相控陣測(cè)控系統(tǒng)時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)一體化光傳輸設(shè)計(jì)*

李 旭，肇 格

(1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036;2.戰(zhàn)略支援部隊(duì) 航天系統(tǒng)部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100094)

0 引 言

相控陣測(cè)控系統(tǒng)是在同一時(shí)刻將不同通道的信號(hào)進(jìn)行幅度、相位加權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)在天線遠(yuǎn)場(chǎng)形成波束精確指向的功能[1]。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，需要有兩個(gè)前提條件:第一，所有通道信號(hào)必須同一時(shí)刻在同一工作時(shí)鐘下由同一觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)加權(quán)，這就涉及到不同通道的時(shí)頻信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)；第二，所有通道必須精確地進(jìn)行幅度和相位加權(quán)，所以相控陣測(cè)控系統(tǒng)必須進(jìn)行所有通道的幅度、相位精確標(biāo)校，這就涉及到不同通道的標(biāo)校信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)問題[2]。

為了獲得足夠大的天線增益和作用距離，相控陣測(cè)控系統(tǒng)的一個(gè)最重要形態(tài)特點(diǎn)是信號(hào)通道規(guī)模巨大，直徑數(shù)米的相控陣測(cè)控系統(tǒng)通道數(shù)目通?？蛇_(dá)成千上萬個(gè)。性能良好的時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)既是相控陣測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，也是相控陣測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心，一個(gè)性能優(yōu)異的相控陣測(cè)控系統(tǒng)必須要有一個(gè)性能可靠、設(shè)計(jì)合理、維修使用方便的時(shí)頻及標(biāo)校網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。隨著相控陣測(cè)控系統(tǒng)的集成度越來越高、通道數(shù)越來越多，高集成度時(shí)頻標(biāo)校分發(fā)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也顯得越來越迫切。

在相控陣測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一般將幾十個(gè)通道合并為一個(gè)小規(guī)模子陣進(jìn)行信號(hào)處理，所以時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)傳輸一般以子陣為單位進(jìn)行傳輸設(shè)計(jì)，這樣可以大大減少時(shí)頻及標(biāo)校網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，也可以有效提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。本文以一個(gè)1 344通道規(guī)模的相控陣測(cè)控系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。在該相控陣測(cè)控系統(tǒng)中以12個(gè)通道作為一個(gè)子陣單元，共有112子陣，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)112條鏈路的時(shí)頻及標(biāo)校鏈路傳輸網(wǎng)絡(luò)[3]。

1 傳統(tǒng)相控陣測(cè)控系統(tǒng)時(shí)頻信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)

相控陣測(cè)控系統(tǒng)的時(shí)頻信號(hào)一般由系統(tǒng)工作時(shí)鐘信號(hào)和同步觸發(fā)信號(hào)兩個(gè)信號(hào)組成，工作時(shí)鐘信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)，頻率一般為90 MHz、240 MHz、500 MHz或者更高；同步觸發(fā)信號(hào)一般是頻率為10 Hz、100 Hz、1 MHz的周期脈沖信號(hào)，脈寬一般為10 ns、100 ns等。本節(jié)以一個(gè)工作時(shí)鐘信號(hào)頻率為240 MHz、同步觸發(fā)信號(hào)為10 Hz的相控陣測(cè)控系統(tǒng)為例來說明時(shí)頻信號(hào)分發(fā)傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

在傳統(tǒng)的相控陣測(cè)控系統(tǒng)中，工作時(shí)鐘信號(hào)和同步觸發(fā)信號(hào)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)需要分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

一種典型的112路時(shí)鐘信號(hào)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)如圖 1所示，該時(shí)鐘分發(fā)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)功分器和傳輸線纜組成，主要包括14個(gè)八路功分器和配套的126根穩(wěn)相電纜組件。八路功分器用于240 MHz時(shí)頻信號(hào)的分配，14個(gè)功分器分別將240 MHz時(shí)鐘插箱輸出的14路240 MHz信號(hào)等相位地分配到112個(gè)天線子陣。典型的同步觸發(fā)信號(hào)分發(fā)一般通過多片現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)進(jìn)行低電壓正電源射極耦合邏輯(Low Voltage Positive Power Emitter Coupling Logic,LVPECL)電平形式的信號(hào)分發(fā)，然后再通過112根穩(wěn)相差分線纜將同步觸發(fā)信號(hào)分發(fā)到112個(gè)天線子陣。

圖1 時(shí)鐘信號(hào)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的時(shí)頻分配網(wǎng)絡(luò)的主要缺點(diǎn)在于設(shè)備組成復(fù)雜，線纜繁多，多個(gè)功分器不便于安裝，相位一致性難以保證，后期設(shè)備的維護(hù)性較差。

2 傳統(tǒng)相控陣測(cè)控系統(tǒng)標(biāo)校信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)

