相控陣?yán)走_(dá)多功能射頻與微波設(shè)計

， ，

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

0 引言

隨著戰(zhàn)場對抗形勢的變化以及新材料、新器件、新工藝技術(shù)的發(fā)展，各種作戰(zhàn)裝備、平臺面臨的威脅日益增多，其工作的電磁環(huán)境也逐漸復(fù)雜。為提高生存率和突防率，作戰(zhàn)裝備不得不配備越來越多的電子設(shè)備,特別是機(jī)動平臺，如戰(zhàn)機(jī)、戰(zhàn)艦、導(dǎo)彈等常常需要同時裝備雷達(dá)、光電、通信和電子戰(zhàn)等電子設(shè)備。與此同時,各種電子設(shè)備的增加消耗了大量的能源，占據(jù)了更多的空間，增加了體積、重量和雷達(dá)反射截面積，相互干擾嚴(yán)重，降低了武器裝備系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)效能。作為應(yīng)用于多種平臺的重要軍事裝備，相控陣?yán)走_(dá)朝著更多功能、更高集成、更高性能、更低成本的方向發(fā)展[1-4]。多功能綜合射頻采用異構(gòu)集成技術(shù)[5]，將GaN，InP，SiGe，AlN等復(fù)合材料進(jìn)行微系統(tǒng)高密度集成，設(shè)計包含雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、識別等功能的綜合多功能射頻系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)性能的同時，減小了體積，降低了系統(tǒng)成本。另外，為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本、縮短系統(tǒng)研制周期，多功能綜合射頻系統(tǒng)的射頻/微波電路設(shè)計將采用開放式架構(gòu)，同時系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真設(shè)計為精確評估多功能系統(tǒng)性能，降低測試成本，以及仿真復(fù)雜電磁環(huán)境與近似實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下的系統(tǒng)性能提供了解決途徑。多功能綜合射頻、開放式架構(gòu)是相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，異構(gòu)集成、系統(tǒng)場景仿真是新的設(shè)計手段。利用先進(jìn)的設(shè)計理念與設(shè)計手段，從多功能綜合射頻、開放式架構(gòu)、異構(gòu)集成、系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真幾個方面的內(nèi)容對包含雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等多功能綜合射頻系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行敘述，供從事射頻/微波的設(shè)計者參考。

1 多功能綜合射頻

用寬帶多功能孔徑取代目前平臺上為數(shù)眾多的天線孔徑, 采用模塊化、開放式、可重構(gòu)的射頻傳感器系統(tǒng)體系架構(gòu), 并結(jié)合功能控制與資源管理調(diào)度算法、軟件, 同時實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航、識別等多種射頻功能, 這就是多功能綜合射頻技術(shù)。多功能綜合射頻技術(shù)能夠降低雷達(dá)反射面積，減小相互干擾，提高武器裝備整體作戰(zhàn)效能，而且其優(yōu)勢在于可以在有限的空間中實(shí)現(xiàn)更多的功能，并有效控制功耗，降低成本，具體體現(xiàn)如下：

1)功能拓展，全面提升整體戰(zhàn)技性能；

2)高度重用，可靠性、可維護(hù)性高；

3)降低系統(tǒng)功耗、體積、重量；

4)功能動態(tài)重構(gòu)、高度靈活、提升容錯性；

5)開放式體系架構(gòu)，便于后續(xù)升級改型，降低維護(hù)成本；

6)綜合利用數(shù)據(jù)信息，提升態(tài)勢感知和對抗能力。

美國是最早研究多功能綜合射頻的國家，如AMRFC(Advanced Multifunction Radio Frequency Concept)是由美國海軍研究署(Office of Naval Research, ONR)資助的項(xiàng)目[6]，主要是為了解決美國海軍艦艇頂部天線數(shù)量不斷增長等問題。AMRFC計劃力求為雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信功能提供一種通用寬帶有源陣列天線體系結(jié)構(gòu)，這種天線體系結(jié)構(gòu)能夠同時收發(fā)多個雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信的獨(dú)立波束。為驗(yàn)證這個新概念的可行性，美國海軍開發(fā)了AMRFC試驗(yàn)臺[7]，用以研究系統(tǒng)的一體化并進(jìn)行試驗(yàn)。

