用于飞行器应用的优化二平板aesa的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种二平板雷达系统。该雷达系统包括一对AESA平板，该对AESA平板分别设置在中心轴的两侧，其中第一AESA平板的指向方向相对于飞行器的中心轴以在顺时针方向按一预设角度偏置，第二AESA平板的指向方向相对于飞行器中心轴以逆时针方向按所述预设角度偏置；雷达系统还包括控制器，其被构形用以选择性地进行以下至少一个：单独激活第一AESA平板，以提供相对于飞行器中心轴偏置的第一方向上第一覆盖区域；单独激活第二AESA平板，以提供相对于飞行器中心轴偏置的第二方向上的第二覆盖区域；或共同激活该对AESA平板，以提供在第一覆盖区域和第二覆盖区域之间的第三覆盖区域。
【专利说明】用于飞行器应用的优化二平板AESA
【技术领域】
[0001] 本公开总体涉及雷达系统，尤其涉及适于飞行器应用的雷达系统。
【背景技术】
[0002] 有源电子扫描阵列（AESA)，也被称作有源相控阵雷达，是一种相控阵雷达，它的发 射器和接收器功能由大量小的固定状态发射/接收单元构成。AESA雷达应用繁多，包括在 航空和飞行器应用，当应用于航空和飞行器时，通常要求宽方位角覆盖。
[0003] AESA的宽方位角覆盖通常驱动权衡离轴增益，或要求使用额外的平板，其指向角 扩散到所需的方位角空间。这在当扫描偏离正常的放射孔时有重大损耗的经典孔径设计时 表现尤为明显，例如，为了提供宽方位角覆盖，雷达系统可以包括一向前的AESA平板和多 个侧AESA平板(例如，向左侧平板、向右侧平板以及甚至更多的附加平板）来帮助减少离轴 增益损耗。然而，每个平板增加了额外的成本和所需的物理空间，这可能很难适应飞行器上 有限的可用空间。
[0004] 因此，需要提供一种适用于飞行器应用的雷达系统。
[0005] 公开内容 本公开涉及一种用于飞行器的雷达系统。该雷达系统可以包括一对设置在飞行器头锥 雷达罩内的AESA平板，该对AESA平板分别设置在飞行器的纵轴的两侧，其中第一 AESA平 板的指向方向相对于飞行器的纵轴以顺时针方向按一预设角度偏置，第二AESA平板的指 向方向相对于飞行器纵轴以逆时针方向按所述预设角度偏置。该雷达系统还可以包括与该 对AESA平板中的每一个AESA平板分别通信连接的控制器，该控制器被构形用以选择性地 进行以下至少一个：单独地激活所述第一 AESA平板，用以提供相对飞行器纵轴偏置的第一 方向上的第一覆盖区域，单独地激活第二AESA平板，用以提供相对于飞行器纵轴偏置的第 二方向上的第二覆盖区域，或共同地激活该对AESA平板，用以提供在第一覆盖区域和第二 覆盖区域之间的第三覆盖区域。
[0006] 本公开的雷达系统的另一实施例，该雷达系统可包括一对AESA平板，该对AESA 平板分别设置在中心轴的两侧，其中第一 AESA平板的指向方向相对于飞行器的中心轴以 顺时针方向按一预设角度偏置，第二AESA平板的指向方向相对于飞行器中心轴以逆时针 方向按所述预设角度偏置。该雷达系统还可包括与该对AESA平板中的每一个分别通信连 接的控制器，该控制器可被构形用以选择性地进行以下至少一个：单独地激活第一 AESA平 板，用以提供相对于飞行器中心轴偏置的第一方向上第一覆盖区域，单独地激活第二AESA 平板，用以提供相对于飞行器中心轴偏置的第二方向上的第二覆盖区域，或共同地激活该 对AESA平板，用以提供在第一覆盖区域和第二覆盖区域之间的第三覆盖区域。
