用於飛行器應用的優化二平板aesa的製作方法

2023-10-19 14:58:07 2

用於飛行器應用的優化二平板aesa的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種二平板雷達系統。該雷達系統包括一對AESA平板，該對AESA平板分別設置在中心軸的兩側，其中第一AESA平板的指向方向相對於飛行器的中心軸以在順時針方向按一預設角度偏置，第二AESA平板的指向方向相對於飛行器中心軸以逆時針方向按所述預設角度偏置；雷達系統還包括控制器，其被構形用以選擇性地進行以下至少一個：單獨激活第一AESA平板，以提供相對於飛行器中心軸偏置的第一方向上第一覆蓋區域；單獨激活第二AESA平板，以提供相對於飛行器中心軸偏置的第二方向上的第二覆蓋區域；或共同激活該對AESA平板，以提供在第一覆蓋區域和第二覆蓋區域之間的第三覆蓋區域。
【專利說明】用於飛行器應用的優化二平板AESA

【技術領域】
[0001] 本公開總體涉及雷達系統，尤其涉及適於飛行器應用的雷達系統。

【背景技術】
[0002] 有源電子掃描陣列（AESA)，也被稱作有源相控陣雷達，是一種相控陣雷達，它的發 射器和接收器功能由大量小的固定狀態發射/接收單元構成。AESA雷達應用繁多，包括在 航空和飛行器應用，當應用於航空和飛行器時，通常要求寬方位角覆蓋。
[0003] AESA的寬方位角覆蓋通常驅動權衡離軸增益，或要求使用額外的平板，其指向角 擴散到所需的方位角空間。這在當掃描偏離正常的放射孔時有重大損耗的經典孔徑設計時 表現尤為明顯，例如，為了提供寬方位角覆蓋，雷達系統可以包括一向前的AESA平板和多 個側AESA平板(例如，向左側平板、向右側平板以及甚至更多的附加平板）來幫助減少離軸 增益損耗。然而，每個平板增加了額外的成本和所需的物理空間，這可能很難適應飛行器上 有限的可用空間。
[0004] 因此，需要提供一種適用於飛行器應用的雷達系統。
[0005] 公開內容 本公開涉及一種用於飛行器的雷達系統。該雷達系統可以包括一對設置在飛行器頭錐 雷達罩內的AESA平板，該對AESA平板分別設置在飛行器的縱軸的兩側，其中第一 AESA平 板的指向方向相對於飛行器的縱軸以順時針方向按一預設角度偏置，第二AESA平板的指 向方向相對於飛行器縱軸以逆時針方向按所述預設角度偏置。該雷達系統還可以包括與該 對AESA平板中的每一個AESA平板分別通信連接的控制器，該控制器被構形用以選擇性地 進行以下至少一個：單獨地激活所述第一 AESA平板，用以提供相對飛行器縱軸偏置的第一 方向上的第一覆蓋區域，單獨地激活第二AESA平板，用以提供相對於飛行器縱軸偏置的第 二方向上的第二覆蓋區域，或共同地激活該對AESA平板，用以提供在第一覆蓋區域和第二 覆蓋區域之間的第三覆蓋區域。
[0006] 本公開的雷達系統的另一實施例，該雷達系統可包括一對AESA平板，該對AESA 平板分別設置在中心軸的兩側，其中第一 AESA平板的指向方向相對於飛行器的中心軸以 順時針方向按一預設角度偏置，第二AESA平板的指向方向相對於飛行器中心軸以逆時針 方向按所述預設角度偏置。該雷達系統還可包括與該對AESA平板中的每一個分別通信連 接的控制器，該控制器可被構形用以選擇性地進行以下至少一個：單獨地激活第一 AESA平 板，用以提供相對於飛行器中心軸偏置的第一方向上第一覆蓋區域，單獨地激活第二AESA 平板，用以提供相對於飛行器中心軸偏置的第二方向上的第二覆蓋區域，或共同地激活該 對AESA平板，用以提供在第一覆蓋區域和第二覆蓋區域之間的第三覆蓋區域。
