戴幻尧，杨 晴，雷 昊，李棉全，周 波

(1.电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室， 河南洛阳471003)

(2.中国兵工工业试验测试研究院， 陕西华阴714200)

(3.国防科学技术大学电子科学与工程学院， 长沙410073)

0 引言

随着雷达极化理论和技术的发展，极化已经成为现代精细化、高维度和智能化雷达不可或缺的技术手段［1］。具有精确极化测量能力的全极化相控阵雷达是未来多功能相控阵雷达的重要发展趋势，在气象观测和防空反导等领域具有广阔的应用前景。目标极化信息获取的精度是极化应用技术性能的关键因素，精密极化测量对雷达系统设计和信号处理技术提出了非常苛刻的要求。同时，共形相控阵的各个天线单元和载体本身形状贴合，不同的单元指向可以保证阵列在比较宽的视场范围内克服平面阵列在带宽和扫描区域的限制，采用优化的波束形成算法和馈电方式甚至可以将波束扫描区域扩大到多个立体空间，实现无盲区扫描，并且扫描过程中天线工作性能良好。在相控阵雷达新需求、新理论、新技术的需求牵引下，综合雷达极化技术和共形阵列技术的优势，本文提出了全极化共形相控阵雷达新技术的发展需求，指出全极化天线方向图综合与极化控制、全极化信息测量与校准、全极化共形相控阵天线设计是发展全极化共形相控阵雷达的三个关键技术所在，也是技术难点和挑战所在。全极化共形相控阵技术具有很强的技术优势和发展生存空间，不仅发挥了雷达极化技术在目标识别和电子对抗领域的优点，还能够为外形隐身、载体赋形、飞机舰船的气动布局设计带来好处，有助于进一步提高雷达的性能。

1 全极化共形相控阵雷达的发展需求

1.1 全极化共形相控阵的概念

共形相控阵天线是传统平面阵列天线概念的延拓，将共形阵列天线、相控阵天线、全极化综合与控制三个概念、三种技术进行综合考虑和设计，该类阵列是在共形阵基础上，将各个阵元设计为正交双极化模式，或者每个正交极化子阵后面都级联功放、低噪放、移相器、数字化接收机等，进而在发射端实现任意极化合成发射，在接收端虚拟合成任意接收极化，通过对发射极化和接收极化的优化设计，就能够使波束赋形、极化状态、波束扫描方面更加灵活，提高雷达的工作性能。这种综合了极化信号处理优势的天线称为“全极化共形相控阵天线”。

1.2 全极化共形相控阵的优势和应用前景

2006年～2025年，美国资助“多功能全极化有源相控阵雷达(Multi-function Phased Array Radar，MPAR)”研究计划［2-3］，主要任务是服务于国家安全、天气监测、空中交通管制等，如图1所示。全极化多功能相控阵雷达可同时监测气象目标和非气象目标，非气象目标的探测包括空中飞行器的跟踪、生物探测等，还可以探测飞机尾流等威胁机场安全的环境。如果未来的雷达监测网采用这样一部多功能多任务的相控阵雷达替代八种单任务雷达(包括气象雷达、空管雷达和边境防御雷达等)，可使美国本土的雷达总数减少35% ～40%。

图1 美国多功能相控阵雷达(MPAR)计划

2009年，在MPAR计划以及美国海军和陆军的支持下，洛克希德-马丁公司计划将宙斯盾(SPY-1A)相控阵雷达和EQ-36火控雷达改造为全极化有源相控阵雷达，改造后SPY-1A和EQ-36雷达系统如图2所示。2012年，美国空军联合工业部门研制双极化相控阵天线，以部署更加隐蔽的无源雷达来完成飞行目标的警戒。

1.2.1 显著提高雷达目标检测、识别、抗干扰能力

雷达极化技术近年来受到极大关注和发展，为提高雷达的战术技术指标创造了相当大的空间。一方面，雷达对多个极化通道的回波信号进行虚拟匹配或失配处理，可以提高雷达对信号环境、地物海杂波的感知和抑制能力，提高检测性能;另一方面，通过目标全极化测量技术，可以获得目标完整的极化散射矩阵(四路信息)，包括幅度特性和相位特性，进而还可以提取反射率、差反射率、差相移、差相移率、共极化相关系数、退极化比等，这些信息的进一步利用为目标识别提供了更加全面、丰富的信息，有助于提升目标的正确识别概率。

图2 部分投入使用或计划研制的全极化相控阵雷达

1.2.2 显著提高相控阵的视场范围

传统平面相控阵天线因为大的扫描角以cosθ规律严重压缩了平面阵列的口径面积，使得天线波束形状展宽，天线增益和极化纯度都有所下降;同时，相控阵天线单元之间存在随扫描角改变而变化的互耦，较大的移相激励会使阵列辐射功率因互耦干涉而锐减，甚至完全抵消，出现“扫描盲点”。一般波束扫描±60°时，天线增益下降3 dB～5 dB，波束宽度增至2～3倍，副瓣电平提高5 dB～10 dB，并伴随波束形状的严重畸变［3-5］。