[0007] 本公开的另一方面涉及一种利用AESA雷达提供宽方位角覆盖的方法。该方法可 包括：提供设置在中心轴一侧的第一 AESA平板，其中，该第一 AESA平板的指向方向相对于 该中心轴以顺时针方向按一预设角度偏置；提供位于该中心轴的第二侧的第二AESA平板， 其中，该第二AESA平板的指向方向相对于该中心轴以逆时针方向按所述预设角度偏置；以 及选择性地激活以下至少一个：第一 AESA平板，用以提供相对于飞行器中心轴偏置的第一 方向上的第一覆盖区域；第二AESA平板，用以提供相对于飞行器中心轴偏置的第二方向上 的第二覆盖区域；或该第一 AESA平板和该第二AESA平板一起，用以提供所述第一覆盖区域 与所述第二覆盖区域之间的第三覆盖区域。
[0008] 上述的概括说明和以下的详细说明都应该被理解为是该公开的典型例子和起解 释作用的例子，并不能限制本公开。包含在说明书内并组成说明书的一部分的图示，阐述了 该公开的具体实施例，并和概括说明共同解释该公开的原理 附图简要说明 通过参考下列附图，本领域技术人员可更好理解本公开的多个目的和优点： 图1是安装在飞行器头锥雷达罩内的二平板AESA雷达系统示意图； 图2是安装在另一飞行器头锥雷达罩的二平板AESA雷达系统示意图； 图3是本公开所述的二平板AESA雷达系统的相对增益图； 图4是本公开所述的另一个二平板AESA雷达系统的相对增益图； 图5是本公开所述的再一个二平板AESA雷达系统的相对增益图； 图6是本公开所述的带有阻抗优化的二平板AESA雷达系统的相对增益图；及 图7是本公开所述的利用AESA雷达提供宽方位角覆盖的方法的流程框图。
【具体实施方式】
[0009] 现在就对公开的示例实施例进行详细的说明，并通过附图进行阐明。
[0010] 本公开涉及一种适用于飞行器应用的二平板AESA雷达系统。该二个AESA平板被 设置以使各自的指向方向朝向向前方向的两侧(相对于飞行器的运行方向）偏置。该二个 AESA平板可以单独使用以提供宽方位角，以及它们可以作为共同天线孔径和正象限操作联 合使用。
[0011] 如图1 (顶视图）所示，二平板AESA雷达系统100安装在飞行器102的头锥雷达 罩内。雷达系统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分别设置在飞行器102的纵轴110的两相对侧。此外，AESA平板104和106的 指向方向由纵轴110偏置，以提供宽方位角。
[0012] AESA平板的指向方向是指平板面向的方向。例如，如图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116,二者都相对于纵轴110偏置。在 一个实施例中，第一 AESA平板104的指向方向114相对于纵轴110以顺时针方向按预设角 度α偏置，第二AESA平板106的指向方向116相对于纵轴110以逆时针方向按相同的预 设角度偏置。
[0013] 雷达系统100的控制器108与AESA平板104和106通信连接。控制器108包括以 下任一种：处理单元、计算设备、集成电路或与所述两个平板通信连接的任何控制逻辑(单 独或嵌入式)。如果空间允许，控制器108可以设置在头锥雷达罩内（如图1所示);可选的， 控制器108也可以设置在飞行器的其它地方(例如，如图2所示在压力容器/舱壁112的后 面)，通过有线或无线的方式与AESA平板104和106通信连接。
[0014] 控制器108被构形用以选择性单独地或一起激活AESA平板104和106,以提供宽 方位角。例如，控制器108可单独地激活/运行第一 AESA平板104以向飞行器右侧(相对 于飞行方向)提供雷达覆盖。控制器108可单独地激活/运行第二AESA平板106以向飞行 器左侧(相对于飞行方向）提供雷达覆盖。此外，控制器108可同时激活/运行AESA平板 104和106, AESA平板104和106的联合操作（也可称为叠加操作）形成二平板V形天线孔 径，提供飞行器前进方向（相对于飞行方向）雷达覆盖。