[0007] 本公開的另一方面涉及一種利用AESA雷達提供寬方位角覆蓋的方法。該方法可 包括：提供設置在中心軸一側的第一 AESA平板，其中，該第一 AESA平板的指向方向相對於 該中心軸以順時針方向按一預設角度偏置；提供位於該中心軸的第二側的第二AESA平板， 其中，該第二AESA平板的指向方向相對於該中心軸以逆時針方向按所述預設角度偏置；以 及選擇性地激活以下至少一個：第一 AESA平板，用以提供相對於飛行器中心軸偏置的第一 方向上的第一覆蓋區域；第二AESA平板，用以提供相對於飛行器中心軸偏置的第二方向上 的第二覆蓋區域；或該第一 AESA平板和該第二AESA平板一起，用以提供所述第一覆蓋區域 與所述第二覆蓋區域之間的第三覆蓋區域。
[0008] 上述的概括說明和以下的詳細說明都應該被理解為是該公開的典型例子和起解 釋作用的例子，並不能限制本公開。包含在說明書內並組成說明書的一部分的圖示，闡述了 該公開的具體實施例，並和概括說明共同解釋該公開的原理 附圖簡要說明 通過參考下列附圖，本領域技術人員可更好理解本公開的多個目的和優點： 圖1是安裝在飛行器頭錐雷達罩內的二平板AESA雷達系統示意圖； 圖2是安裝在另一飛行器頭錐雷達罩的二平板AESA雷達系統示意圖； 圖3是本公開所述的二平板AESA雷達系統的相對增益圖； 圖4是本公開所述的另一個二平板AESA雷達系統的相對增益圖； 圖5是本公開所述的再一個二平板AESA雷達系統的相對增益圖； 圖6是本公開所述的帶有阻抗優化的二平板AESA雷達系統的相對增益圖；及 圖7是本公開所述的利用AESA雷達提供寬方位角覆蓋的方法的流程框圖。

【具體實施方式】
[0009] 現在就對公開的示例實施例進行詳細的說明，並通過附圖進行闡明。
[0010] 本公開涉及一種適用於飛行器應用的二平板AESA雷達系統。該二個AESA平板被 設置以使各自的指向方向朝向向前方向的兩側(相對於飛行器的運行方向）偏置。該二個 AESA平板可以單獨使用以提供寬方位角，以及它們可以作為共同天線孔徑和正象限操作聯 合使用。
[0011] 如圖1 (頂視圖）所示，二平板AESA雷達系統100安裝在飛行器102的頭錐雷達 罩內。雷達系統100包括第一 AESA平板104、第二AESA平板106和控制器108。AESA平板 104和106分別設置在飛行器102的縱軸110的兩相對側。此外，AESA平板104和106的 指向方向由縱軸110偏置，以提供寬方位角。
[0012] AESA平板的指向方向是指平板面向的方向。例如，如圖1中所示，第一 AESA平板 104指向方向114以及第二AESA平板106指向方向116,二者都相對於縱軸110偏置。在 一個實施例中，第一 AESA平板104的指向方向114相對於縱軸110以順時針方向按預設角 度α偏置，第二AESA平板106的指向方向116相對於縱軸110以逆時針方向按相同的預 設角度偏置。
[0013] 雷達系統100的控制器108與AESA平板104和106通信連接。控制器108包括以 下任一種：處理單元、計算設備、集成電路或與所述兩個平板通信連接的任何控制邏輯(單 獨或嵌入式)。如果空間允許，控制器108可以設置在頭錐雷達罩內（如圖1所示);可選的， 控制器108也可以設置在飛行器的其它地方(例如，如圖2所示在壓力容器/艙壁112的後 面)，通過有線或無線的方式與AESA平板104和106通信連接。
[0014] 控制器108被構形用以選擇性單獨地或一起激活AESA平板104和106,以提供寬 方位角。例如，控制器108可單獨地激活/運行第一 AESA平板104以向飛行器右側(相對 於飛行方向)提供雷達覆蓋。控制器108可單獨地激活/運行第二AESA平板106以向飛行 器左側(相對於飛行方向）提供雷達覆蓋。此外，控制器108可同時激活/運行AESA平板 104和106, AESA平板104和106的聯合操作（也可稱為疊加操作）形成二平板V形天線孔 徑，提供飛行器前進方向（相對於飛行方向）雷達覆蓋。
