面向多功能射頻的綜合射頻前端技術(shù)研究?

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的演化和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種作戰(zhàn)平臺(tái)面臨的威脅日益增多。為提高戰(zhàn)場(chǎng)生存率,機(jī)載、艦載等作戰(zhàn)平臺(tái)必須配備越來越多的電子系統(tǒng),使得平臺(tái)同時(shí)具備雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信導(dǎo)航識(shí)別等多種能力。在保障雷達(dá)設(shè)備安全和正常工作的同時(shí),借助通信設(shè)備傳遞信息和情報(bào),使用電子對(duì)抗設(shè)備監(jiān)視電磁環(huán)境、截獲信息、識(shí)別威脅、發(fā)出告警、干擾敵方武器系統(tǒng)[1-2]。

在作戰(zhàn)平臺(tái)上,上述多種電子系統(tǒng)如采取簡(jiǎn)單疊加、自成系統(tǒng)的形式,平臺(tái)上的天線數(shù)目將越來越多,各電子系統(tǒng)存在融合程度不夠、電磁干擾嚴(yán)重等問題。以機(jī)載平臺(tái)為例,現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信設(shè)備如通過窄帶天線滿足各自特定的功能或波形,則一般需要配備50～70個(gè)天線,美國(guó)第四代戰(zhàn)機(jī)F-22按常規(guī)需要60多根天線。這不僅為裝載空間有限、功耗重量要求嚴(yán)格的機(jī)載、艦載平臺(tái)帶來不堪承受的重負(fù);而且削弱了作戰(zhàn)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力,增加了雷達(dá)目標(biāo)反射面積,降低了現(xiàn)代電磁環(huán)境中的抗干擾能力和現(xiàn)代武器裝備系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

因此,為解決作戰(zhàn)平臺(tái)在裝備多種電子系統(tǒng)時(shí)面臨的諸多矛盾,多功能綜合射頻系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,且日益成為未來戰(zhàn)場(chǎng)電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。此種多功能綜合射頻系統(tǒng)基于綜合射頻前端這一共用的射頻硬件平臺(tái),通過軟件編程、動(dòng)態(tài)配置使系統(tǒng)具備雷達(dá)、電子戰(zhàn)或通信等多種不同的功能。

1 多功能綜合射頻系統(tǒng)的概念、發(fā)展與組成

多功能綜合射頻系統(tǒng),是通過分布式寬帶多功能孔徑,采用模塊化、開放式、可重構(gòu)的射頻系統(tǒng)體系架構(gòu),基于功能控制與資源管理調(diào)度算法,同時(shí)(或分時(shí))實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)或通信等多種功能[3]。

由于多功能綜合射頻系統(tǒng)具有的潛在優(yōu)勢(shì), 20世紀(jì)80年代以來即在全球得到了蓬勃發(fā)展。為了解決艦艇頂部天線數(shù)量不斷增長(zhǎng)等問題,美國(guó)海軍資助了艦用先進(jìn)多功能射頻概念(AMRFC)等項(xiàng)目,旨在將雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信組合成一套共享的陣列天線、信號(hào)處理與顯示硬件的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)艦艇多種功能的綜合一體化,如圖1所示。

圖1 AMRFC的期望實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)航空電子系統(tǒng),目前已誕生以“寶石柱”和“寶石臺(tái)”為代表的一體化大系統(tǒng),并且正在向綜合化、信息化、模塊化和智能化方向發(fā)展。其中,“寶石臺(tái)”航電系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示?；凇皩毷_(tái)”計(jì)劃的F-35戰(zhàn)斗機(jī)多功能綜合射頻系統(tǒng)被認(rèn)為是居于世界領(lǐng)先水平。在F-35戰(zhàn)機(jī)上,多功能綜合射頻系統(tǒng)主要通過數(shù)據(jù)融合、信息融合和天線孔徑予以實(shí)現(xiàn)。許多雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)功能從硬件的配置中消失,而這些功能的獲取通過加載不同的軟件實(shí)現(xiàn)[4]。

