麻省理工学院林肯实验室 （MIT LL） 一直致力于支持多功能相控阵雷达 （MPAR） 计划，以开发低成本相控阵雷达。MIT LL 与 MACOM 一起开发了一种 S 波段 64 晶片双极化相控阵面板，每个晶片每个极化的辐射功率为 6 W。该面板的第三代用于构建 76 面板全极化 AESA 雷达，即 MPAR 先进技术演示器 （ATD）。最近在麻省理工学院 LL 的射频测试设施中，ATD 的 EIRP 为 85 dBW，孔径方向性为 40 dB，波束转向误差小于 0.04°。ATD 于 2018 年安装在国家强风暴实验室 （NSSL） 的国家天气雷达测试台 （NWRT） 中。本文总结了 76 面板 MPAR ATD 的近场暗室测试结果、安装和校准。

第一部分

美国有 600 多台独特的雷达，用于为美国联邦航空管理局 （FAA）、美国国家海洋和大气管理局 （NOAA） 和美国空军进行边境和飞机监视以及天气预报。这些雷达由九个独特的系统组成，所有这些系统都具有机械旋转的孔径，预期使用寿命为 20-40 年。维护这些雷达的能力受到设备种类、系统使用年限和部件过时的阻碍。然而，相控阵雷达技术的进步使美国机构能够寻求多功能相控阵雷达 （MPAR），以满足当前现场系统的需求，并在国家空域 （NAS） 创建统一的雷达架构。MPAR 计划的目标是使用有源电子扫描阵列 （AESA） 实现飞机监视和天气预报的双重目的 [1]。图 1 说明了这种系统的工作原理，在飞机和天气目的之间分配时间，而无需机械移动天线。通过这种方式，雷达可以根据需要专注于飞机或天气事件。

在过去的十年中，MIT LL 一直在为此目的寻求低成本的相控阵雷达。2006 年，麻省理工学院 LL 和联邦气象协调办公室撰写了一份报告，建议开发可扩展的多功能 AESA 雷达，其成本目标非常激进，为 ~60K/m2.MIT LL与MACOM合作，开发了低成本的S波段相控阵面板技术，该技术已用于2011年的单面板演示，2013年的2面板可平铺子阵列（第二代“Gen2”面板）和2015年的10面板演示器。这些开发周期中的每个面板都由一个 8x8 元素数组组成。76 面板高级技术演示器 （ATD） 是低成本相控阵面板开发的下一步，利用 3RD代 （Gen3） 面板。直径为 4 m 的孔径配备了实时雷达后端，能够处理天气和飞机数据。MPAR ATD Gen3 面板如图 2 所示。[2]–[7]

图 1.MPAR AESA 雷达的概念设计，具有四个面，可以执行飞机和天气监视。

图 2.MPAR ATD gen3 面板组装图。右下角是完整面板组件的照片。

图 3.MIT LL 射频测试设施的 MPAR ATD 76 面板阵列正在进行近场测试和校准。

第二部分

ATD 近场测试在 MIT LL 射频测试设施分两个阶段进行。在第 1 阶段，使用 PNA 进行天线测量，即 RF 到 RF。在第 2 阶段，ATD 与雷达后端、2 个激励器和 50 个接收器通道集成在一起。这种配置支持对数字的雷达测量。ATD 在一个新完成的大型平面近场室中进行了测试，该室的边长约为 9 m。暗室一侧的 3 轴龙门架/扫描仪可在 $5\ \mathrm{x}\ 5$ 米扫描平面上进行近场测量。安装在扫描仪上的 S 波段开放式波导 （WR284） 探头用于收集 ~ 3 个波长的 z 偏移处的扫描平面场。图 3 显示了暗室中的 ATD 以及左侧的扫描仪。第一阶段是 ATD 天线测试，历时 3 个月，于 2017 年 9 月完成。第 1 阶段测试的主要目标是在与后端集成之前，根据远场模式质量对阵列的性能进行基线评估。在第 2 阶段，ATD 作为雷达进行了测试。测试期为 7 个月，于 2018 年 5 月结束。本节的其余部分涵盖第 2 阶段的测试方法和数据收集。

图 4.接收通道的 MPAR ATD 的近场校准，（a） 显示每个元件的未校准测量幅度。（b） 显示校准后的幅度，（c） 显示每个元件的未校准相位，（d） 显示校准后的相位。

在 ATD 的近场测试期间，有两种主要的测量方法，停放元件和近场扫描。在停放元件测试中，波导探头位于 4864 个元件中每个元件的前面。在这个元素循环中，只有 proximal 元素处于打开状态;所有其他 S 均已关闭。该元件设置为其参考状态，数字 6 位移相器和 5 位衰减器分别设置为 0° 和 0 dB。在这种状态下，元素是通过模式、发射 V & H-pol 和接收 V & H-pol 以及频率来测量的。来自此收集的数据用于开发衰减器和移相器设置，以均衡增益和相位的元件间变化。这些设置用于修改元素状态，并使用 parked element 方法重新测量数组。这是数组校准过程。参见图 4，其中停放元件的幅度和相位数据在参考状态下绘制，未校准（左侧），在应用衰减器和移相器均衡设置后，校准（右侧）。停放的元素扫描需要 2 小时才能完成。