共形相控阵的各个天线单元和载体本身形状贴合，不同的单元指向可以保证阵列在比较宽的视场范围内克服平面阵列在带宽和扫描区域的限制，采用优化的波束形成算法和馈电方式甚至可以将波束扫描区域扩大到多个立体空间实现无盲区扫描，并且扫描过程中天线工作性能良好。因此，装配共形天线的战斗机雷达和弹载导引头雷达可以在更大范围内控制波束扫描，进行精确的跟踪和制导。

1.2.3 显著增大天线阵列口径

现代武器装备在设计阶段就要考虑避免天线结构载体平台动力学性能的影响。为了提高雷达功率口径积和雷达的角度分辨率和距离分辨率，就需要综合考虑雷达天线的尺寸。对于海面预警雷达应用，雷达天线往往需要安装在舰船的舱室外部和上层建筑上;对于机载应用［6］，雷达天线需要安装在战斗机或预警机的整流罩、机翼和飞机背部;对于地基应用，雷达天线需要安装在移动或固定的雷达车(站)上。因此，如果天线阵面如果能够利用机身或机翼的巨大表面作为天线口径，就能够获得更多的等效口径面积，提高天线增益水平，满足远距离目标探测的要求，在一定条件下获得最优的工作性能。

1.2.4 提高隐身气动一体化外形设计

在一定频段范围内，雷达目标散射截面积是衡量目标隐身性能的重要评价因素之一。为了减少雷达后向散射强度，降低目标的雷达可探测性，现代电子作战平台设计会尽量考虑包括进气道、天线和天线舱、机翼和尾翼、缝隙和边缘在内的主散射源分布和外形设计，降低和控制关键表面反射源的朝向。同时，电子战作战平台还需要满足既定的战术指标，达到飞行、运动中的空气动力学要求，最优的方案就是天线共形设计，使共形天线和机身表面外形相匹配，不用再为适应飞机外形再进行专门设计，就可以在不破坏气动性的同时保证雷达、通信、电子战的射频正常运作，提高作战平台的隐身性能。

2 全极化相控阵雷达的关键技术

尽管军用雷达在相控阵技术上已经具有长期的研制和应用经验，但是，很少有全极化技术和极化信息在相控阵雷达上的应用技术的报道。将先进的相控阵技术与雷达极化技术相结合，研制具有精确极化测量能力的相控阵雷达是当前国际雷达技术领域的前沿热点。作为未来多功能相控阵雷达的发展趋势，国外已在全极化有源相控阵雷达的理论分析及其系统研制等方面进行了较为深入的研究。而国内在此领域的研究基本还处于起步阶段，相关研究工作还未见文献报导。为缩小与国外的差距，当前亟需开展极化相控阵雷达理论分析、信号处理方法、系统研制等方面的研究工作，为极化相控阵技术在气象雷达、防空反导雷达和舰载多功能雷达的应用提供全面、系统的理论基础和关键技术支撑。

2.1 全极化方向图综合与极化控制技术

方向图综合是实现相控阵雷达波束扫描控制的前提。传统的方向图综合方法通常将阵列合成方向图近似为阵元方向图与阵列因子的乘积，忽略了阵元之间的方向图差异以及阵列合成的极化特性。如果仅对阵因子进行控制，将导致合成波束的极化特性会随着扫描角的变化而改变，使得雷达的极化信息获取敏感于波束指向角，即相同的极化信息在不同的来波到达角度下体现出不同的阵列响应。此外，由于各个阵元的功率方向图存在差异，会导致合成波束的功率特性与设计的阵列因子方向图不完全吻合，包括旁瓣电平、差波束零点深度、差斜率等。因此，为了实现全极化相控阵雷达灵活的空间波束扫描，并且精确地获取目标极化信息，需要对阵列合成方向图的功率和极化特性同时进行控制。

文献［4］提出了方向图综合-极化独立控制方法。先通过最小二乘估计得到阵列互耦矩阵;然后对各个阵元的有源方向图进行互耦补偿，使各个阵元的辐射特性(包括功率和极化特性)趋向一致，从而将阵列方向图综合简化为传统的阵列因子综合;也可以通过对每个阵元的极化特性进行控制，使每个阵元的极化特性相同，同样让矢量方向图综合简化为标量的阵因子综合。图3比较了极化控制前后的方向图特性。经过极化控制后主极化方向图在主瓣内完全一致，其交叉极化分量在波束指向角位置形成零点，极化控制可以在波束指向角的位置合成了所需要的45°线极化。