多功能綜合射頻系統(tǒng)能夠以有限的空間實(shí)現(xiàn)多種功能,具有控制功耗、抑制干擾、降低成本等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)應(yīng)功能的劃分,多功能綜合射頻系統(tǒng)主要由綜合射頻前端、綜合處理單元和綜合管理系統(tǒng)三大部分組成,典型組成架構(gòu)如圖3所示。

圖2 “寶石臺(tái)”航電系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 多功能綜合射頻系統(tǒng)的典型組成架構(gòu)

其中,綜合射頻前端是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信或電子戰(zhàn)等多種功能一體化的關(guān)鍵?；诰C合射頻前端的設(shè)計(jì)方式,有利于結(jié)合實(shí)際軍事應(yīng)用需求,統(tǒng)一規(guī)劃射頻設(shè)備的功能,將多個(gè)任務(wù)電子系統(tǒng)的射頻前端盡可能多地共用,達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)組成、共用信息平臺(tái)的目的。

2 綜合射頻前端

綜合射頻前端的設(shè)計(jì)方式指:在頻域上通過收發(fā)通道的共用,實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同收發(fā)頻段的覆蓋,有效地降低重量和成本;在時(shí)域上通過時(shí)序的合理調(diào)配或輔以相應(yīng)的電磁兼容設(shè)計(jì),完成同時(shí)或分時(shí)多種任務(wù)和多種角色的切換;在空域上通過天線的共孔徑或?qū)拵Ъ夹g(shù),完成射頻孔徑的完全或局部綜合,在提升天線孔徑利用率的同時(shí)支撐多功能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

按照功能的劃分和模塊的組成情況,綜合射頻前端的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)方面,即射頻孔徑綜合、射頻通道綜合和頻率源綜合,其基本架構(gòu)如圖4所示。射頻孔徑綜合即多個(gè)功能共享或共用一個(gè)天線孔徑;射頻通道綜合即多個(gè)功能共用一個(gè)射頻收發(fā)硬件平臺(tái);頻率源綜合即本振、時(shí)鐘或發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的綜合。本文將重點(diǎn)對(duì)射頻孔徑綜合和射頻通道綜合進(jìn)行介紹。

圖4 綜合射頻前端的架構(gòu)

3 射頻孔徑綜合

3.1 射頻孔徑綜合的概念

射頻孔徑綜合是利用天線的共孔徑技術(shù)或?qū)拵Ъ夹g(shù),按照空域、頻域、時(shí)域、調(diào)制域等諸多方面的要求,考慮其在功能、工作方式、工作頻段、覆蓋空域、工作時(shí)段、調(diào)制方式、極化方式、低RCS、載體適裝性等方面的特性,對(duì)各類天線進(jìn)行整合,最大限度壓縮天線數(shù)量,使其成為共享的射頻孔徑,集中實(shí)現(xiàn)包括雷達(dá)、通信或電子戰(zhàn)等多種設(shè)備功能的空間電磁波能量和高頻電磁波能量之間的轉(zhuǎn)換,并最大限度地發(fā)揮其功能和效率,最終達(dá)到天線孔徑綜合利用的目的[5-6]。

對(duì)于機(jī)載、艦載和彈載等空間緊張、質(zhì)量要求高的安裝平臺(tái),如果天線種類和數(shù)量很多,天線之間不僅可能產(chǎn)生電磁耦合,而且天線的電磁場(chǎng)散射將破壞彼此的隔離度,進(jìn)而干擾較為敏感的接收設(shè)備。應(yīng)用射頻孔徑綜合技術(shù),將功能單一的射頻孔徑發(fā)展為多功能的射頻孔徑,不僅天線更少、更集中,更有利于武器裝備整體的資源分配和隱身設(shè)計(jì),而且提高了射頻綜合配置管理和平臺(tái)天線的電磁兼容性,消除了天線數(shù)量過多導(dǎo)致的不利影響。

3.2 一種實(shí)現(xiàn)射頻孔徑綜合的參考模式

射頻孔徑綜合主要體現(xiàn)為多頻段多極化共孔徑天線、超寬帶天線及可重構(gòu)天線等。結(jié)合多功能一體化的應(yīng)用需求,本文介紹一種L/C波段雙頻段雙極化共孔徑微帶天線陣的實(shí)現(xiàn),其基本指標(biāo)如表1所示。