第二种测量方法是近场扫描。使用这种方法，波导探针在奈奎斯特采样的奈奎斯特采样上收集数据，即 $\mathrm{dx}=\mathrm{dy} < \lambda/2$，覆盖整个 $5\ \mathrm{x}\ 5$ m 扫描平面的规则晶格。探测位置与单元位置不相关，就像停放单元扫描一样。在此扫描中，所有元素都处于打开状态，并已设置为其校准状态。在每个探测位置，AESA 循环通过 ~ 3000 个光束点，光束点集中在仰角 $\pm 20^{\circ}$ 和方位角 $\pm 45^{\circ}$ 之间，这是天气雷达运行的主要扫描体积。特定模式（垂直或水平极化接收或发射）的每次数据收集大约需要 8 小时才能完成。近场扫描收集随后从扫描平面坐标 x、y、z 转换为 $\theta$ 和 $\phi$ 中的远场球坐标系。然后，针对各种天线方向图指标分析生成的方向图，包括波束点、波束宽度、增益以及基平面和噪声旁瓣。

图 5.接收模式的远场阵列方向图转向宽侧，用于 （a） 校准的阵列和 （b） 理想计算。

图 6.

ATD 传输模式的远场数据以 3-D 视图显示（以归一化 db 为单位的色标）。

图 5 和图 6 分别显示了从接收和发射的近场测量转换而来的远场模式。图 5 表明，宽侧波束与阵列的理想计算相当，旁瓣和波束宽度的定性演示与预期非常吻合。定量分析揭示了 −53 dB 均方旁瓣电平 （MSSL） 和与基平面旁瓣振幅的良好一致性。图 6 显示了 MPAR ATD 发射模式的远场。3D 视图显示了宽侧方向性的幅度，在传输中测量为 41.9 dB。图 6 还显示了发射 MSSL，校准后测得的 MSSL 为 - 50.4 dB（用于垂直发射）。

在近场测试期间，阵列中对许多参数进行了表征：EIRP、宽边方向性、波束宽度、波束转向精度、均方旁瓣电平 （MSSL） 和交叉极化隔离都有目标值，需要在 NWRT 安装之前确认。表 1 显示了 ATD 近场测试结果的摘要。MPAR ATD 达到或超过所有性能目标。

第三部分。

经过近场测试和校准后，ATD 在麻省理工学院 LL 拆卸，运往俄克拉荷马州诺曼，并于 2018 年 7 月安装在 NWRT。图 7 显示了安装在 NWRT 旋转平台上后的 ATD 孔径框架和仰角旋转器。图 8 显示了 NWRT 顶部的天线罩安装，下方是 MPAR ATD 阵列。ATD Gen3 面板、硬件和系统控件的安装不久后完成。

图 7.在俄克拉荷马州诺曼的 NSSL 的 NWRT 中安装 MPAR ATD。

图 8.2018 年 7 月安装 NWRT 天线罩。

图 9.NWRT 的 MPAR ATD 的两种校准配置是天线罩内的远程探头（左）和安装在 0.5 公里外的远场校准塔（右）。

表 1. MPAR ATD 近场测试结果。

在现场，ATD 码型测量和元件调整将使用两个固定放置的探头完成，如图 9 所示。固定在旋转甲板上的近场探头将用于收集元件健康数据，对 48 个接收器通道进行背景对齐，并对齐经过维护操作的新安装面板。第二个探头位于 ~ 0.5 公里外的 150 英尺校准塔上。该远场探头可以在其视轴轴上旋转，从而实现任意极化测量。ATD 远场探头测试装置的动态范围可以实现单晶片和阵列级测量。远场探头将用于目前正在编写脚本的许多天线和雷达校准和表征过程。

第四部分。

过去十年来，MIT LL 一直在开发低成本的相控阵雷达技术，最终设计、开发和测试了 MPAR 先进技术演示器 （ATD），该演示器由 76 个面板组成一个直径为 4 米、元件为 4,864 个元件的 S 波段 AESA。ATD 的近场测试表明 EIRP 为 85 dBW，垂直和水平极化之间的 EIRP 增量小于 0.5 dB，宽边方向性为 40 dB，MSSL 为 50 dB。MPAR ATD 已安装在俄克拉荷马州诺曼市 NSSL 的 NWRT 中，目前正在该设施进行测试。现在，MPAR ATD 将作为极化雷达平面相控阵使用的主要研究资产。