20世紀(jì)80年代，為了給航空電子系統(tǒng)提出一個統(tǒng)一的模塊化、開放式、具有良好容錯性并且高度靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，“寶石柱”(Pave Pillar)計劃應(yīng)運(yùn)而生[8]，該計劃主導(dǎo)者是美國空軍萊特實(shí)驗(yàn)室。該計劃大大提高了作戰(zhàn)飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的一體化。美國F-22戰(zhàn)機(jī)即是采用該設(shè)計規(guī)范定義的一體化航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。“寶石柱”計劃的設(shè)計規(guī)范中還使用了系統(tǒng)實(shí)時動態(tài)重構(gòu)技術(shù)，該技術(shù)是一項(xiàng)綜合電子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，可以使系統(tǒng)的性能和成本都得到很大的改進(jìn)，甚至達(dá)到最優(yōu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

20世紀(jì)90年代，美國提出了“寶石臺(Pave Pace)”計劃[9]。該計劃是“寶石柱”計劃的增強(qiáng)和拓展，與“寶石柱”計劃相比，其功能更為完善、性能更為優(yōu)良、綜合程度更高。

多功能綜合射頻通過射頻系統(tǒng)集成，共享接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和信號處理機(jī)等方式，使用盡可能少的多功能模塊構(gòu)建出兼具任務(wù)規(guī)劃的多功能綜合系統(tǒng)。多功能綜合射頻可以分為天線、射頻開關(guān)矩陣、頻率變換、DAC、ADC、頻率綜合器、波形產(chǎn)生、時間基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)開關(guān)矩陣、處理器等功能模塊。其中，天線設(shè)計將采用盡可能少的孔徑實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信及電子戰(zhàn)等功能；射頻開關(guān)矩陣模塊實(shí)現(xiàn)不同功能射頻鏈路間的切換；頻率變換、DAC、ADC模塊完成射頻鏈路的變頻、濾波及數(shù)字化；頻率綜合器、波形產(chǎn)生、時間基準(zhǔn)模塊完成系統(tǒng)基準(zhǔn)時鐘產(chǎn)生、各種功能波形產(chǎn)生及系統(tǒng)時序產(chǎn)生等功能；數(shù)據(jù)開關(guān)矩陣、處理器模塊完成不同功能數(shù)據(jù)處理模塊間的切換及各種功能的數(shù)字信號處理等功能。每個功能模塊可以按照標(biāo)準(zhǔn)化、開放式的架構(gòu)進(jìn)行研發(fā)與設(shè)計，典型的多功能綜合射頻架構(gòu)圖如圖1所示，未來多功能綜合射頻技術(shù)向?qū)掝l帶、可重構(gòu)、開放式、多功能方向發(fā)展。

圖1 多功能綜合射頻架構(gòu)圖

2 開放式系統(tǒng)架構(gòu)

開放式系統(tǒng)架構(gòu)即采用標(biāo)準(zhǔn)化的方法構(gòu)建子系統(tǒng)或系統(tǒng)裝備，對射頻/微波技術(shù)而言就是采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的方法構(gòu)建集成微波組件(IMAs-Integrated Microwave Assemblies)，滿足多個平臺使用需求。一個模塊化的、定義明確的、可擴(kuò)展的架構(gòu)可以提高技術(shù)透明度，讓多家研發(fā)單位進(jìn)行研發(fā)、設(shè)計與更新，可以加速技術(shù)推進(jìn)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，最大限度發(fā)掘不同系統(tǒng)(如雷達(dá)、電子戰(zhàn)等)之間的共性之處，大大減少系統(tǒng)全周期壽命成本。

2013年，美國國防部(DoD)提出了發(fā)展開放式系統(tǒng)架構(gòu)(OSA)的電子戰(zhàn)系統(tǒng)[10]，旨在有效利用頻譜資源，提高武器系統(tǒng)的靈活性和自適應(yīng)能力。開放式架構(gòu)從數(shù)字子系統(tǒng)的OpenVPX向微波射頻子系統(tǒng)的OpenRFM發(fā)展[11]。OpenRFM允許集成高頻接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、本振與功率放大器以及ADC與DAC等，唯一限制是滿足VITA標(biāo)準(zhǔn)的功耗。圖2、圖3為美國Mercury Systems公司開發(fā)的3U與6U OpenRFM模塊外形結(jié)構(gòu)圖。

