本文提出了一種新型的利用雙極化數字波束形成的相控陣雷達解決方案，能夠同時實現飛行器和氣象環境監測。

無論是依靠雷達跟蹤和管理空中交通的聯邦航空管理局(FAA)，還是提供天氣預報和應急信息的國家氣象局，大多數人都能夠認識到雷達系統在以上領域所起到的重要作用。

然而，美國國家航空航天局、農業與國土安全部、環境保護局和其它聯邦機構需要依靠八種不同雷達構成的民用網絡提供各類信息，例如識別和跟蹤車輛、太空雷達成像、獲取氣象數據等，目前這些工作了10年至40年時間的系統已經接近設計壽命的終點。

麻省理工學院林肯實驗(MITLL)室提出了一種多功能相控陣雷達(MPAR)作為這些老化系統的替代品，與當前使用旋轉拋物面天線的民用雷達系統不同，MPAR沒有機械旋轉部件，而是利用4個天線陣面實現360度掃描，并且以電子掃描方式產生賦形波束。

MPAR產生的捷變波束能夠達到更快的全空域掃描速率和更高的空間分辨力，能夠以一部雷達單元執行各種天氣和飛行器監視任務。此外，由于更快速的天氣掃描并具備對飛行器的垂直分辨力和高度估計，MPAR系統的監視能力很可能會超過當前雷達系統的能力。

MPAR系統設計關鍵技術

在FAA的資金支持下，林肯實驗室和M/A-COM聯合開發了一個主動式電子掃描相控陣雷達天線陣面的原型樣機，該樣機是MPAR系統的基本組成部分。

原型樣機的每個天線陣面由一個開孔印刷電路板(PCB)、一個熱交換器和一個底板PCB組成，用于將直流電源功率和控制信號分配到各天線陣元(見MPAR天線陣面分解圖)。開孔PCB由微帶天線貼片元件、天線饋電網絡、陣列波束形成網絡、直流電源分配網絡和控制信號分配網絡組成。PCB由市場上可買到的微波電路板材料制成，采用標準的商業制造技術設計。

每個MPAR天線陣面由64個陣元組成，每個陣元具有獨立的輻射單元和收發(T/R)模塊，其主要功能是放大雷達信號并控制各陣元的信號相位；64個收發模塊以表貼形式安裝于開孔板的背面。

為了實現系統所需要的極化性能，研究人員實現了獨特的收發模塊架構：1.具有兩個獨立發射通道；2.具有兩個可切換波束形成器路徑的獨立接收通道。該架構允許收發模塊能夠快速重新配置，從而輸出單個雙極化接收信號或兩個獨立控制的線性極化信號。與線極化雷達波束相比，MPAR系統的雙極化可配置有效改善了雷達資源管理能力。

以設計的天線陣面實現相控陣雷達功能，將一組陣面(～300個單元)集成到一個平面上形成單個雷達天線陣。陣元級的有效相位和幅度控制使得雷達系統具備電子操縱從天線陣發射、接收期望方向雷達信號的能力。

波束形成網絡在發射模式下將信號相干分配給各天線陣元，在接收模式下相干累加聚集能量。相控陣天線能夠以相參的方式同步輻射和接收雷達回波脈沖，可用于檢測、定位、跟蹤飛行器和氣象目標。

MPAR系統優點

MPAR系統的功能可以為氣象和飛行器監視帶來顯著好處，該系統能夠提前預報惡劣天氣活動、改善降雨預報和山洪預警，為氣象預報模型提供更優秀的記錄數據；改進對惡劣天氣的預報將提高航空旅行的安全性并減少航班延誤，對美國領空的監測也將受益于飛行器探測和跟蹤能力的增強。

MPAR系統的效費比也是具有吸引力的，根據政府提供的有關相控陣雷達項目聯合行動小組的報告，由于MPAR能夠同時進行天氣和飛行器監視，一個MPAR網絡將使美國需要的雷達單元數量從目前的500多個減少到330個。

除了通過購買更少的新系統達到節省開支之外，MPAR使用了商業無線行業的標準材料和制造方法以及可擴展的陣列架構，從而在30年的使用壽命中節省雷達系統的運營和維護費用。

作者：Dr. Jeffrey S. Herd (MIT實驗室先進射頻傳感應用部)，翻譯：高小豆