相控陣測(cè)控系統(tǒng)的標(biāo)校信號(hào)由接收鏈路的下行標(biāo)校信號(hào)和發(fā)射鏈路的上行標(biāo)校信號(hào)兩個(gè)信號(hào)組成，在傳統(tǒng)的相控陣測(cè)控系統(tǒng)中上下行標(biāo)校信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)需要分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。上行標(biāo)校信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)用于發(fā)射鏈路校準(zhǔn)，接收發(fā)射通道耦合回來的射頻信號(hào)，濾波放大后經(jīng)過開關(guān)選擇輸出給后端處理設(shè)備和參考信號(hào)做幅度相位比較。下行標(biāo)校信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)用于接收鏈路校準(zhǔn)，接收后端處理設(shè)備輸出的下行射頻信號(hào)，經(jīng)過開關(guān)選擇輸出給接收鏈路的耦合通道，再通過接收鏈路接收以后和后端處理設(shè)備的參考信號(hào)做幅度相位比較[4-7]。

一種典型的112路標(biāo)校信號(hào)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)如圖 2所示，該標(biāo)校信號(hào)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)開關(guān)和傳輸線纜組成，主要包括2個(gè)一選二開關(guān)、14個(gè)一選八開關(guān)和配套的131根穩(wěn)相電纜組件。在該標(biāo)校網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)射校準(zhǔn)和接收校準(zhǔn)分時(shí)工作，每個(gè)發(fā)射鏈路或接收鏈路也是通過多極開關(guān)組合分時(shí)進(jìn)行工作。上行發(fā)射鏈路校準(zhǔn)時(shí)，通過系統(tǒng)監(jiān)控將某一路的發(fā)射耦合信號(hào)通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)送到后端處理設(shè)備進(jìn)行信號(hào)處理。下行接收鏈路標(biāo)校是上行發(fā)射鏈路標(biāo)校的反向流程，后端處理設(shè)備通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)分時(shí)將接收校準(zhǔn)信號(hào)送到陣面上的112個(gè)天線子陣。

圖2 標(biāo)校信號(hào)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的標(biāo)校信號(hào)分配網(wǎng)絡(luò)的主要缺點(diǎn)在于設(shè)備組成復(fù)雜，線纜繁多，多路選擇開關(guān)不便于安裝，相位一致性難以保證，后期設(shè)備的維護(hù)性較差。

3 新型相控陣測(cè)控系統(tǒng)時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)一體化光傳輸設(shè)計(jì)

為了解決傳統(tǒng)的相控陣測(cè)控系統(tǒng)時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)分配傳輸網(wǎng)絡(luò)存在的上述問題，在新一代相控陣測(cè)控系統(tǒng)中提出了時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)一體化光傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案。采用光纖及光學(xué)器件完成時(shí)頻和標(biāo)校信號(hào)的傳輸及分發(fā)，由于待傳輸?shù)臅r(shí)頻信號(hào)為電信號(hào)，因此首先需要對(duì)其中的各路電信號(hào)進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，將電信號(hào)調(diào)制到光載波上，完成信號(hào)的加載，采用波分復(fù)用技術(shù)合為一路后利用單模單芯光纖和光分路器完成光信號(hào)的多路分配，將時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)分發(fā)到不同的天線子陣。

3.1 一體化光傳輸框架設(shè)計(jì)

如前文所述，相控陣測(cè)控系統(tǒng)中的時(shí)頻信號(hào)主要由分發(fā)到各個(gè)子陣的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)(Clock Signal，CLK)和同步觸發(fā)信號(hào)(Synchronization Signal，SYNC)兩個(gè)信號(hào)組成，標(biāo)校信號(hào)主要由分發(fā)到各個(gè)子陣的接收通道標(biāo)校射頻信號(hào)(Radio Frequency,RF)RF1和由各個(gè)子陣發(fā)射通道耦合輸出的發(fā)射標(biāo)校射頻信號(hào)RF2組成。新型時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)一體化光傳輸設(shè)備組成框圖如圖 3所示，主要實(shí)現(xiàn)方式是通過一根光纖復(fù)用傳輸完成對(duì)四路信號(hào)(RF1、RF2、CLK、SYNC、)的雙向分配和傳輸，其中時(shí)鐘信號(hào)CLK、同步觸發(fā)信號(hào)SYNC和接收鏈路標(biāo)校信號(hào)RF1是從后端設(shè)備分配傳輸?shù)较嗫仃嚋y(cè)控系統(tǒng)陣面上的每個(gè)子陣，發(fā)射鏈路標(biāo)校信號(hào)RF2是從相控陣測(cè)控系統(tǒng)陣面上的每個(gè)子陣反向傳輸?shù)胶蠖嗽O(shè)備。

圖3 時(shí)頻光分發(fā)及傳輸設(shè)備組成示意圖

如圖3所示，光發(fā)射插箱將上行三路時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)進(jìn)行電-光轉(zhuǎn)換,調(diào)制為三路光信號(hào)。三路光信號(hào)先通過密集波分復(fù)用(Dense Wave Length Division Multiplexing,DWDM)為一根光纖，由光放大器進(jìn)行光功率放大，再經(jīng)稀疏波分復(fù)用(Coarse Wave Length Division Multiplexing,CWDM)器與反向傳輸?shù)陌l(fā)射鏈路標(biāo)校光信號(hào)復(fù)用為單根光纖傳輸。波分復(fù)用器解出單根光纖中的發(fā)射標(biāo)校光信號(hào)RF2，經(jīng)光放大器進(jìn)行光功率放大，最后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后輸出一路下行發(fā)射標(biāo)校電信號(hào)[8]。下行的發(fā)射標(biāo)校信號(hào)是時(shí)隙工作模式，即在同一時(shí)刻有且僅有一路RF2信號(hào)從某個(gè)子陣的光接收處理模塊發(fā)出。CWDM復(fù)用技術(shù)原理示意圖及四路光信號(hào)典型復(fù)用的光波長(zhǎng)分配如圖4所示。

