一種S波段多功能綜合射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王才華，張德智，方南軍，陳利杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088)

一種S波段多功能綜合射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王才華，張德智，方南軍，陳利杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088)

提出了一種新型的基于數(shù)字陣列雷達(dá)體制的S波段多功能射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。介紹了該多功能射頻系統(tǒng)的頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)，列出了各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)，給出了S波段多功能綜合試驗(yàn)系統(tǒng)研制實(shí)例。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)后續(xù)多功能射頻系統(tǒng)工程研制具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

綜合射頻；多功能；數(shù)字陣列；S波段

0 引 言

傳統(tǒng)意義上的雷達(dá)、電子偵察/電子干擾、通信等任務(wù)電子系統(tǒng)均由獨(dú)立的射頻系統(tǒng)完成，其要求不完全相同，各有側(cè)重點(diǎn)。一般而言，雷達(dá)、電子偵察、電子干擾、通信系統(tǒng)對(duì)射頻系統(tǒng)的具體要求如表1所示。

表1 不同任務(wù)系統(tǒng)對(duì)射頻系統(tǒng)的主要要求

近年來，逐漸地將傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單個(gè)任務(wù)功能的射頻系統(tǒng)進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)，采用一套射頻硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多種射頻功能，即多功能綜合射頻系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心思想是采用寬帶多功能射頻有源天線孔徑，綜合的開放式信號(hào)處理軟件架構(gòu)，靈活的資源調(diào)度與管理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航等多種射頻功能。它的最終目標(biāo)是采用一套復(fù)合功能的寬帶硬件系統(tǒng)，通過靈活的軟件配置組合，達(dá)到硬件平臺(tái)統(tǒng)一、軟件定義功能的目的。

由于多功能綜合射頻的諸多優(yōu)勢(shì)和潛在能力，世界各國(guó)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，自上世紀(jì)80年代就開始了系列研究。以美軍為例，首先是美海軍最早開始資助多功能射頻系統(tǒng)研究，從多功能射頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(AMRFC)[1]開始，到集成桅桿(INTOP)計(jì)劃，目前已經(jīng)裝備在DDG1000集成上層建筑上。在AMRFC試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)架中，通過一個(gè)共用的孔徑來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信系統(tǒng)的共用工作，在1～20 GHz范圍內(nèi)高低兩頻段分別實(shí)現(xiàn)，收發(fā)天線陣面分離以提高隔離，寬帶/窄帶數(shù)字接收機(jī)分離，窄帶數(shù)字波束形成(接收)，寬帶模擬波束形成，屬傳統(tǒng)的模擬相控陣?yán)走_(dá)體制。系統(tǒng)組成功能框圖如圖1所示。

圖1 美軍多功能射頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(AMRFC)

為解決第3代戰(zhàn)斗機(jī)綜合航空電子系統(tǒng)存在的問題，美空軍在研制F-22飛機(jī)和F-35飛機(jī)等第4代戰(zhàn)斗機(jī)的過程中進(jìn)行了“寶石柱”(Pave Pillar)和“寶石臺(tái)”(Pave Pace)[1]等綜合航電發(fā)展計(jì)劃。目前，F(xiàn)-35中已經(jīng)采用了綜合射頻孔徑的集成雷達(dá)、通訊、導(dǎo)航、電子戰(zhàn)等功能的電子系統(tǒng)。其中，寶石臺(tái)(PAVE PACE)接收和發(fā)射采用通用化模塊構(gòu)建，前端采用寬帶的收發(fā)基本模塊，后端根據(jù)任務(wù)與頻率的不同采用寬帶矩陣開關(guān)和公用IF開關(guān)分時(shí)實(shí)現(xiàn)不同功能模式下的頻率變換與數(shù)字化。其射頻系統(tǒng)原理概念架構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 美軍“寶石臺(tái)”(PAVE PACE)綜合射頻系統(tǒng)構(gòu)架