[0015] 根据本公开公开的雷达系统最大限度地减少AESA平板数量到两个，因此最大限 度地减少了整个雷达系统的体积。两个AESA平板分别使用提供宽方位角，或者联合使用作 为共用正象限孔径。此外，两个AESA平板的V形布局使得平板可靠近雷达罩放置，如图1 和图2所示，提供"雷达罩填满"的特征，进而降低机身成本，并最大限度地为其它系统组件 提供了可利用体积/空间。
[0016] 可预见的是，每个特定的雷达系统的平板偏置角α可基于各种因素决定，这些因 素包括，但不限于：所需的方位角覆盖、可接受的增益损耗、飞行器的可使用空间，诸如此类 的。例如，在一个特定的配置下，平板偏置角α可以被配置为大约35°，使得二平板AESA 雷达系统可提供一个±60°的方位角覆盖(其中，沿飞行器纵轴前进方向设为0° )。
[0017] 通过测量进一步的评估该实施例配置的有效性。应该了解，天线孔径的优化是以 最低损耗为目的，天线波束指向天线孔径表面的法线方向，但它们会受到大量的离轴阻抗 而引起损耗，该损耗可基于方程计算：扫描损耗)=101og[cos n(<7)]，其中<9代 表的离轴角。而天线孔径值通常为1.4,已经研发出的低离轴损耗的孔径η值相对较小 (例如，低离轴的损耗孔径/? = 1.1)。
[0018] 图3显示了配置上述低离轴损耗孔径的AESA平板的双向相对增益图。虚线表示两 个AESA平板单独运行时的天线增益，实线表示两个AESA平板联合运行时的天线增益。如 图所示，第一AESA平板可以单独提供覆盖范围从-60°到-45° ;同样地，第二AESA平板可 以单独提供覆盖范围为+45°到+60° ;此外，两个平板可联合使用，叠加操作可提供正向增 益的覆盖范围为-45°到+45°。因此，此结构可以很好地适于商业和区域型飞行器应用。
[0019] 然而，这样的配置不能提供某些应用所要求的高扫描角度。例如，如图3所示的在 ±90°角的增益损耗不能满足某些应用，如航空运输等。图4描述本公开另一个实施例的 两个平板AESA雷达系统的增益图，该实施例系统的平板偏置角α约为45°，观察到当雷 达系统工作在±90°时的增益损耗(例如，在这个例子中增益损耗约为3 dB)是可以接受 的，此外，利用叠加操作来覆盖-45°到+ 45°区域，相对于一个单一的平板操作能够产生 更大的离轴增益(例如，在这个例子中约为2. 6dB，），因此允许该雷达系统有效地提供一个 ±90°的方位角覆盖。
[0020] 可以预见的是，根据本公开公开的雷达系统不需要AESA平板有低损耗的离轴孔 径。例如，图5显示了偏置角α约45°的二平板AESA雷达系统的增益图(类似于图4中 描绘的实施例)，但它的离轴损耗孔径值大小适中（例如，η约为1. 4)，当在视轴上观察到的 损耗为ldB时，相比以前的配置（S卩，低损耗孔径)，图5中的有适中离轴损耗孔径的二平板 AESA雷达系统更便宜，并且也可以提供一个有合理增益的±90°方位角覆盖。
[0021] 此外，本公开的两个平板叠加操作可以优化以提高增益。增益的损耗是由两部 分组成：天线表观面积的离轴变化和由于天线偏离了最低损耗角，阻抗轴引起的损耗。因 此，天线设计不需要在光束法线位置优化，损耗方程可以定义为两部分：一个涉及天线表 观面积和一个涉及阻抗损耗，如方程所示= 101og[cos(<7)] + 101〇8[(308η4(<7+ ^optimization)]〇
[0022] 以±90°方位角覆盖的配置为例，有适中离轴损耗孔径的两个平板的平板偏置 角α可被设置成约49° (相对于前面的例子的α为45° )，叠加操作可以在±49°的 范围内应用，通过在每个平板的法线位置向前30°优化阻抗减轻阻抗损耗，图6中比较了 45°的负偏置结构602 (S卩，前面的例子）和49°负偏置结构604,49°偏置结构显示在 具有±90°束流位置增加增益的光束法线增加的增益。
