本文的前半部分：《现代舰载雷达系统，有源相控阵的子系统分析(长篇科普)》
2. 辐射单元和天线孔径
重要的设计任务是，设计一种能在工作频段和广域扫描阵列中有效辐射的辐射单元，且该辐射单元要有良好的阻抗匹配。因为通常有在大量的辐射单元，所以成本是一个重要的考虑因素。
因为辐射单元的性能受与其他辐射单元相互耦合的影响，因此辐射单元设计时必须考虑辐射环境而不是独立的单元。
设计过程通常是迭代的，包括数字化电子建模工具仿真，通过选定的扫描角验证波导模拟器的性能，验证一个小型测试阵列(通常由100个阵列单元组成)的整系统性能。一个精心设计的阵列单元可以覆盖预定扫描量的，其中是扫描阵列侧向角。
不同阵列单元已经在偶极、微带贴片、微带和波导缝隙、波导、喇叭和喇叭型切口(如图6所示)等阵列系统上得以应用。阵列单元的选择取决于几个因素，如功率处理、极化方式、工作带宽、环境条件、部署安排和制造成本。
偶极天线和微带贴片天线的带宽通常较窄。阵列单元的带宽是根据中心频率的增益损耗来定义的。在宽频带阵列中，通常使用的是喇叭型切口阵列单元(如图6a和6b所示)，它是一个开放的正交中心导体回路激发外部导体中的切口。已经论证了6:1的带宽。
对微带缝隙天线而言，必须在每个缝隙后面使用一个腔来限制对前半球的辐射。如图6c和6d所示，它是微带缝隙散热器。
对大功率雷达阵列而言，通常使用矩形或圆柱形波导辐射单元(如图6e所示)的变型。波导阵列虽然很重，但损耗和扫描衰减低。脊波导可在宽带宽上使用。单波导、双波导和四脊波导如图6e所示。
图6 相控阵天线的辐射单元
四脊波导将这些特性扩展到圆偏振相控阵中。通常，波导单元是介电负载，可以匹配自由空间阻抗。一个广角阻抗匹配(WAIM)片通过扫描角的电纳变化，可以部分抵消阵列扫描失谐。
因为孔径处不允许结冰，需要一定形式的加热措施，所以广角阻抗匹配片不适合在舰船上使用。例如，在SPY-1的天线中，每个波导散热器上设置了氧化铝窗，通过传导加热这些窗户可以除冰。
微带贴片单元(如图6f所示)可以采用低成本的平版技术制作。最常见的两种注入技术是嵌入式微带注入和同轴探针注入。贴片单元采用窄带。
相控阵采用电磁耦合贴片，通过选择贴片尺寸、衬底厚度和介电材料，带宽可以增加15%以上。使用双层贴片形成一个双调谐的单元，可以进一步增加带宽。
3. 射频波束合成器结构
射频波束合成器在决定阵列雷达的辐射模式，特别是副瓣电平方面起着重要作用。发射时，射频波束合成器将输入信号分发给单个T/R模块。
通常，这样做是为了让每个T/R模块接收相同的输入功率。在每个T/R模块中进行同等放大，然后产生均匀的发射孔径分布，可以最大限度地提高发射天线的增益。
在接收模式下，孔径振幅衰减通常用于降低副瓣电平。有源相控阵雷达通常需要低副瓣电平，以降低干扰的影响。孔径的振幅和相位误差电平决定了副瓣电平。相位误差主要源自T/R模块和射频波束合成器。
T/R模块的移相控制可以校准模块和波束合成相位误差。为了达到低残余，量化相位误差以改善低副瓣的性能，T/R模块采用了7位数字移相器微波单片集成电路。
无源相控阵雷达有类似的低副瓣需求。振幅控制只适用于无源相控阵的接收波束合成器，振幅衰减适用于有源相控阵的波束合成器或T/R模块，下面将进行阐述。
为了取得足够的跟踪精度，雷达通常采用单脉冲跟踪技术，需要单独的接收通道或射频波束合成装置，用于接收和值、三角形方位角、三角形高程和三角形之间的通道数。为了实现低副瓣性能，每个通道都可以选择一个最佳的振幅分布。
另外，因为通道是同时使用的，所以T/R模块中的单个移相器不能同时校正所有单相通道的相位误差，和通道副瓣通常优先于差分通道副瓣。在研制有源相控阵雷达波束合成结构时，有许多权衡取舍。下面段落将讨论两个常见的例子。
如图1b所示，这是单极有源相控阵天线的简化波束合成结构。在接收模式下，首先使用列波束合成器合成辐射单元的输出。然后将列波束合成器的输出与水平波束合成，形成和值、三角形方位角、三角形高程和三角形之间的通道数。
利用衰减器或可变增益放大器，T/R模块采用了接收孔径加权。因为T/R模块采用了接收振幅加权，因此发射和值、接收和值波束合成器均匀分布，并且共享发射和接收功能。列和行组合的顺序可以交替变化。