圖2 3U OpenRFM模塊

圖3 6U OpenRFM模塊

采用開放式架構(gòu)的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)可以適應(yīng)未來集雷達(dá)、通信及電子戰(zhàn)等多功能綜合射頻系統(tǒng)的發(fā)展需求，并大大縮短系統(tǒng)的研發(fā)周期，提高系統(tǒng)的靈活性和自適應(yīng)能力，減少系統(tǒng)的體積、重量與功耗。開放式系統(tǒng)架構(gòu)提出的時間尚短，如何合理劃分模塊、子系統(tǒng)、系統(tǒng)及其集成設(shè)計是射頻/微波與相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計人員長期進(jìn)行探索的問題。

3 異構(gòu)集成

在復(fù)合半導(dǎo)體材料中，InP晶體管的fmax超過1 THz，適合應(yīng)用于超高速混合電路；如表1所示，GaN具有高的擊穿電壓，適用于高功率RF器件；SiC具有強(qiáng)的導(dǎo)熱性，適用于高功率開關(guān)；AlN可應(yīng)用于頻率選擇濾波器和時鐘參考源電路。然而硅基CMOS電路的集成度高、成本低，尤其在數(shù)字集成電路方面具有極大的技術(shù)優(yōu)勢，隨著RF CMOS與SiGe HBT技術(shù)的發(fā)展，其電路使用頻率可以達(dá)到100 GHz以上，擊穿電壓及線性度也越來越好，所以未來硅基異構(gòu)集成將發(fā)揮不同材料的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高性能、低成本、低功率耗散的綜合多功能系統(tǒng)。

表1 不同半導(dǎo)體材料特性參數(shù)表

美國國防部高級研究計劃局(DARPA)的微系統(tǒng)辦公室(MTO)正在研發(fā)革新材料、器件與集成技術(shù)，滿足先進(jìn)射頻和微波系統(tǒng)需求，其中2007年開始的COSMOS(Compound Semiconductor Materials on Silicon)工程重點(diǎn)在硅基CMOS集成及復(fù)合半導(dǎo)體技術(shù)，并獲得前所未有的電路特性水平。繼續(xù)COSMOS工程的DAHI(Diverse Accessible Heterogeneous Integration)工程，發(fā)展異構(gòu)集成，集成新興材料與器件，并應(yīng)用于下一代射頻/微波系統(tǒng)。

COSMOS工程包括應(yīng)用射頻與混合信號的InPBiCMOS集成電路技術(shù)、InP HBTs與亞微米SiCMOS技術(shù)，如采用InPBiCMOS異構(gòu)集成技術(shù)的ADC[12]集成約1 000 InP HBTs，16 000 Si HBTs和2 500 Si MOSFETs，包含1 800個InP HBT與硅基芯片之間的異構(gòu)互連，ADC芯片顯微圖如圖4所示。

圖4 COSMOS工程ADC顯微圖

2013年，DAHI工程應(yīng)運(yùn)而生，DAHI工程目標(biāo)是通過成熟、可靠的異構(gòu)集成技術(shù)能夠讓微系統(tǒng)設(shè)計者選擇合適晶體管或電路模塊構(gòu)造先進(jìn)的微系統(tǒng)。這不僅推進(jìn)了軍用微系統(tǒng)的發(fā)展，也大大促進(jìn)了商用微系統(tǒng)的發(fā)展。圖5為采用0.25 μm InP HBTs，0.2 μm GaN HEMTs和65 nm Si CMOS的多工程晶圓顯微圖[13]。

圖5 DAHI工程晶圓顯微圖

2015年，美國DARPA繼續(xù)推進(jìn)可重復(fù)使用器件級異構(gòu)集成知識產(chǎn)權(quán)策略，旨在減少設(shè)計周期、降低設(shè)計成本，并將異構(gòu)集成技術(shù)推向更廣泛的應(yīng)用。