表1 L/C波段雙頻段雙極化天線基本指標(biāo)

對(duì)單個(gè)天線而言,表1中的各項(xiàng)指標(biāo)要求較易實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于共孔徑天線,由于天線的相互影響降低了性能,故指標(biāo)難以達(dá)到要求。通過分析可知,L波段與C波段中心頻率比約為1∶4,L波段貼片相對(duì)C波段比較大,當(dāng)天線使用同一個(gè)口徑輻射時(shí),面積較大的L波段貼片勢(shì)必阻礙C波段貼片的輻射。此外,兩個(gè)頻段饋電網(wǎng)絡(luò)的互擾及所產(chǎn)生的寄生輻射問題,也使得天線性能惡化。

針對(duì)遮擋問題,此天線在設(shè)計(jì)中采用了在L波段貼片開孔的方案。兩個(gè)波段的貼片位于同一層微帶上,每個(gè)L波段貼片的面積約為4個(gè)C波段貼片面積,將L波段貼片設(shè)計(jì)成“田”字形,4個(gè)空隙處放置4個(gè)C波段貼片,解決了兩個(gè)頻段天線之間的輻射遮擋問題。

饋線影響也是共孔徑天線不可忽視的問題,共孔徑天線的饋電網(wǎng)絡(luò)往往較密集,饋線本身易產(chǎn)生寄生輻射,兩個(gè)頻段的饋線也將相互干擾。針對(duì)饋線影響問題,此天線利用口徑耦合饋電,將C波段饋線放置于反射地板下方,從而大大減小饋線的輻射。L波段的饋線放置于反射地板上方的薄介質(zhì)板上,也有效地將L波段饋線的輻射抑制在可以接受的范圍內(nèi)。L、C兩個(gè)波段的饋線通過分隔在反射地板的上下兩面,減少了兩個(gè)波段饋線網(wǎng)絡(luò)的相互干擾。

此外,為了獲得好的交叉極化性能,天線各個(gè)部分必須保持很好的對(duì)稱性,尤其在饋電方式上。此天線L波段開孔貼片采用鄰近耦合饋電;C波段采用完全對(duì)稱的口徑進(jìn)行耦合,在開縫的另一端開對(duì)稱的“偽槽”以獲得好的交叉極化。設(shè)計(jì)完成的L/C波段雙頻段雙極化共孔徑微帶天線陣,如圖5所示。

圖5 L/C波段雙頻段雙極化共孔徑微帶天線陣

通過分析此天線的實(shí)現(xiàn)方式可知,在設(shè)計(jì)共孔徑天線時(shí),需根據(jù)指標(biāo)要求進(jìn)行頂層規(guī)劃,確定不同頻段天線的排布方式及位置,充分考慮天線孔徑分布的不均勻性和柵瓣問題,根據(jù)天線排布確定天線單元及饋電網(wǎng)絡(luò)形式,并在此基礎(chǔ)上對(duì)天線進(jìn)行整體優(yōu)化。

4 射頻通道綜合

4.1 射頻通道綜合的概念

射頻通道部分是指處于天線和綜合處理單元之間的一些支撐電子電路,包括模擬電路和數(shù)字電路。射頻通道綜合是在分析雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信所占用頻段的基礎(chǔ)上,把各電子系統(tǒng)的收發(fā)、預(yù)處理等功能重新劃分和組合,采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法,將射頻通道盡可能多地共用,構(gòu)建具有資源共享、可重構(gòu)和通用化等特征的射頻收發(fā)系統(tǒng)。根據(jù)信號(hào)形式,射頻通道綜合分為模擬部分、數(shù)字部分和模數(shù)部分復(fù)用三種情況。