图7 具有独立收发波束的波束合成器体系结构
相控阵的振幅衰减器也可以安装在波束合成器中，而不是安装在T/R模块中，如图7所示。因为这种结构的发射和接收振幅衰减不同，所以接收波束和发射波束需要单独的波束合成器。
尽管具有独立收发波束合成器的阵列比较复杂，但它的接收噪声系数很低。如果雷达要探测小回波信号，需要较低的天线噪声系数。对这两种结构进行分析，结果表明，对于大型有源相控阵天线，两者噪声值相差约0.5 dB。选择普通或独立的波束合成器时，需要考虑波束合成器的复杂性和天线噪声系数。
4. 直流供电
舰船甲板下的交流-直流转换器将舰船的交流电转换为直流电，并给阵列供电。有源相控阵的电压通常为200-500 伏特，因此通过直流-直流转换器将电压降至T/R模块所需的电压水平(大约10 伏特或更低)。
直流-直流转换器的需求包括：T/R模块的电压和电流要求、输出电压下降和纹波、随机噪声、效率、动态阶跃响应、以及足够数量的输入和输出储能电容器，最大程度地降低因最长传输周期内负载变化引起的电压下降问题，使其满足需求。
图8 (a)分布式式配电体系结构
直流电源可以安装在分布式阵列系统或集中式阵列系统中。如图8a所示，在分布式系统中，单个直流-直流转换器(电源)为一小组T/R模块(通常2-8个)供电，直流-直流转换器安装在整个阵列中。直流-直流转换器可以与T/R模块安装在同一个底板上。
在集中配电系统中，组合一组直流-直流转换器可以满足天线的大部分电力供应。每组电源都有备份以提高可靠性。集中配电如图8b所示。
图8 (b)集中式配电体系结构
在这两种情况下，通过低电流高压总线将高压直流电传输到转换器。在集中式系统中，低功率直流电压需要通过低电压、大电流的总线分布在整个阵列中。
转换器将高压直流电转换为T/R模块所需的低压电，通过电压调节使输出电压的纹波非常小。因为与随机噪声不相关，所以这两种方法都能改善杂波性能。
但是，集中式系统的直流到直流转换器比分布式系统的直流到直流转换器明显要大，为了补偿直流到直流转换器数量较少对杂波性能的影响，需要进行更高的电压调节。
直流到直流转换器既可采用平均功率开关频率转换器，也可采用峰值功率开关频率转换器。开关频率决定了变频器的尺寸，因为变频器的尺寸随频率的增加而减小。一般的功率转换器需要储能电容器保持所需电压下降。
随着脉宽的增加，储能的需求也相应增加，所以需要限制脉冲长度。另一种方法是使用峰值电容倍增的直流到直流转换器。该转换器具有独特优势，即脉冲能量可以存储在转换器的高压这一侧，形成一个较小的储能电容器。两个转换器性能相当，选择哪个转换器取决于脉宽、费用和体积。
5. 波束转换控制器
通过改变T/R模块中的移相器的插入相位，可以控制有源相控阵天线的发射和接收波束。天线波束扫描控制器(BSC)为所有的T/R模块生成移相指令。
生成的移相指令既可以发给阵列，也可以在集中位置处理。这两个结构分别称为分布式波束扫描控制器和集中式波束扫描控制器。
图9 (a)分布式波束控制器体系结构
在分布式波束扫描控制器结构中(如图9a所示)，中央控制器生成简单的指令，如扫描角度、频率和时间。T/R模块控制的电子器件包括专用集成电路(ASIC)、带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、场效应晶体管(FET)开关等。通过简单的输入指令和模块位置，专用集成电路可以计算出每个T/R模块的相位设置。
带电可擦可编程只读存储器中存储了每个T/R模块的线性振幅和相位表。这些数据都有特定的模块，以模块工厂测试结果为基础存储在带电可擦可编程只读存储器中，并且可以在任何时候删除和重新加载新的数据。从专用集成电路到T/R模块的数据传输速率大约为20mbps。
除了发送扫描角度和频率外，中央控制器还通过T/R模块中的设置开关，发送指令将天线设置为发射模式或接收模式。一个本地晶体振荡器为每组模块产生时钟。时钟频率决定了命令到达所有T/R模块所需的时间。
在本地分配时钟可以最小化噪声，因为时钟不同步。由于许多不同的波束扫描/增益相位组合可以预先存储在内存中，因此易于实现不同波束之间的切换，无需在单个驻留中重新计算。