[0015] 根據本公開公開的雷達系統最大限度地減少AESA平板數量到兩個，因此最大限 度地減少了整個雷達系統的體積。兩個AESA平板分別使用提供寬方位角，或者聯合使用作 為共用正象限孔徑。此外，兩個AESA平板的V形布局使得平板可靠近雷達罩放置，如圖1 和圖2所示，提供"雷達罩填滿"的特徵，進而降低機身成本，並最大限度地為其它系統組件 提供了可利用體積/空間。
[0016] 可預見的是，每個特定的雷達系統的平板偏置角α可基於各種因素決定，這些因 素包括，但不限於：所需的方位角覆蓋、可接受的增益損耗、飛行器的可使用空間，諸如此類 的。例如，在一個特定的配置下，平板偏置角α可以被配置為大約35°，使得二平板AESA 雷達系統可提供一個±60°的方位角覆蓋(其中，沿飛行器縱軸前進方向設為0° )。
[0017] 通過測量進一步的評估該實施例配置的有效性。應該了解，天線孔徑的優化是以 最低損耗為目的，天線波束指向天線孔徑表面的法線方向，但它們會受到大量的離軸阻抗 而引起損耗，該損耗可基於方程計算：掃描損耗)=101og[cos n(<7)]，其中<9代 表的離軸角。而天線孔徑值通常為1.4,已經研發出的低離軸損耗的孔徑η值相對較小 (例如，低離軸的損耗孔徑/? = 1.1)。
[0018] 圖3顯示了配置上述低離軸損耗孔徑的AESA平板的雙向相對增益圖。虛線表示兩 個AESA平板單獨運行時的天線增益，實線表示兩個AESA平板聯合運行時的天線增益。如 圖所示，第一AESA平板可以單獨提供覆蓋範圍從-60°到-45° ;同樣地，第二AESA平板可 以單獨提供覆蓋範圍為+45°到+60° ;此外，兩個平板可聯合使用，疊加操作可提供正向增 益的覆蓋範圍為-45°到+45°。因此，此結構可以很好地適於商業和區域型飛行器應用。
[0019] 然而，這樣的配置不能提供某些應用所要求的高掃描角度。例如，如圖3所示的在 ±90°角的增益損耗不能滿足某些應用，如航空運輸等。圖4描述本公開另一個實施例的 兩個平板AESA雷達系統的增益圖，該實施例系統的平板偏置角α約為45°，觀察到當雷 達系統工作在±90°時的增益損耗(例如，在這個例子中增益損耗約為3 dB)是可以接受 的，此外，利用疊加操作來覆蓋-45°到+ 45°區域，相對於一個單一的平板操作能夠產生 更大的離軸增益(例如，在這個例子中約為2. 6dB，），因此允許該雷達系統有效地提供一個 ±90°的方位角覆蓋。
[0020] 可以預見的是，根據本公開公開的雷達系統不需要AESA平板有低損耗的離軸孔 徑。例如，圖5顯示了偏置角α約45°的二平板AESA雷達系統的增益圖(類似於圖4中 描繪的實施例)，但它的離軸損耗孔徑值大小適中（例如，η約為1. 4)，當在視軸上觀察到的 損耗為ldB時，相比以前的配置（S卩，低損耗孔徑)，圖5中的有適中離軸損耗孔徑的二平板 AESA雷達系統更便宜，並且也可以提供一個有合理增益的±90°方位角覆蓋。
[0021] 此外，本公開的兩個平板疊加操作可以優化以提高增益。增益的損耗是由兩部 分組成：天線表觀面積的離軸變化和由於天線偏離了最低損耗角，阻抗軸引起的損耗。因 此，天線設計不需要在光束法線位置優化，損耗方程可以定義為兩部分：一個涉及天線表 觀面積和一個涉及阻抗損耗，如方程所示= 101og[cos(<7)] + 101〇8[(308η4(<7+ ^optimization)]〇
[0022] 以±90°方位角覆蓋的配置為例，有適中離軸損耗孔徑的兩個平板的平板偏置 角α可被設置成約49° (相對於前面的例子的α為45° )，疊加操作可以在±49°的 範圍內應用，通過在每個平板的法線位置向前30°優化阻抗減輕阻抗損耗，圖6中比較了 45°的負偏置結構602 (S卩，前面的例子）和49°負偏置結構604,49°偏置結構顯示在 具有±90°束流位置增加增益的光束法線增加的增益。