4 系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真

隨著多功能綜合射頻系統(tǒng)的發(fā)展與需求，射頻/微波設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)已超越單純的技術(shù)層面，也超越了簡單的電路及子系統(tǒng)的仿真，設(shè)計師需要權(quán)衡雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)、偵察、識別等諸多因素，包括模擬實(shí)戰(zhàn)情況下的電路性能。系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真可以通過軟件定義雷達(dá)系統(tǒng)硬件及平臺模型參數(shù)，仿真雜波、干擾等環(huán)境下電路及子系統(tǒng)性能，以及復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)系統(tǒng)性能評估，大大節(jié)約了系統(tǒng)測試成本，提高了準(zhǔn)確度，降低了系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險。設(shè)計師可以根據(jù)場景架構(gòu)仿真結(jié)果指導(dǎo)射頻/微波子系統(tǒng)與系統(tǒng)電路設(shè)計，特別是對機(jī)載或星載等運(yùn)動平臺的雷達(dá)系統(tǒng)簡化設(shè)計與性能評估具有重大的意義。

場景架構(gòu)分為3層：軌跡層、天線層和信號層，架構(gòu)圖如圖6所示。軌跡層在三維立體空間內(nèi)定義所有接收與發(fā)射系統(tǒng)的位置、速度與加速度，通過雷達(dá)平臺模型與目標(biāo)軌跡模型計算雷達(dá)與目標(biāo)的軌跡；天線層通過建立天線實(shí)際工作場景下的波束寬度，波束指向及目標(biāo)位置計算最終的天線增益；信號層通過軟件定義方式產(chǎn)生雷達(dá)發(fā)射激勵波形，通過發(fā)射鏈路及天線輻射，接收雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)回波及雜波信號。

圖6 系統(tǒng)場景仿真架構(gòu)圖

系統(tǒng)場景仿真3層架構(gòu)層建立后就可以根據(jù)雷達(dá)方程及相關(guān)雜波特性，并利用下述計算模型，對不同場景下雷達(dá)系統(tǒng)性能的場景進(jìn)行仿真分析，并在一定的虛警率情況下計算雷達(dá)探測概率，評估雷達(dá)系統(tǒng)性能，通過場景仿真結(jié)果優(yōu)化電路、子系統(tǒng)及系統(tǒng)性能參數(shù)，確定系統(tǒng)最佳可檢測信噪比及最大探測概率。

雷達(dá)檢測信噪比是由多方面的因素綜合決定，其中包括目標(biāo)回波功率、干擾功率、雜波功率以及噪聲功率等，計算公式[14]為

(1)

對于探測概率，典型的線性檢波雷達(dá)探測概率計算模型可以近似為

(2)

系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真最大的優(yōu)點(diǎn)是可以評估近似實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下雷達(dá)系統(tǒng)的MTI與MTD性能，了解系統(tǒng)的電子干擾與反電子干擾的能力，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計的同時，大大降低系統(tǒng)的測試與調(diào)試成本。

5 結(jié)束語

多功能綜合射頻用寬帶多功能孔徑實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等多種功能，是未來相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，也是解決復(fù)雜電磁環(huán)境下實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信與電子戰(zhàn)等多功能一體化的主要手段；開放式系統(tǒng)架構(gòu)利用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的方式，通過軟件定義開發(fā)射頻/微波模塊與子系統(tǒng)，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低了系統(tǒng)的全周期壽命成本；異構(gòu)集成可以充分發(fā)揮不同半導(dǎo)體材料的技術(shù)優(yōu)勢，提高系統(tǒng)集成度的同時，使模塊與子系統(tǒng)的性能達(dá)到最佳；通過系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真可以指導(dǎo)復(fù)雜電路及系統(tǒng)的設(shè)計，評估實(shí)戰(zhàn)情況下的系統(tǒng)性能，節(jié)約了系統(tǒng)測試的時間，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險及系統(tǒng)成本。

本文結(jié)合國外發(fā)展情況，從集成方式、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)仿真等幾個方面對射頻/微波的設(shè)計提出了先進(jìn)的設(shè)計理念與設(shè)計手段。多功能綜合射頻、開放式架構(gòu)是相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，異構(gòu)集成、系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真是新的設(shè)計手段，每一個方面都值得從事射頻/微波以及雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計人員進(jìn)行深入研究。利用先進(jìn)的設(shè)計理念與設(shè)計手段，設(shè)計最優(yōu)的多功能綜合射頻系統(tǒng)是設(shè)計人員面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，也是從事該領(lǐng)域的設(shè)計人員繼續(xù)探索的課題。

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