4.5　波束控制系统的响应时间与天线波束的转换时间

相控阵雷达天线波束的快速扫描能力取决于波束控制系统的响应时间。这里所说的响应时间是指波束控制系统接收来自计算机的有关天线波束指向的控制代码后，进行波束控制数码运算和传输，以及将阵面上所有天线单元通道内的移相器全部置于相应的移相状态所需要的时间。

除了波束控制系统的响应时间，还要有一个反映波束控制系统工作性能的时间指标，它称为天线波束转换时间。这两个时间指标都与相控阵雷达处于何种工作状态，即搜索工作状态还是跟踪工作状态有关。

4.5.1　搜索状态时的波束控制系统的响应时间与天线波束转换时间

图4.15所示为典型的搜索状态的时间关系图，也即波束控制系统的响应时间示意图。假定，在“主脉冲”定时信号（ M 信号）到来后，波束控制系统就收到了相控阵雷达控制计算机给出的波束控制数码（ α , β ），在发射脉冲信号到来之前的Δ t c 时间里，必须完成全部波束控制数码的计算，算出每个移相器的移相状态，实现波束控制数码的传输、寄存和放大，并完成阵面所有移相器移相状态的转换。

雷达处于搜索状态下，发射信号辐射完之后，接收波束必须在发射波束位置方向处于等待状态，直到距离搜索波门的后沿到来之后才可以更改移相器的移相状态。这时天线波束转换时间为 T r 。如果雷达在同一波束位置要发射 n 个重复周期的信号，则在 nT r 时间里，移相器的相位状态无须改变，这时天线波束的转换时间便是 nT r 。

对于采用PIN二极管作为开关器件的移相器，在移相器移相状态改变后，如需维持控制信号提供的控制电流或电压，则无论天线处于发射状态还是接收状态，其移相状态均可保持。

但对采用非互易铁氧体移相器的相控阵雷达，发射脉冲信号结束后，波束控制信号应在接收信号到来之前完成控制信号的极性转换，移相器才能在接收状态下工作，故除波束控制信号的响应时间外，还应增加发射-接收移相状态的转换时间，方能全面反映波束控制系统的性能。

当雷达工作在搜索状态时，为了提高雷达搜索数据率，在一个重复周期里，需要向相邻的几个方向发射雷达信号，同时对这几个方向进行接收，此时对波束控制响应时间的要求将略有变化。

图4.16所示为在一个重复周期里向相邻 m 个方向（图4.16中， m =3）发射搜索波束，同时用多波束进行接收的工作方式示意图。

此时，发射波束转换时间为Δ t c ，它应限制在相邻两个发射脉冲信号之间。因此，这要比上一种情况要求更高一些。除第一个发射脉冲可以有较长的响应时间（由主脉冲至第1个发射脉冲前沿）Δ t c1 外，后两个发射脉冲的响应时间Δ t c2 和Δ t c3 则相对较短。缩短响应时间Δ t c2 和Δ t c3 ，有利于改善雷达观测的最小作用距离和缩短为保证最大作用距离要求的 T r 时间。

4.5.2　跟踪状态时的波束控制系统响应时间与波束转换时间

如图4.17所示， m 个脉冲按跟踪目标的远近发往 m 个方向。当雷达处于跟踪状态时，由于目标分布范围可能较广，一般情况下它们并不处在相邻的波束位置内，相应地需要有几组指向不同方向的跟踪接收波束，因此，除了在发射状态要转换波束位置，接收时也必须要转换波束位置。

如图4.17所示，发射波束转换时间分别为Δ t c , Δ t c2 和Δ t c3 ，而对应的接收波束转换时间则还与被跟踪目标之间的间距有关。例如，如果两个被跟踪目标间距较大，则它们之间的接收波束转换时间也可以相应增大。

从以上讨论可以看出，为了提高相控阵雷达跟踪多目标时的跟踪数据率，需要在一个重复周期内跟踪多批目标时，缩短波束转换时间是一个重要的前提条件。

4.5.3　降低波束系统响应时间的措施

有多种降低波束控制系统响应时间的方法，它们主要与波束控制系统的设计和相控阵馈线系统的设计有关。由于大规模集成电路等的发展，波束控制系统的系统响应时间有可能大为降低。

降低波束控制系统响应时间与波束转换时间的主要方法有以下四种。

1）脱机计算与全存储（ROM）方式

脱机计算与全存储方式是指：预先将不同波束指向对应的各个移相器的波束控制数码脱机计算后存储在高速存取的大容量存储介质中，每个天线单元通道中有一个波束控制数码存储器，不同地址内存储不同波束指向对应的波束控制数码，因此波束控制计算机只需给出所要求的存储器的地址即可实现波束控制。这时波束控制系统响应时间中省去了用于运算的时间。

2）按子阵分别计算

一般大型相控阵雷达均采用按子阵计算的方法，实际上是应用并行计算降低整个波束控制系统需要的计算时间。

3）降低移相器开关时间

移相器开关时间短，保证了相控阵雷达天线波束扫描是无惯性的。

4）采用行-列（Row-Column）方式产生控制信号

图4.18所示为采用行-列方式实现波束控制数码运算的示意图，这种方式在早期大型相控阵雷达中曾经应用过。

这种方式给二维相扫的平面相控阵雷达带来的好处是可大大降低波束控制的运算量，由计算和传输 M × N 个移相器所需的波束控制数码，缩小为只计算和提供 M + N 个波束控制数码（ M 个 β 码与 N 个 α 码）， M × N 个移相器需要的波束控制码则只需依靠 M × N 个加法器即可实现。

这种方式的缺点是较难实现对每个移相器相位误差的单独修正。例如，要利用波束控制系统实现阵面单元通道幅相误差的修正、随机馈相等其他功能，则应在每个加法器之后再做一次运算。这时，采用行-列方式产生波束控制信号的优点仅在于降低了波束控制数码的产生。存在天线单元通道之间的相关相位误差也是其缺点。