[0023] 可以預期，優化二平板AESA雷達系統的輻射單元需要滿足一定的要求。例如，為 了最大限度的提供可用體積給其它系統組件和最小化雷達系統的整體體積，具體實施例中 的輻射單元的外輪廓一定要小，並且必須放置在靠近雷達罩的位置，通過接口集成在一起 (減少雷達系統體積)。正如前面提到的，能夠以較低的離軸損耗掃描的輻射單元(例如，等 於1. 2或小於60° )是最好的，此外，輻射單元也必須符合良性的RF環境要求，並且，單獨 的平板和/或上述的聯合的平板的輻射單元必須能夠提供足夠的性能。
[0024] 在一個實施例中，配置成為商業或區域型飛機，每個AESA平板包括256個輻射單 元，設置成16X16布置形式。在另一個實施例中，配置成航空運輸型飛機，每個平板包括 1024個輻射單元，設置成32 X 32布置形式。然而，每個AESA平板包括的單元的具體數量， 在不脫離本公開的範圍和精神下，因具體應用而有所不同。此外，據了解，上面提到的具體 平板偏置角α只是示範，平板偏置角α依據實施條件和要求可在範圍30°和60°之間， 在不脫離本公開的精神和範圍下，不同平板偏置角也可以被用於提供不同方位角覆蓋，。
[0025] 根據本公開公開的雷達系統最大限度地減少了整個雷達系統的體積。兩個AESA 平板的V型布局允許平板能靠近雷達罩放置，因此最大化其它系統組件的可使用體積/空 間。此外，兩個AESA平板的布局也可以適應一個非常緊湊的雷達罩，如圖2所示，壓力容器 /艙壁112彎向所述雷達罩這種結構非常適於在飛行器上應用。因此，根據本公開公開的雷 達系統可以安裝在機械轉向系統可能無法適應空間中。
[0026] 根據本公開公開的雷達系統還可提供適於多種飛行器應用的其它功能。例如，兩 個接收器可以被配置為當兩個AESA平板同時運行時，允許方向角的單脈衝操作，這對在空 中精度成像和表面操作都非常有用。
[0027] 此外，兩個平板運行可以在正象限進行同時和單獨的外部操作，以實現更高平均 功率的目標。通過使用發射機波形壓縮脈衝使其具有低交叉相關性，進而實現多個平板的 同時操作，該方法雖然有用，但這樣的代碼的使用是不足夠的。在雷達部分操作的有源發射 機脈衝期間，高水平的能量從一個平板洩露到另一個平板。如果一個平板處於接收模式，而 另一個平板從發射平板發射高水平洩漏，在其它發射機的脈衝期間，將產生一個錯誤的目 標或被失去有效目標。對於減緩幹擾問題的有效方法是安排所有平板同時發射。在聯合發 射操作過程中，每個平板的接收機已經空白（關閉或不使用）。當接受機操作空白時，同步 發射機脈衝同時從每個平板發射幹擾信號。
[0028] 此外，本公開的二平板配置方式並不限於飛行器上的應用。二平板配置也可以適 用於一般的平面相控陣孔徑技術。例如，兩個平板可在中心軸兩側偏置一預設角度(相當於 上述例子的飛行器縱軸)。如上所述，平板可以單獨使用提供寬方位角，也可以聯合使用，作 為共用天線孔徑，並沿中心軸方向運行。該雷達系統適於當空間和/或運動有限或被限制 時的各種應用。
[0029] 如圖7所示，一種利用AESA雷達提供的寬方位角覆蓋的方法700。步驟702可提 供設置在中心軸的一側的第一 AESA平板，其中所述第一 AESA平板的指向方向相對於中心 軸以順時針方向按一預設角度偏置。步驟704提供設置在中心軸的第二側的第二AESA平 板，所述第二AESA平板的指向方向相對於中心軸以逆時針方向按所述預設角度偏置。兩個 AESA平板被設置成上述的V形結構布置。
[0030] 步驟706可以選擇性地單獨激活AESA平板以提供寬方位角或同時激活兩個平板。 例如，如前所述，單獨激活第一 AESA平板，提供相對於中心軸偏置的第一方向上的第一覆 蓋區域，單獨激活第二AESA平板，提供相對於中心軸偏置的第二方向上的第二覆蓋區域， 同時激活兩個AESA平板，提供在第一覆蓋區域和第二覆蓋區域之間的第三覆蓋區域。
