波束控制系统在设计中根据其组成情况,在降低设备量方面可采取一些技术措施。
波束控制系统的组成有很大的灵活性,它与天线阵面的大小、移相器负载的差异及技术的进步等有很大的关系。图4.12所示为一般的波束控制系统的组成框图,它主要包括波束控制计算机、自适应波束形成波束控制数码存储器、子天线阵波束控制计算机、波束控制数码寄存器与驱动器、移相器、相应的控制软件及电源设备等。
相控阵雷达的波束控制计算机接收来自雷达控制计算机的天线波束位置信息,这通常以波束控制数码( α , β )的形式给出(如图4.12所示),也可以以球坐标位置( φ , θ )或直角坐标位置( x , y , z )给出。此时,波束控制数码由波束控制计算机通过计算后给出。
图4.12 波束控制系统的组成框图
各种相位修正需要的存储器及其计算测试设备也是波束控制系统的重要组成部分。寄存器与驱动器的负载是移相器,在有的波束控制系统中寄存器和驱动器可以由同一电路完成。由于集成电路技术的进步,已可将其设计成专用集成电路(ASIC)。可以为一个移相器或为多个安装在同一机箱内的多个移相器设计相应的ASIC电路。
波束控制计算机可以分散至多个子天线阵,即每一个子天线阵有一个波束控制计算机。每一个子天线阵波束控制计算机与雷达总的波束控制计算机之间的信号传输由波束控制信号的传输分配总线实现。在大型二维相扫相控阵雷达中,波束控制信号的传输分配总线已开始采用光纤来实现。
自适应波束形成波束控制数码存储器的作用之一是根据干扰源定位设备测出的外来干扰的方向,提供预先计算好的波束控制数码,在干扰方向快速形成接收波束凹口。
对于二维相扫平面相控阵天线,由于总的移相器数目很多,对一个矩形阵列是两个方向单元数目 M (仰角方向)与 N (方位方向)之和,即 M × N ,大体上总的单元数目为5000~10000个,如美国海军“宙斯盾”系统中的AN/SPY-1相控阵雷达,阵元总数为4480×4个 [4] ;美国用于反导的THAAD系统中的X波段相控阵雷达的天线单元总数为25344个 [5] 。因此,减少波束控制系统的设备量,对降低波束控制系统与整个相控阵雷达的成本有重要作用。
为减少波束控制系统设备量,可采取的主要技术措施包括如下四种。
1. 在方位与仰角上分别进行波束控制
如果只要求波束控制系统完成其基本功能,即波束控制数码只是按波束指向来决定,则波束控制系统可以简化。对图4.13所示的在方位与仰角上分别进行馈相的二维相控阵天线,由各个单元移相器的波束控制数码 C ( k , i )组成的波束控制数码矩阵[ C ( k , i )] M × N 可分解为两个分别对应方位与仰角的相位扫描的子矩阵之和。
图4.13 在方位与仰角上分别进行馈相的二维相控阵天线示意图
(4.48)
式(4.48)中,[ C ( k , i ) α ] M × N 与[ C ( k , i ) β ] M × N 分别为行、列波束控制数码矩阵,即
(4.49)
(4.50)
这就意味着在图4.12中增加一层移相器之后,波束控制系统通过计算要产生的波束控制数码便由 M × N 个降低为( M + N )个,这使计算工作量大为简化。由于每一行或每一列的移相器具有相同的移相量,因而图4.12所示的波束控制数码寄存器与驱动器数目也可能降低,只要波束控制信号的功率放大器(图4.12中的驱动器)的电流足够大,就可以使一个驱动器带动多个移相器,使波束控制系统的设备量减少。
采用这种方法的特点是不能用波束控制系统实现对每个单元通道相位误差的修正,而只能修正每一行或每一列通道之间的相位误差。这意味着,天线阵内存在行与行、列与列之间的相位误差。
如果将整个平面相控阵天线分为若干个小的矩形子天线阵,则同样可将波束控制数码矩阵[ C ( k , i )] M × N 分解为若干个子波束数码矩阵,每个子天线阵内相同位置上天线单元通道中的移相器具有相同的移相量,因而同样可降低波束控制信号的产生难度及减少控制硬件的设备量。其缺点是,天线阵内行与行、列与列之间存在相位误差。
2. 采用“行 - 列”式馈入波束控制信号的移相器
对图4.14所示的采用铁氧体移相器的二维相扫平面相控阵天线,一般用于采用铁氧体移相器的大型毫米波相控阵雷达 [6-7] 。按这种方式,可不需要按图4.13所示那样,将平面相控阵天线分解为两层馈相的天线。
图4.14 采用“行-列”式馈入波束控制信号的铁氧体移相器阵列
3. 在子天线阵范围内采用串联馈相
只要相控阵天线的带宽满足要求,在部分子天线阵(如一段线阵)中采用串联馈相方式,如在后面章节中要介绍的CTS相控阵天线,则可达到减少波束控制系统设备量与降低相控阵雷达成本的目的。
4. 采用新型的移相器件及低功耗电压控制的移相器
采用新型的移相器件及低功耗电压控制,如后面要介绍的采用微电子机械(MEM)的移相器,对减少波束控制系统的设备量与降低成本都有显著的效果。