2)
数字波束形成是用数字技术调整阵列天线幅相权重实现天线波束形成的技术，它保留了天线阵列中单元信号的全部幅相信息，并能够采用先进的数字信号处理技术对阵列天线信号进行处理，能够获得良好的波束性能。此外数字波束形成还可以同时形成数个独立且可控的波束而不损失信噪比。波束特性由幅相权矢量控制，因而灵活可变，天线具有良好的自我校正和低副瓣性能。因此数字波束形成技术对提高雷达性能有着深远的意义。 接收数字波束形成就是在接收端以数字技术来形成接收波束。接收数字波束形成系统有天线阵元、接收组件、A/D变换器、数字波束形成器、控制器和校正单元组成[6]。接收数字波束形成系统相当于用空间分布的天线阵列各单元对空间信号采样，分别无失真地进行放大、下变频、检波等处理变为中频信号，再经A/D采样转换为数字信号。然后将数字信号送到数字处理器进行处理，形成多个灵活的波束。 目前，阻碍数字波束形成技术在雷达、通信和射频感知系统中应用的最大障碍就是成本、体积、重量和功耗的限制，这些都是传统数字波束形成（CDBF）系统所使用的数字收发器，包括上/下变频、DAC/ADC、每个单元的存储和数字接口引起的。其二，高频率（如 X、Ku、Ka· ··）波段 CDBF 的可扩展性的主要限制在于每个阵元背后电子器件摆放的空间是有限的（随着频率增加空间越来越小）。同时，有限的空间限制了散热性能。其三，要实现宽带 DBF系统，CDBF 的主要限制在于需要众多高采样率 ADC和复杂的数字总线（用于集成和分配信号）。此外，对于大孔径 CDBF 可扩展性设计与实现问题，难点在于所有收发组件在较宽的温度范围内的同步（载波同步层面和 ADC采样频率和时间同步层面），温度范围包括每个收发组件内部热点（例如 MMIC或者标签放大器）温度的波动。 针对以上 CDBF 的限制，美国应用雷达公司提出一种采用扩频技术的实现方案。扩频数字波束形成（SSDBF），通过消除“每个单元一个数字 T/R组件”的要求，可以最小的硬件成本（最小的体积和功率消耗）实现完全的数字波束形成。更确切的说，SSDBF 以低成本、小体积、低功耗的单个下变频、单个数字接收机、单个 ADC，在 L到 Ka 甚至更高频段，实现较大带宽（100MHz）、较大阵元规模（100 单元）数字波束形成的功能。SSDBF 在硬件上通过将 CDBF 每个单元的 MMIC T/R 模块替换为简单双相位重调制电路实现。SSDBF 将每个单元的入射回波信号重调制并合成，这样可以以可忽略的噪声性能下降为代价，无互耦影响、完美的恢复出与每个阵元 RF 信号等价的复基带信号。
这个替换 SSDBF带来了至少三个方面的巨大改进（相对于 CDBF）：1）硬件规模、复杂度、功率、和单元级散热特性；2）时钟分布和相位-频率同步包括整个阵列在频率域的重新校准（一个 CDBF所必须且繁琐的任务，而 SSDBF 不再需要）；3）混合信号的采样率和随后每个 PRI 的全部数据量（CDBF 数据量要增大 M 倍）。这些改进使得SSDBF更适合高频率（如，Ku和Ka）、宽带（如，数百MHz 到GHz甚至更高）的应用。根据其描述，SSDBF 系统能够在较小的硬件成本下实现完全的数字波束形成功能[1]。 1.2 国内外研究动态 近几十年来，采用阵列天线的雷达发展非常迅速，数字波束形成是目前相控阵雷达的一个重要发展方向源]自{优尔·~论\文}网·www.youerw.com/ 。国外的一些国家在此方面投入了大量的人力物力，已经取得了不少研究进展。许多采用 DBF技术的实验系统和相控阵雷达系统投入测试和使用。 美国海军研究局(ONR)于 20 世纪 80 年代开展了数字阵列雷达的先期概念研究，在此基础上于 2000 财年正式立项开展了全数字波束形成的数字阵列雷达(DAR)的研究，以便引入现代新技术开发一种具有全 DBF 结构的有源阵列雷达系统，目的是解决舰载雷达在近海作战时复杂环境下小目标的检测问题[10]。参加研究的 3个主要单位是美国海军实验室(MIT/LL),NSW/DD 实验室和麻省理工学院林肯实验室。这是一个较为完整的 L 波段 96 个单元的实验样机系统，其核心技术是基于 DDS 的发射数字波束形成和基于A/D的接收数字波束形成[17]。 乌克兰的 Ukspetstechnika 公司 2001 年 7 月完成了数字阵列雷达研发项目。该数字阵列雷达不仅适用于地面雷达、舰载雷达，也适用于机载雷达。 英国 RokeManor 研究中心最早提出了数字T/R组件的概念，并对基于 DDS的相控阵全数字T/R组件进行了深入的研究。该公司开发了一个 13个阵元的收/发全数字波束形成试验阵，用以验证数字组件用于雷达设计的可行性，该实验系统采用了 13 个数字T/R 组件。 除上述研究外，国内有许多专家学者对数字阵列雷达技术给予了极大的关注，积极开展了相关技术的研究并取得了一定的成果。 中国华东电子研究所于 1993 年提出了“直接数字波束控制”的概念，1998 年研制出4 单元的基于 DDS技术的DBF发射阵， 2000年9月研制成功8 单元一维收发全数字波束形成试验系统。2005年，该所完成了 512个单元的数字阵列雷达延时验证系统研制，标志性成果为高度集成和可靠的 DAM。目前该所正在进行数字阵列雷达工程应用研究。 随着 DBF系统在高频率、大带宽下的应用，传统 DBF系统对成本、体积、功耗、重量以及收发组件在较宽温度范围内的同步等问题产生了较大限制，目前国内在这方面研究较少。本文将就美国应用雷达公司提出的扩频数字波束形成雷达系统开展研究，建立系统模型，完成功能和性能仿真，验证其方案的可行性，为下一步原理样机的研制做好准备。