多功能雷达：宽发射波束，同时多接收波束

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在诸如硅(Si)，砷化镓(GaAs)和最近的氮化镓(GaN)等半导体材料的推动下，数字化水平不断提高，AESA技术继续快速发展。与早期的半导体晶体管相比，半导体材料的进步带来了更高的电压处理能力，更高的导热率和效率。 

因此，这些技术可显着改善射频性能——更高的输出功率，更高的工作频率，更宽的带宽和出众的可靠性。天线技术也正在朝着数字化的方向发展，消除了老式的模拟元件，并实现了更高的效率和更大的工作动态范围。

总的来说，这些新型材料和技术的发展，使得天线架构和波束形成中微型化和集成度的不断提高，这为颠覆性的优势和雷达应用创造了机会。



上图展示了天线架构和波束形成的趋势，它们反映了雷达的过去和现在。与过去专注于解决设备过时的问题相比，现代雷达体系结构专为技术嵌入，性能增长和长期可持续性应用而设计。

近年来，依靠雷达来应对各种各样的威胁，从小型、行动缓慢的无人机到超小型、快速且灵敏的导弹。同时使用一台雷达检测常规目标之上的这些威胁，对雷达设计提出了相互矛盾的要求。

例如，对于在高速，高机动和弹出目标中检测短反应时间的要求与在苛刻的混乱环境中检测慢速目标的观察时间长的要求相冲突。这导致了在规划和利用雷达时间能量预算方面的冲突，迄今为止，已经通过引入不同的雷达模式来解决这一问题。

因此，引入双轴多波束形成(Dual-axis multi-beam)的解决方案，以增加观察时间而又不影响反应时间，并允许一部雷达同时完成各种功能和任务——多功能雷达。双轴多波束包括多个同时接收的方位和俯仰波束。


上图示出了具有多个同时接收波束的宽发射波束，单个颜色表示同时具有接收波束的发射波束。由于加宽导致减小的发射波束增益可由目标持续时间增加引起的高处理增益所补充。从本质上讲，双轴多波束成形是20世纪70年代引入的一种现代形式的叠加波束雷达，它通过创新性地利用AESA技术改善了雷达设计的权衡因素。

多普勒域还利用增加观察时间来提高非对称威胁的可检测性，特别是低、慢和小型(LSS)目标(如无人机)的出现。在LSS空间中，感兴趣的目标必须与鸟类，道路和行人交通相抗衡。多波束的观察时间越长，返回的质量越高。

由最新的数字信号处理器支持的有限冲激响应不是使用经典的快速傅立叶变换对这些返回值进行多普勒处理，而是提供了独立的滤波器控制功能来增强可检测性并提取独特的功能以帮助目标分类。


这些不断发展的技术和新兴概念的融合带来了两个关键的雷达发展，即上图所示的G550紧缩型机载预警(CAEW)雷达和下图所示的多功能雷达(MMR)。

虽然20世纪90年代的MFR天线装有数十个TRM，但CAEW的MFR和MMR天线各自装有数百个TRM。与E-2C 鹰眼的情况不同，天线阵列被吸收到湾流G550飞机机架上，没有活动或旋转部件。如果没有创新的天线架构，以及硬件小型化和高度的射频数字集成，就不可能在公务机上安装MFR。 

一个MMR可满足多种感知需求——监视，预警和防空作用——压缩“观察-定位-决策-行动”(OODA)循环。与采购单个传感器来实现每个功能相比，运行单个系统是一种经济高效的解决方案。


它还减少了选址和人员配备的需求，在新加坡土地面积有限和出生率下降的背景下，这尤其令人信服。DSTA将MMR概念化，与志趣相投的雷达供应商合作开发，并且是第一个提供此功能的公司。

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