[0031] 據了解，本公開並不限於任何潛在的可實現技術，本公開的實施可藉助任何相結 合的軟體和硬體技術，在不脫離本公開的範圍和精神或不犧牲所有的材料優點的情況下， 米用多種技術實現。
[0032] 須知，本公開公開的特定順序和層次結構步驟只是一個實施例。根據設計要求，本 公開的範圍內，可以對特定順序和層次結構步驟進行重新安排。方法權利要求保護本公開 的特定順序和層次結構，而不是限定該特定順序或層次結構。
[0033] 通過前面描述，本公開以及許多隨之而來的優點能夠被很好的理解，在不脫離本 公開的範圍和精神或不犧牲所有的材料優勢的情況下，可以改變組件的形式、結構和排列， 前面描述的方案只是起解釋作用的實施例，附加權利要求已經包括了上述變化。
【權利要求】
1. 一種雷達系統，包括： 一對有源電子掃描陣列（AESA)平板，該對AESA平板分別設置在中心軸的兩相對側，其 中，第一 AESA平板的指向方向相對於所述中心軸以順時針方向按一預設角度偏置，以及第 二AESA平板的指向方向相對於所述中心軸以逆時針方向按所述預設角度偏置； 一控制器，其分別與該對AESA平板中的每一個AESA平板通信連接，該控制器被構形用 以選擇地進行以下至少一個： 單獨地激活所述第一 AESA平板，以提供由所述中心軸偏置的第一方向上的第一覆蓋 區域， 單獨地激活所述第二AESA平板，以提供由所述中心軸偏置的第二方向上的第二覆蓋 區域，或 共同地激活該對AESA平板，以提供所述第一覆蓋區域與所述第二覆蓋區域之間的第 三覆蓋區域。
2. 根據權利要求1所述的雷達系統，其中，所述預設角度範圍為30°到60°。
3. 根據權利要求1所述的雷達系統，其中，所述控制器被構形用以共同地激活該對 AESA平板，以提供沿所述中心軸的正/負的所述預設角度內的覆蓋區域。
4. 根據權利要求3所述的雷達系統，其中，所述預設角度是35°，以及所述控制器被構 形用以選擇地進行以下至少一個： 單獨地激活所述第一 AESA平板，以提供離所述中心軸-45°到-60°之間的覆蓋區 域； 單獨地激活所述第二AESA平板，以提供離所述中心軸45°到60°之間的覆蓋區域； 共同地激活該對AESA平板，以提供沿所述中心軸±45°內的覆蓋區域。
5. 根據權利要求3所述的雷達系統，其中，所述預設角度是45°，所述控制器被構形用 以選擇地進行以下至少一個： 單獨地激活所述第一 AESA平板，以提供離所述中心軸-45°到-90°之間的覆蓋區 域； 單獨地激活所述第二AESA平板，以提供離所述中心軸45°到90°之間的覆蓋區域； 共同地激活該對AESA平板，以提供沿所述中心軸±45°內的覆蓋區域。
6. 根據權利要求1所述的雷達系統，其中，所述AESA平板適於安裝在飛行器上。
7. 根據權利要求6所述的雷達系統，其中，所述中心軸與所述飛行器的縱軸一致。
8. 根據權利要求7所述的雷達系統，其中，所述AESA平板安裝在所述飛行器的頭錐雷 達罩內。
9. 根據權利要求8所述的雷達系統，其中，所述AESA平板置於靠近所述頭錐雷達罩的 內壁，所述AESA平板形成與所述頭錐雷達罩的所述內壁形狀大體一致的V形結構。
10. 根據權利要求1所述的雷達系統，其中，所述AESA板採用低離軸損耗輻射單元。
【文檔編號】G01S13/00GK104145192SQ201280069957
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2012年5月25日 優先權日:2012年2月20日
【發明者】丹尼爾·L·伍德爾, 詹姆斯·B·韋斯特, 李·M·保爾森, 麥可·J·巴克利, 布萊恩·J·赫汀 申請人:羅克韋爾柯林斯公司