【NG Phased Array System】DARPA下一代相控阵系统研发取得新进展

一直以来，电磁（EM）系统使用天线阵列来提供独特的能力，如多波束形成和电子转向，这对通信、信号情报（SIGINT）、雷达和电子战等广泛的应用非常重要。然而，由于系统开发时间过长和无法升级已投入使用的能力，阵列的广泛使用受到了限制——军事电子技术的发展速度比商业部门慢，这使的问题更加严重。特别是已投入使用的军事系统的射频（RF）能力与围绕这些系统不断改进的数字电子技术之间的性能差距正在扩大。为此，美国国防高级研究计划局（DARPA）早在2014年（或更早）就启动“”商业时标阵列”（ACT）项目，旨在缩短设计周期和现场更新，突破传统阵列开发周期动辄10年、静态寿命周期为20-30年和成本高昂的服务寿命延长项目的障碍。

具体来说，作为专注于传统单体阵列系统的大型项目的替代方案，ACT项目试图开发一个数字相互连接的构件，从中可以形成更大的系统。所需的构件由一个共同的模块和一个可重新配置的电磁接口组成，将为每个应用提供可扩展和可定制的功能，而不需要为每个应用空间进行全面重新设计。

ACT项目有两个重点，每个重点都是为快速升级和广泛部署的阵列架构的特定使能技术：

• 一个受数字影响的通用模块，包括80%到90%的阵列核心功能，以插入到广泛的应用中去；

• 可重新配置和调谐的射频孔径，用于跨越S波段到X波段的频率（以及两者之间的点），以满足各种特性的需要。

而为了保持技术优势，美国国防部自2018年以来也在开发下一代系统，以支持电磁波谱（EMS）中的可重构、可编程和软件可定义的功能。这种技术现在驱动着下一代相控阵技术，它将建立在高度灵活、可扩展和可重新配置的射频相控阵数字后端之上。这些数字化的阵列模块在宽频带上运行，并在低尺寸、低重量和低功率（SWaP）的外形因素下支持许多独立的发射和接收（Tx/Rx）通道。这种数字结构使一个单一的阵列能够执行多种功能，例如雷达、通信、信号情报/电子情报和电子战（EW）。因此，这些数字解决方案应大大降低特定阵列能力的非重复性工程（NRE），因为电子器件内部具有共性，易于升级，以及软件模式的转移。总的来说，下一代阵列所需的未来灵活性正在推动通用和标准化的接口，使射频前端和数字后端分离，也称为数字接收器/发射器（DREX）。当分离前端和后端时，美国国防部要求定制的阵列孔径具有特定的“射频个性”，以支持在适当功率的放大、干扰管理的过滤和需要额外元素数量时的模拟子阵列方面的特定任务要求。尽管DREX后端有能力，这些定制孔径的成本和制造时间表往往与部署下一代阵列的模块化和操作相关性相抵触。2018年10月，DARPA微系统技术办公室（MTO）对外发布ACT-IV PUCK 孔径信息征询书，寻求有关相控阵孔径设计和制造方法的信息，以减少非重复工程(NRE)成本，使美国国防部能够实现硬件资产的可重新配置、可编程和软件定义功能的全部影响和性能（ACT项目也于该年结束）。 

经过多年研发，今天（9月1日），美国国防高级研究计划局（DARPA）对外宣布在其“商业时标阵列--集成与验证”（ACT-IV）项目下开发的首个传感器系统已过渡到美国空军研究实验室（AFRL）以继续推进研究和实验。诺斯罗普·格鲁曼公司是ACT-IV项目的主要研究团队，促进了先进的数字有源电子扫描阵列（AESA）向俄亥俄州代顿市的莱特·帕特森空军基地的过渡。据DARPA战略技术办公室（STO）负责ACT-IV的项目经理汤姆·朗多（Tom Rondeau）介绍说：“通过ACT-IV项目，我们能够实现ACT的愿景，开发一个具有ACT通用模块的先进传感器系统。由此产生的系统经过了广泛的测试和演示，以验证其能力，证明了第六代阵列具有可扩展、可定制的核心，可以在不同的应用空间工作。将ACT-IV系统移交给AFRL将使我们能够继续探索满足国防需求的数字、多功能射频技术。”

诺斯罗普·格鲁曼公司在马里兰州林西克姆的公司雷达靶场为AFRL和DARPA测试其在“商业时标阵列--集成与验证”（ACT-IV）项目下开发的阵列数字AESA系统

ACT-IV是一个新型多功能AESA系统，能够在不同模式下同时执行不同的操作，如雷达、电子战（EW）和通信功能。该系统的核心是一个先进的用商业硅制造的半导体装置（或称通用模块）。除了ACT模块外，ACT-IV系统还采用了一个计算模型，能够有效地接收和计算每个模块产生的大量输入数据。

ACT-IV项目的另一个关键方面是建立一个第三方开发者社区，以便能够继续使用和推进这些技术。来自政府研究实验室和大学附属研究中心的团队开发了一个课程和培训计划，为开发者和研究人员提供了必要的知识和技术，以继续推进ACT-IV项目的工作。不断增长的社区已经产生了一些工具和应用，包括用于射频相控阵的更敏捷的软件开发模型。对此，AFRL传感器局ACT-IV项目负责人吴培安（Bae-Ian Wu）博士表示：“这次交付是AFRL、DARPA和诺斯罗普·格鲁曼公司团队紧密合作的结晶。ACT-IV系统正准备由AFRL传感器局进行初步测试，作为一项战略投资的一部分，在一个开放的架构环境中为更大的国防部社区开发和测试多功能数字相控阵系统的技术。”

在莱特·帕特森空军基地，ACT-IV系统将成为美国国防部（DoD）范围内的资产，用于测试和实验新模式的雷达、通信、传感和电子战。该项目开发的软件、算法和能力也将过渡到下一代多功能射频系统，以支持先进的国防发展计划和未来的开放架构环境。

ACT-IV系统（右上角）安装在美国空军研究实验室（AFRL）传感器局微波暗室的自动测试夹

数字AESA的灵活性在诺斯罗普-格鲁曼公司测试场的多次演示中得到了证明，它将使未来的作战人员能够快速适应新的威胁，控制电磁波谱，并连接到战术网络，以支持分布式作战。。对此，诺斯罗普·格鲁曼公司多功能系统业务总监威廉·菲利普斯（William Phillips）表示：“ACT-IV系统的开发是AESA性能的一个突破，标志着国家向数字可重复编程的多功能射频（RF）系统过渡的一个重要里程碑。新的ACT-IV能力具有挫败复杂新兴威胁的敏捷性，并将用于增强我们目前数字AESA产品管道中的下一代集成电路和AESA。”

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