图9 (b)集中式波束控制器体系结构
在集中式波束扫描控制器结构(如图9b所示)中，中央位置执行大部分计算任务，每个T/R模块所需的数据直接通过并行总线发送到T/R模块或T/R模块组(例如最小可更换组件)。
中央波束扫描控制器有多张数字信号处理器(DSP)卡，每张卡对应一个特定的T/R模块组，并存储该模块组的所有校准值(线性表格)。在最小脉冲重复间隔(PRI)内，每张数字信号处理器卡为模块组中的每个T/R模块执行一次波束指向计算。
脉冲重复间隔和模块的数量决定了总的计算需求。可能需要几个并行处理器来满足这些需求。必须处理包含相位和增益的数据以及通过控制线路发送的数据，以便最终发送给T/R模块。
对于集中式波束扫描控制器结构，该功能可通过现场可编程门阵列实现，该阵列容易重新编程以满足新的T/R模块需求。集中式波束扫描控制器的优点是中央处理器可以通过商业途径购买，能够为不同的雷达系统重构。
中央控制单元和T/R模块之间在中央控制位置有大量的数据流。对大型有源相控阵而言，数据速率在100-500mbps之间，需要类似的时钟频率。在这样的速率下，可以采用光纤数据链路。
大型有源相控阵系统既可采用分布式波束扫描控制器结构，也可采用集中式波束扫描控制器结构。初步预算表明，这两种结构的成本非常接近。
6. 机械封装
与有源相控阵天线的机械设计相关的主要封装考虑包括易于维护、热量管理、封装直流配电系统、射频波束合成器、辐射孔径设计/接口和结构设计。天线工作频率是设计人员可用的封装选择中最重要的驱动因素。
随着工作频率的增加，电子器件的间距将随之减小，电子器件之间的间隔更加紧密。幸运的是，对设计人员而言，高密度阵列所需的T/R模块输出功率需求较低。因此，最差的热量设计问题通常与最差的封装密度无关。
图10 T/R模块的最小可更换组件：组件位于底板两侧
为了优化阵列设计以便维护，大多数有源电子器件都是最小可更换组件，其中包括T/R模块、直流电源转换器和各种控制/处理器组件(如图10所示)。在发生故障时，可靠性和系统影响决定了组件是不是要设计成最小可更换组件。
系统架构、最小可更换组件的可靠性，以及最小可更换组件的成本，决定了指定的最小可更换组件的配置。至少达到最小可更换组件的故障隔离，才能在维护期间将所需的维护时间减少到最短。结构部件、冷却液分配系统、射频波束合成器、直流配电和布线，通常需要足够的可靠性，因为舰船在海上时无法修复这些故障。
散热设计对于保持电子器件的接点温度位于正常值至关重要，可以增强可靠性，并保持对温度引起的模块间相位误差的控制。T/R模块产生的热量占阵列内产生热量的70-80%。因为现代舰载有源相控阵的功率密度不断增大，通常需要液体冷凝。
目前使用的主要冷凝技术，采用了将热量从T/R模块传导到液体冷凝板或液体直接流过具有单独冷凝装置的最小可更换组件。如果空间足够电子器件置于最小可更换组件的一侧，那么最小可更换组件就可以直接与横跨组件的表面积较大的冷凝板相连。或者，最小可更换组件可以在边缘冷凝。
如图10所示，这是典型的边缘冷凝最小可更换组件。随着电子器件功率密度的不断增加，可能需要将T/R模块直接安装到液体冷凝板上。
由于T/R模块的相位随温度的变化而变化，因此必须对阵列中的T/R模块进行严格的热控制。如果已知微波单片集成电路的温度，可以主动进行相位误差补偿。
然而，由于在各种工作模式和工作周期中测量实际门电路温度比较困难，主动进行相位误差补偿目前还行不通。目前的技术致力于在一个或多个工作模式下，保持整个阵列的平均冷凝温度并校准每个阵列单元。
维护需求通常要求替换最小可更换组件时不需要移除阵列单元。此外，必须从阵列的背面(甲板室内部)进行维护，因为从阵列的后面可以插入和拔出最小可更换组件。
必须人工安装射频波束合成器、功率分配系统、控制信号分配系统及其附属的电缆布线，以便随时插拔最小可更换组件，这些阵列单元必须适合T/R模块的最小可更换组件。这需要将控制、功率和射频分布(以及液冷最小可更换组件上的液体连接)盲配到最小可更换组件。
图11 安装(a)水平流形(边冷最小可更换组件)