國(guó)內(nèi)在多功能綜合射頻系統(tǒng)方面的的研究也日益增多。下面介紹一種新型的基于數(shù)字陣列體制的多功能綜合射頻系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字陣列雷達(dá)[2]是近年來發(fā)展迅速的一種新型相控陣?yán)走_(dá)，其核心內(nèi)涵是接收和發(fā)射波束均以數(shù)字方式來實(shí)現(xiàn)。基本原理是發(fā)射波束利用DDS器件的高精度幅相控制能力，將波形產(chǎn)生和發(fā)射信號(hào)幅相控制融為一體設(shè)計(jì)，通過控制數(shù)字波形的相位和幅度來實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束的空間調(diào)控；接收波束則是在中頻回波數(shù)字化之后，在數(shù)字域進(jìn)行幅相加權(quán)?；谑?發(fā)全DBF設(shè)計(jì)思想的新型相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)具有數(shù)字化、模塊化、可擴(kuò)充等優(yōu)良特性，有著非常好的應(yīng)用前景。它不僅具有常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)的所有優(yōu)良性能，同時(shí)具有更大的波束調(diào)度靈活性、更好的抗有源干擾性能。

將數(shù)字陣列雷達(dá)體制和綜合射頻系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，將具有非常強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。整個(gè)系統(tǒng)的原理構(gòu)架非常簡(jiǎn)單，由“數(shù)字化高集成有源陣面+高速光纖傳輸+高性能計(jì)算”構(gòu)成。一種新型的基于數(shù)字陣列體制的綜合射頻系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于數(shù)字陣列體制的綜合射頻系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)具備以下一些特征：

(1) 采用多功能共用硬件模塊

雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)基于同一套寬帶天線和寬帶多功能數(shù)字陣列模塊。

(2) 硬件和軟件均采用開放式結(jié)構(gòu)

硬件開放式結(jié)構(gòu)指的是硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用按層次劃分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各層次之間的連接采用標(biāo)準(zhǔn)的接口，滿足可擴(kuò)展和易維護(hù)的需求。軟件開放式結(jié)構(gòu)指的是軟件采用功能模塊化設(shè)計(jì)，通過不同的功能模塊組合形成不同的系統(tǒng)功能。軟件模塊之間的連接也采用標(biāo)準(zhǔn)接口，以便將來軟件模塊的調(diào)試和擴(kuò)展。

2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 寬帶天線設(shè)計(jì)

在多功能綜合射頻系統(tǒng)中，天線設(shè)計(jì)應(yīng)滿足寬頻帶、寬波束等特點(diǎn)。一般目前在S波段多功能綜合射頻系統(tǒng)中天線設(shè)計(jì)方面有以下初步考慮，具體設(shè)計(jì)形式結(jié)合系統(tǒng)指標(biāo)情況確定。

(1) 天線單元

可應(yīng)用于寬角掃描的寬帶天線單元形式，目前主要有微帶振子天線、漸變槽線天線(Vivaldi)等。在設(shè)計(jì)時(shí)，先確定基本的單元形式，再結(jié)合具體的信號(hào)帶寬、掃描等要求，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)相對(duì)頻帶寬度要求較高，而漸變槽線天線(Vivaldi)是一種寬頻帶、高增益天線，因此本系統(tǒng)天線單元形式采用Vivaldi天線。

(2) 天線布陣

S波段雷達(dá)系統(tǒng)中常采用平面相控陣天線，其陣面經(jīng)常采用的兩種組成方式為矩形柵格和三角形柵格。矩形柵格由于組陣方式較為簡(jiǎn)單，天線波瓣特性較好且饋電簡(jiǎn)單，因此被廣泛采用。而三角形柵格布陣采用可少量減少天線輻射單元數(shù)(相對(duì)于矩形柵格組陣而言)及相應(yīng)的信號(hào)通道數(shù)，從而節(jié)約系統(tǒng)成本，在兩維大角度掃描的大型二維有源相控陣系統(tǒng)中采用較多。在滿足系統(tǒng)指標(biāo)情況下，從節(jié)省系統(tǒng)成本角度出發(fā)，本系統(tǒng)天線布陣形式采用三角形柵格布陣。

(3) 校正方式

校正方式一般分為外校正和內(nèi)校正。外校正是指通過外場(chǎng)耦合方式輸入校正信號(hào)的系統(tǒng)校正方法。這類方法的優(yōu)點(diǎn)是無需復(fù)雜的校正耦合網(wǎng)絡(luò)，校正系統(tǒng)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境要求較高，校正精度受外界環(huán)境的影響較大。內(nèi)校正是指通過置于天線陣的校正耦合通道內(nèi)輸入校正信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)校正的方法。其優(yōu)點(diǎn)受外界環(huán)境影響小，狀態(tài)固定，校正精度高，而缺點(diǎn)是需要相對(duì)較為復(fù)雜的校正饋電網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)需要具備高機(jī)動(dòng)性要求，工作環(huán)境較為復(fù)雜，因此綜合考慮后，確定采用內(nèi)校正方式。