[0023] 可以预期，优化二平板AESA雷达系统的辐射单元需要满足一定的要求。例如，为 了最大限度的提供可用体积给其它系统组件和最小化雷达系统的整体体积，具体实施例中 的辐射单元的外轮廓一定要小，并且必须放置在靠近雷达罩的位置，通过接口集成在一起 (减少雷达系统体积)。正如前面提到的，能够以较低的离轴损耗扫描的辐射单元(例如，等 于1. 2或小于60° )是最好的，此外，辐射单元也必须符合良性的RF环境要求，并且，单独 的平板和/或上述的联合的平板的辐射单元必须能够提供足够的性能。
[0024] 在一个实施例中，配置成为商业或区域型飞机，每个AESA平板包括256个辐射单 元，设置成16X16布置形式。在另一个实施例中，配置成航空运输型飞机，每个平板包括 1024个辐射单元，设置成32 X 32布置形式。然而，每个AESA平板包括的单元的具体数量， 在不脱离本公开的范围和精神下，因具体应用而有所不同。此外，据了解，上面提到的具体 平板偏置角α只是示范，平板偏置角α依据实施条件和要求可在范围30°和60°之间， 在不脱离本公开的精神和范围下，不同平板偏置角也可以被用于提供不同方位角覆盖，。
[0025] 根据本公开公开的雷达系统最大限度地减少了整个雷达系统的体积。两个AESA 平板的V型布局允许平板能靠近雷达罩放置，因此最大化其它系统组件的可使用体积/空 间。此外，两个AESA平板的布局也可以适应一个非常紧凑的雷达罩，如图2所示，压力容器 /舱壁112弯向所述雷达罩这种结构非常适于在飞行器上应用。因此，根据本公开公开的雷 达系统可以安装在机械转向系统可能无法适应空间中。
[0026] 根据本公开公开的雷达系统还可提供适于多种飞行器应用的其它功能。例如，两 个接收器可以被配置为当两个AESA平板同时运行时，允许方向角的单脉冲操作，这对在空 中精度成像和表面操作都非常有用。
[0027] 此外，两个平板运行可以在正象限进行同时和单独的外部操作，以实现更高平均 功率的目标。通过使用发射机波形压缩脉冲使其具有低交叉相关性，进而实现多个平板的 同时操作，该方法虽然有用，但这样的代码的使用是不足够的。在雷达部分操作的有源发射 机脉冲期间，高水平的能量从一个平板泄露到另一个平板。如果一个平板处于接收模式，而 另一个平板从发射平板发射高水平泄漏，在其它发射机的脉冲期间，将产生一个错误的目 标或被失去有效目标。对于减缓干扰问题的有效方法是安排所有平板同时发射。在联合发 射操作过程中，每个平板的接收机已经空白（关闭或不使用）。当接受机操作空白时，同步 发射机脉冲同时从每个平板发射干扰信号。
[0028] 此外，本公开的二平板配置方式并不限于飞行器上的应用。二平板配置也可以适 用于一般的平面相控阵孔径技术。例如，两个平板可在中心轴两侧偏置一预设角度(相当于 上述例子的飞行器纵轴)。如上所述，平板可以单独使用提供宽方位角，也可以联合使用，作 为共用天线孔径，并沿中心轴方向运行。该雷达系统适于当空间和/或运动有限或被限制 时的各种应用。
[0029] 如图7所示，一种利用AESA雷达提供的宽方位角覆盖的方法700。步骤702可提 供设置在中心轴的一侧的第一 AESA平板，其中所述第一 AESA平板的指向方向相对于中心 轴以顺时针方向按一预设角度偏置。步骤704提供设置在中心轴的第二侧的第二AESA平 板，所述第二AESA平板的指向方向相对于中心轴以逆时针方向按所述预设角度偏置。两个 AESA平板被设置成上述的V形结构布置。
[0030] 步骤706可以选择性地单独激活AESA平板以提供宽方位角或同时激活两个平板。 例如，如前所述，单独激活第一 AESA平板，提供相对于中心轴偏置的第一方向上的第一覆 盖区域，单独激活第二AESA平板，提供相对于中心轴偏置的第二方向上的第二覆盖区域， 同时激活两个AESA平板，提供在第一覆盖区域和第二覆盖区域之间的第三覆盖区域。
[0031] 据了解，本公开并不限于任何潜在的可实现技术，本公开的实施可借助任何相结 合的软件和硬件技术，在不脱离本公开的范围和精神或不牺牲所有的材料优点的情况下， 米用多种技术实现。