图3 经极化控制后方向图综合

2.2 全极化信息测量与校准技术

雷达目标识别理论认为，从目标或干扰的全极化散射矩阵(即S矩阵)出发，可以得到一系列用于目标分类与识别的极化特征量。但是，极化散射矩阵等极化参数的估计精度将影响雷达目标识别的性能。极化通道幅度相位一致性、极化测量信号的空间正交性、极化系统校准误差、以及天线的交叉极化抑制程度四个因素决定了散射矩阵的估计精度。因此，天线设计人员希望将相控阵天线的交叉极化抑制得很好，并且不希望在宽带宽角扫描情况下天线的极化特性发生变化，将给S矩阵测量带来两方面的问题:(1)不同波束指向角度下的雷达观测极化基差异会导致不同波束指向下对固定姿态的目标观测得到的极化散射矩阵不同;(2)天线的交叉极化抑制比随着波束扫描角度增大，会导致目标S矩阵测量性能降低。在宽角扫描条件下，即使是理想天线也不可避免地会产生很大的极化测量误差。

提高极化测量精度的前提就是极化校准。对相控阵雷达天线及其T/R组件链路进行校准的目的是形成完全正交的H、V极化波束，减小因天线交叉极化导致的目标散射矩阵元素之间的相互干扰。可以把这项工作认为是方向图综合与极化控制技术联合优化一种特殊应用。

经过联合极化校准后，交叉极化在主瓣内小于-60 dB，并且旁瓣小于-30 dB，克服了独立极化校准导致旁瓣电平上升的缺陷。对全极化相控阵雷达天线发射和接收波束都进行极化校准后，差分反射率和互相关系数的估计能够达到理想结果，其偏差都小于0.000 1，如图 4 所示［4］。

图4 发射接收校准前后目标极化参数的测量误差

2.3 全极化共形相控阵天线设计技术

尽管变极化器能够在一定程度上改善相控阵系统的极化信息处理能力，但是变极化器具有变换速度慢、极化捷变缺乏灵活性等缺点，严重限制和影响了相控阵系统的极化信息处理能力。另外，随着相控阵和极化技术的应用和发展，简单的变极化和多极化方式也难以满足现代极化相控阵系统的设计需求。随着半导体器件(PIN二极管，变容二极管和砷化镓场效应管)，射频MEMS技术的发展，全极化阵列天线逐渐成为相控阵系统实现极化分集的主要途径［7-10］。

在MPAR计划的支持下，美国的工业部门、大学和实验室相继开展了全极化相控阵雷达天线与系统研制工作，目前已经研制成功或者正在研制的中、小型全极化雷达实验系统包括以下四个:

1)美国马萨诸塞州立大学设计并研制了一种X波段的一维电扫全极化相控阵天线，该天线包含64列阵元，每列阵元由32个串联馈电的全极化口径耦合微带天线组成［11-16］，如图5所示。

图5 马萨诸塞州立大学设计的一维电扫全极化相控阵天线

2)普渡大学(Purdue University)研制了一种S波段全极化数字阵列天线子阵，该子阵采纳单元级数字化方案［2］，包含了8×1个全极化口径耦合微带天线，每个子阵的两个端口分别连接独立的数字化T/R组件，如图6所示。

图6 普渡大学设计的全极化数字阵列

3)林肯实验室和M/A-COM公司联合开发了一种S波段全极化平面相控阵雷达系统，用于MPAR技术的演示验证［2］，当前已完成了8×8子阵的研制，如图7所示。为实现低交叉极化性能，每个天线阵元采用了平衡馈电的多层全极化微带天线。

图7 林肯实验室的全极化相控阵设计方案

3 全极化共形相控阵的技术挑战

阵列单元电流(或极化)取向各异，远区场为各阵元极化分量贡献的矢量和［17-18］，因此共形阵列辐射场的交叉极化分量偏高。如果在覆盖的空间扫描范围将交叉极化抑制在一定的水平以下，保证阵列所有单元具有相同的方向图、最大值指向和一致的极化取向，并且能够在发射端控制辐射电磁波的极化状态，在数字接收端实现任意虚拟极化接收，这是对天线设计研究的一种挑战。对飞机和导弹等载体来说，本身振动和动态变形对天线阵面也有较大影响，这些因素相互交织、共同作用，体现了共形相控阵的优势特征和关键技术难点。

4 结束语

目前，在通信领域不少平面阵或规则环形阵已经初步具备了正交极化的接收和处理能力，在对抗多径效应、信道损耗等方面展现了良好的技术潜力。采用正交极化发射和正交极化接收的天线阵列单元技术也日趋成熟，随着信号处理水平、方向图综合算法的快速发展，更多的单极化雷达将逐渐被全极化雷达取代，更多的相控阵天线将采取柔性、共形设计，拥有任意极化状态捷变能力的全极化共形相控阵技术无疑将是未来电子信息装备特别是雷达通信电子战一体化装备发展优先采取的技术方案。

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