2.2 寬帶多功能DAM設(shè)計(jì)

數(shù)字陣列模塊[3](簡(jiǎn)稱“DAM”)是一種多通道的數(shù)字T/R組件，是系統(tǒng)中的核心部件之一，在系統(tǒng)中可靈活擴(kuò)充。DAM完成的主要功能是：

(a) 數(shù)字化接收。一般包括雷達(dá)多通道射頻回波的低噪聲放大、下變頻、濾波、A/D變換、數(shù)字正交解調(diào)等功能；

(b) 數(shù)字化發(fā)射。一般包括雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的數(shù)字波形產(chǎn)生、幅度控制、相位控制、上變頻、濾波、功率放大等功能；

(c) 數(shù)據(jù)預(yù)處理。具有多通道收發(fā)信號(hào)數(shù)字域預(yù)處理的功能，一般包括數(shù)字濾波、接收/發(fā)射信號(hào)失真補(bǔ)償?shù)裙δ埽?/p>

(d) 數(shù)據(jù)傳輸。具有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編/解碼并采用光纖等傳輸技術(shù)與雷達(dá)間進(jìn)行信息交互的功能，一般包括控制命令字、數(shù)字化回波、模塊工作狀態(tài)等信息交互功能。

DAM中數(shù)字化收發(fā)通道的典型功能組成如圖4所示。

圖4 DAM數(shù)字化收發(fā)通道功能原理框圖

在多功能射頻系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)多種功能，在DAM設(shè)計(jì)中重點(diǎn)采用以下設(shè)計(jì)技術(shù)：

(1) 雷達(dá)通信發(fā)射鏈路兼容設(shè)計(jì)

針對(duì)通道發(fā)射鏈路，在雷達(dá)發(fā)射工作模式時(shí)，要求高效率大功率，單脈沖工作狀態(tài)；而對(duì)通信上行工作模式，要求高線性低失真，保證系統(tǒng)誤碼率，發(fā)射鏈路工作在連續(xù)波狀態(tài)。因此，關(guān)鍵的功率放大模塊需按照上述要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2) 開放式波形產(chǎn)生設(shè)計(jì)

多功能射頻系統(tǒng)一般為雷達(dá)、通信及電子戰(zhàn)一體化的系統(tǒng)，因此任意波形產(chǎn)生設(shè)計(jì)是大概率需要采用的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字波形產(chǎn)生技術(shù)一般可以分為直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)和數(shù)字上變頻(DUC)技術(shù)兩種。兩種技術(shù)都各有特點(diǎn)，建議波形產(chǎn)生采用DDS與DUC相結(jié)合技術(shù)。根據(jù)不同任務(wù)需求，參數(shù)化的波形通過DDS產(chǎn)生，非參數(shù)化的波形采用DUC方式產(chǎn)生，數(shù)字濾波、數(shù)字時(shí)延及數(shù)字混頻等參數(shù)可動(dòng)態(tài)配置，以任意波形信號(hào)適應(yīng)各種電子任務(wù)系統(tǒng)的要求。

2.3 頻率源及功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

頻率源為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，同時(shí)為DAM提供所需的采樣時(shí)鐘及本振信號(hào)。一般來講，系統(tǒng)中包含多個(gè)DAM，而系統(tǒng)中的頻率源基本上為一套，因此需要對(duì)頻率源的輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆⒐Ψ衷O(shè)計(jì)，以滿足陣面的時(shí)鐘、本振信號(hào)需求。一種典型的頻率源及其功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原理框圖如圖5所示。

圖5 頻率源及其功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)典型原理框圖

采用一套頻率源輸出，先進(jìn)行集中式的功率放大，再進(jìn)行相應(yīng)的多路無源功分，滿足陣面各設(shè)備的時(shí)鐘、本振功率需求，同時(shí)還可保證相控陣系統(tǒng)各分系統(tǒng)的相參性，以及多路單元間的幅相一致性。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)研制

該S波段多功能綜合射頻試驗(yàn)系統(tǒng)采用數(shù)字陣列體制。陣面由128個(gè)天線組成，采用16行8列方式排布。天線單元通過高穩(wěn)定度射頻電纜連接到16個(gè)8通道多功能寬帶DAM。饋線部分還包括校正網(wǎng)絡(luò)。射頻前端后接DBF分機(jī)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)功能。圖6為S波段多功能綜合射頻試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。