[0032] 须知，本公开公开的特定顺序和层次结构步骤只是一个实施例。根据设计要求，本 公开的范围内，可以对特定顺序和层次结构步骤进行重新安排。方法权利要求保护本公开 的特定顺序和层次结构，而不是限定该特定顺序或层次结构。
[0033] 通过前面描述，本公开以及许多随之而来的优点能够被很好的理解，在不脱离本 公开的范围和精神或不牺牲所有的材料优势的情况下，可以改变组件的形式、结构和排列， 前面描述的方案只是起解释作用的实施例，附加权利要求已经包括了上述变化。
【权利要求】
1. 一种雷达系统，包括： 一对有源电子扫描阵列（AESA)平板，该对AESA平板分别设置在中心轴的两相对侧，其 中，第一 AESA平板的指向方向相对于所述中心轴以顺时针方向按一预设角度偏置，以及第 二AESA平板的指向方向相对于所述中心轴以逆时针方向按所述预设角度偏置； 一控制器，其分别与该对AESA平板中的每一个AESA平板通信连接，该控制器被构形用 以选择地进行以下至少一个： 单独地激活所述第一 AESA平板，以提供由所述中心轴偏置的第一方向上的第一覆盖 区域， 单独地激活所述第二AESA平板，以提供由所述中心轴偏置的第二方向上的第二覆盖 区域，或 共同地激活该对AESA平板，以提供所述第一覆盖区域与所述第二覆盖区域之间的第 三覆盖区域。
2. 根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述预设角度范围为30°到60°。
3. 根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述控制器被构形用以共同地激活该对 AESA平板，以提供沿所述中心轴的正/负的所述预设角度内的覆盖区域。
4. 根据权利要求3所述的雷达系统，其中，所述预设角度是35°，以及所述控制器被构 形用以选择地进行以下至少一个： 单独地激活所述第一 AESA平板，以提供离所述中心轴-45°到-60°之间的覆盖区 域； 单独地激活所述第二AESA平板，以提供离所述中心轴45°到60°之间的覆盖区域； 共同地激活该对AESA平板，以提供沿所述中心轴±45°内的覆盖区域。
5. 根据权利要求3所述的雷达系统，其中，所述预设角度是45°，所述控制器被构形用 以选择地进行以下至少一个： 单独地激活所述第一 AESA平板，以提供离所述中心轴-45°到-90°之间的覆盖区 域； 单独地激活所述第二AESA平板，以提供离所述中心轴45°到90°之间的覆盖区域； 共同地激活该对AESA平板，以提供沿所述中心轴±45°内的覆盖区域。
6. 根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述AESA平板适于安装在飞行器上。
7. 根据权利要求6所述的雷达系统，其中，所述中心轴与所述飞行器的纵轴一致。
8. 根据权利要求7所述的雷达系统，其中，所述AESA平板安装在所述飞行器的头锥雷 达罩内。
9. 根据权利要求8所述的雷达系统，其中，所述AESA平板置于靠近所述头锥雷达罩的 内壁，所述AESA平板形成与所述头锥雷达罩的所述内壁形状大体一致的V形结构。
10. 根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述AESA板采用低离轴损耗辐射单元。
【文档编号】G01S13/00GK104145192SQ201280069957
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2012年5月25日 优先权日:2012年2月20日
【发明者】丹尼尔·L·伍德尔, 詹姆斯·B·韦斯特, 李·M·保尔森, 迈克尔·J·巴克利, 布莱恩·J·赫汀 申请人:罗克韦尔柯林斯公司