傳統(tǒng)的射頻收發(fā)系統(tǒng)一般采用單一化的設(shè)計(jì)思想,即各任務(wù)電子系統(tǒng)的射頻收發(fā)功能由一些分立的、具有不同功能和覆蓋不同頻段的設(shè)備完成。這將導(dǎo)致作戰(zhàn)平臺(tái)上存在多個(gè)相互獨(dú)立的射頻收發(fā)系統(tǒng),彼此之間不僅爭(zhēng)奪平臺(tái)有限的能源和空間,而且電磁兼容問題比較突出。如果采用射頻通道綜合的設(shè)計(jì)方式,射頻收發(fā)系統(tǒng)將融合多個(gè)電子系統(tǒng)的部分或全部,打破原先硬件配置中的界線,轉(zhuǎn)而通過系統(tǒng)軟件的控制管理實(shí)時(shí)或分時(shí)完成各種作戰(zhàn)任務(wù)。此舉不僅降低了系統(tǒng)的體積、重量和功耗,而且較大改善了可靠性、維修性和擴(kuò)充性。

4.2 一種實(shí)現(xiàn)射頻通道綜合的參考模式

結(jié)合雷達(dá)和通信功能一體化的應(yīng)用需求,本文介紹一種S波段雷達(dá)通信一體化數(shù)字陣列模塊(DAM)的設(shè)計(jì),基于分時(shí)體制實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)字化收發(fā)和通信數(shù)字化收發(fā)功能。在降低系統(tǒng)體積、重量和功耗的同時(shí),設(shè)計(jì)中還兼顧了模塊劃分和集成方式對(duì)可重構(gòu)和可擴(kuò)展能力的影響。其功能組成框圖如圖6所示。

圖6 一體化DAM功能組成框圖

雷達(dá)-通信一體化數(shù)字陣列模塊采用中頻采樣方式,其內(nèi)部主要由如下單元組成:

1)一體化射頻收發(fā)單元

一體化DAM共集成了8個(gè)一體化射頻收發(fā)單元,其功能組成框圖如圖7所示,主要完成雷達(dá)和通信發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的頻率變換、功率放大;完成雷達(dá)回波信號(hào)和通信信號(hào)的低噪聲接收、頻率變換等功能。

圖7 一體化射頻收發(fā)單元組成框圖

在設(shè)計(jì)中,由于雷達(dá)和通信電子系統(tǒng)對(duì)各自信號(hào)指標(biāo)的要求不同,發(fā)射時(shí)在滿足雷達(dá)飽和功率輸出的同時(shí),對(duì)于通信進(jìn)行回退,使得功率放大器工作在線性區(qū),保證了通信所需的較高線性度。對(duì)于變頻電路,一體化DAM采用有源混頻方式,增益控制電路也集成于其中。

2)一體化數(shù)字收發(fā)單元

一體化數(shù)字收發(fā)單元,包括一體化數(shù)字接收機(jī)、數(shù)字波形產(chǎn)生和光電轉(zhuǎn)換模塊,集成在一塊數(shù)字電路板中,實(shí)現(xiàn)8通道雷達(dá)和通信中頻激勵(lì)信號(hào)的數(shù)字波形產(chǎn)生、8通道雷達(dá)回波信號(hào)和通信信號(hào)的數(shù)字接收下變頻、數(shù)據(jù)的高速傳輸功能,其功能組成框圖如圖8所示。

圖8 一體化數(shù)字收發(fā)單元組成框圖

射頻通道綜合作為實(shí)現(xiàn)多功能綜合射頻系統(tǒng)的核心,在設(shè)計(jì)中需要考慮雷達(dá)、電子戰(zhàn)或通信等多種功能模式對(duì)戰(zhàn)技指標(biāo)的要求。因?yàn)锳DC、DA和寬帶模擬器件水平的限制,多種功能模式難以同時(shí)獲得較高性能,所以在設(shè)計(jì)中需要區(qū)分主輔功能,在優(yōu)先保證主要功能的同時(shí)最優(yōu)化其他功能。

5 結(jié)束語

綜合射頻前端是實(shí)現(xiàn)多功能綜合射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文在介紹多功能綜合射頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)綜合射頻前端的概念和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了分析,并重點(diǎn)描述了射頻孔徑綜合和射頻通道綜合兩種方式。隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)集成技術(shù)的飛速發(fā)展,多功能綜合射頻系統(tǒng)已成為一種發(fā)展趨勢(shì),綜合射頻前端更將凸顯其重要性。

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