圖6 S波段多功能綜合射頻試驗(yàn)系統(tǒng)示意

在設(shè)計(jì)時(shí)，把有源天線部分集成為綜合射頻前端子陣。該系統(tǒng)包含2個(gè)綜合射頻前端子陣，每個(gè)子陣為8*8的綜合射頻前端，包括天線單元、校正網(wǎng)絡(luò)、DAM、功分網(wǎng)絡(luò)、射頻盲配轉(zhuǎn)接等。8*8綜合射頻子陣內(nèi)部通過集成式水道，從側(cè)壁將冷卻液引到水分配器實(shí)現(xiàn)DAM的冷卻。圖7為8*8綜合射頻子陣分層示意圖。圖8為8*8綜合射頻子陣集成示意圖。

圖7 8*8綜合射頻子陣分層示意

圖8 8*8綜合射頻子陣集成示意

該系統(tǒng)的后端處理完全基于高性能服務(wù)器硬件平臺(tái)，通過軟件實(shí)現(xiàn)。將射頻前端回波的I/Q數(shù)據(jù)完全傳輸?shù)礁咝阅苡?jì)算平臺(tái)進(jìn)行處理。在對(duì)寬帶數(shù)字波束形成(DBF)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)不同的工作模式特點(diǎn)以及指標(biāo)需求確定波束個(gè)數(shù)以及數(shù)據(jù)率。圖9系統(tǒng)信號(hào)傳輸處理框架示意圖。

圖9 系統(tǒng)信號(hào)傳輸處理框架示意

該S波段多功能射頻試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

● 工作頻段：S波段

● 陣面規(guī)模：16*8

● 極化方式：水平極化

● 信號(hào)最大瞬時(shí)帶寬：200 MHz

● 雷達(dá)模式：

? 接收噪聲系數(shù)：≤3 dB

? 接收線性動(dòng)態(tài)：≥60 dB(10 MHz)

? 發(fā)射單元輸出功率：≥100 W(脈沖)

? 信號(hào)形式：LFM/NLFM/相位編碼

● 通信模式：

? 調(diào)制方式：BPSK

? 發(fā)射單元輸出功率：≥10 W(連續(xù))

? 通信距離：≥300 km

● 電子戰(zhàn)模式：

? 偵察靈敏度：≤-92 dBm

? 干擾樣式：壓制干擾、欺騙干擾、組合干擾

? 干擾距離：≥100 km。

該S波段多功射頻系統(tǒng)主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如圖10～圖14所示。

圖11 瞬時(shí)帶寬200 MHz

圖12 單元輸出功率(雷達(dá)/脈沖)

圖13 單元輸出功率(通信/連續(xù)波)

圖14 接收線性動(dòng)態(tài)

4 結(jié)束語

近些年，多功能綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，已得到廣泛學(xué)者研究關(guān)注。本文不僅提出了一種基于數(shù)字陣列體制的S波段綜合射頻系統(tǒng)其頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)，以及各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)用于工程研制，開發(fā)了小陣試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行成功驗(yàn)證。這對(duì)后續(xù)多功能射頻系統(tǒng)工程研制具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 徐艷國(guó)，胡學(xué)成.綜合射頻技術(shù)及其發(fā)展[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009(6)：551-559.

[2] 吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)展與構(gòu)想[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2008(6)：401-403.

[3] 王才華，張德智，張衛(wèi)清. 一種S波段數(shù)字陣列模塊的研制[J].雷達(dá)與對(duì)抗，2014(4)：54-58.

Design of an S-band multifunction integrated RF system

WANG Cai-hua, ZHANG De-zhi, FANG Nan-jun, CHEN Li-jie

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

A new S-band multifunction integrated RF system is designed based on the digital array radar system. The top architecture design of the system is introduced, and the design considerations of each subsystem are discussed. Finally, a development example of the S-band multifunction integrated RF system is given. The design of the system has some guidance and reference for the subsequent engineering development of the multifunction RF system, with a wide range of applications.

integrated RF; multifunction; digital array; S band

TP957

A

1009-0401(2017)04-0030-05

2017-09-11；

2017-10-20

王才華(1982-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)微波系統(tǒng)、數(shù)字陣列模塊DAM；張德智(1970-)，男，研究員，研究方向：雷達(dá)微波系統(tǒng)、數(shù)字陣列模塊DAM及T/R組件；方南軍(1964-),男，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)微波系統(tǒng)、數(shù)字陣列模塊DAM；陳利杰(1986-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：數(shù)字化收發(fā)系統(tǒng)、微系統(tǒng)集成。