如图11所示，这是两种封装结构。在图11a中，T/R模块安装在附在液冷式安装结构上的热传导底座上。这种设计与航空运输机架设备设计类似，组件可以安装在底座两侧。该技术采用了一种简单且易于维护的封装设计，可以满足紧密的阵列单元间距。此外，冷凝板是天线结构的一部分。由于热传导长度的增加，功耗能力有所限制。
图11 (b)固定垂直冷凝板
在图11b所示的布局中，T/R模块安装在最小可更换组件底座的一侧。单面最小可更换组件安装在一个大型垂直的固定冷凝板上，用楔形锁紧装置将基板压在冷凝板上。这种配置可以提供较大的冷凝板接触区域，并且插拔最小可更换组件也很容易；
然而，它更适用于较大的阵列单元间距，可以在一侧插入最小可更换组件的附属设备。这种方法的主要困难是最小可更换组件到冷凝板的接口。为了便于滑动插入和拔出，接口处不能有填充材料。
这就需要对两面进行严格的容差控制，这样会使实现模块间的可重复热敏电阻变得困难。另外，还可以使用相位转换类型的表面材料，在提取前需要加热接口。
最小可更换组件要么包含辐射单元，要么与阵列表面的辐射单元进行盲配。对低副瓣雷达阵列而言，后者是典型的情况，当辐射单元从面板加工出来时，具有紧密的辐射单元位置容差。
最小可更换组件和辐射单元之间的所有机械调整，需要严格控制大容差累计，必须在射频连接器中消除由此产生的偏差。很容易有15-25个容差，它们结合起来可以确定射频连接器所需的径向浮动。
因为大多数浮动射频连接器的径向浮动不超过0.03英寸。对于径向浮动，需要结合紧密容差、容差统计方法，有时还需要专用装配设备来确保同轴度。
结构设计是舰载有源相控阵雷达的一个重要问题。传统的船舶抗冲击需求(Mil-Std-901)一直是主要的结构设计因素。
对大多数天线系统而言，必须进行浮式平台驳船试验。这些测试会在11-14Hz时发出70克左右的冲击脉冲。其次考虑的是在辐射孔径保持足够的刚度，以确保在领海作战和舰载结构振动时保持阵列的平面度要求。
必须考虑这种弯曲刚度，因为它会直接影响阵列误差估算。保持足够的平面度(尤其在较大的高频阵列中)将变得越来越困难。目前正在研究的一种技术是主动测量和偏斜补偿。此外，误差估算必须要考虑舰船结构运动引起的大幅度偏斜，比如甲板室或桅杆的偏斜。
四、可靠性和全寿命成本
实现全寿命成本要求，对美国海军获得任何新型有源相控阵雷达系统都是至关重要的。全寿命成本包括研发、采购、安装、运行和维护，以及报废成本，其中采购和运行成本占比最大。降低全寿命成本的关键是将备件的成本降到最低，通过对天线架构的容差设计，使天线维护的频率降到最低。
因为支持每个辐射单元的电子器件有冗余，有源相控阵天线本身就具有容差能力，所以它们实现容差减少很容易。因此，预计它们将有足够的严重故障平均间隔时间，可以满足无法定期维护的舰船部署周期需求。
降低运行和维护成本的关键是单个最小可更换组件的可靠性和冗余性。最小可更换组件必须达到最佳尺寸，以尽量降低成本、组件数量和组件损坏时的性能影响，同时尺寸要满足阵列封装和维护存取的需求。
天线采购成本主要源于T/R模块；不过，组装最小可更换组件和直流变换器的成本也是可观的。降低成本的关键是关注生产能力，消除装配中的直接人工。由于体系机构具有高度冗余的特性，最小可更换组件的制造数量足以保证天线制造所需。
由于具备冗余结构和可靠性高的固态电子(特别是T/R模块))，采用有源相控阵的雷达可靠性将得到增强，运行和维护成本比传统雷达系统低。
五、结论
有源相控阵天线已成为满足海军舰载雷达系统需求的一项基础技术。目前正在研制的新型舰载有源相控阵雷达包括AN/SPY-3多功能雷达、用于远距离监视的广域搜索雷达、海军战区弹道导弹防御系统雷达概念。
这些新型雷达主要采用有源相控阵技术，性能将得到极大提升，可靠性将得到增强，运行和维护成本比传统雷达系统低。
本文概述了有源相控阵及其各个子系统的关键内容。描述了目前的技术状况，特别强调了关键的T/R模块技术。此外，还讨论了T/R模块的成本考虑问题，重点是能够负担得起雷达采购成本。
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