圖4 波分復(fù)用單芯光纜傳輸方案原理框圖

在一些更為復(fù)雜的相控陣測(cè)控系統(tǒng)中，除了上下行的時(shí)頻和標(biāo)校信號(hào)外可能還需要傳輸更多的其他信號(hào)，如圖3所示的一體化光傳輸框架擴(kuò)展性強(qiáng)，可以支持多路光信號(hào)的上下行同時(shí)傳輸，經(jīng)過簡(jiǎn)單的擴(kuò)展即可增加光傳輸鏈路規(guī)模，該框架可滿足小中大各種規(guī)模相控陣測(cè)控系統(tǒng)的上下行信號(hào)一體化傳輸要求。

3.2 性能指標(biāo)對(duì)比

時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)一體化光傳輸設(shè)計(jì)方案和傳統(tǒng)的電纜分配網(wǎng)絡(luò)相比，除了具有設(shè)備簡(jiǎn)單以外，在具體的電性能、經(jīng)濟(jì)成本和安裝維護(hù)便捷性上也具有優(yōu)異的表現(xiàn)。

3.2.1 相位溫度穩(wěn)定性

相控陣測(cè)控系統(tǒng)對(duì)于傳輸?shù)臅r(shí)頻和標(biāo)校信號(hào)的溫度相位一致性有很高要求，如果傳輸信號(hào)隨溫度變化導(dǎo)致相位變化則會(huì)直接影響相控陣測(cè)控系統(tǒng)的合成增益。我們對(duì)比測(cè)試了傳統(tǒng)的電纜分配傳輸方案和新型的光纜一體化傳輸方案在S頻段(以2 590 MHz為例)溫度相位穩(wěn)定性，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5和圖 6所示。

圖5 溫度相位一致性變化曲線

如圖5所示，橫坐標(biāo)“溫度值_測(cè)試次數(shù)”表示在該溫度下電纜或者光纜的第幾次測(cè)量相位值，如“40 ℃_2”表示在40 ℃下電纜或者光纜的第2次測(cè)量相位值。為了增加測(cè)量數(shù)據(jù)的可信度，在每個(gè)溫度點(diǎn)均對(duì)各線纜進(jìn)行了兩個(gè)溫度測(cè)量。

如圖6所示，在15 ℃～45 ℃的環(huán)境范圍內(nèi)，采用穩(wěn)相光纜傳輸?shù)姆桨赶辔粶囟确€(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的線纜傳輸方案。

圖6 不同溫度范圍相位變化量比較

3.2.2 成本經(jīng)濟(jì)型

以上文討論的112個(gè)子陣規(guī)模的相控陣測(cè)控系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)的電纜分配傳輸和新型光纖一體化傳輸方案的成本比較如表 1所示，可見新型的相控陣測(cè)控系統(tǒng)視頻和標(biāo)校一體化傳輸方案經(jīng)濟(jì)成本可以節(jié)約30%～40%，隨著相控陣測(cè)控系統(tǒng)規(guī)模的增大，成本優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

表1 光纜傳輸和電纜傳輸成本比較

表1(續(xù))

3.2.3 安裝及維護(hù)性

光纜與電纜材質(zhì)不同，光纜以玻璃質(zhì)纖維為導(dǎo)體，電纜以金屬材質(zhì)(大多為銅)為導(dǎo)體，它們的主要參數(shù)如表2所示。

表2 穩(wěn)相光纜與穩(wěn)相電纜主要參數(shù)比較

由表2可知，穩(wěn)相光纜的質(zhì)量和外徑均小于穩(wěn)相線纜，質(zhì)量的減小帶來的直接好處就是可以減少天線陣面的重力負(fù)荷，便于施工及后續(xù)維護(hù)。以10 m的傳輸距離來看，1根穩(wěn)相電纜質(zhì)量約1 kg，電纜時(shí)頻及標(biāo)校傳輸方案的總線纜質(zhì)量約為369 kg，一根穩(wěn)相光纜的質(zhì)量約為0.3 kg，整個(gè)光纜傳輸?shù)木€纜總質(zhì)量?jī)H為33.6 kg，約為電纜傳輸線纜總質(zhì)量的1/10。

現(xiàn)在的相控陣測(cè)控系統(tǒng)集成度越來越高，帶來的問題就是內(nèi)部的走線空間越來越小，所以穩(wěn)相光纜還有一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)就是其外徑小，材質(zhì)柔軟，穩(wěn)相光纜的彎曲半徑遠(yuǎn)小于穩(wěn)相線纜，這就為施工、設(shè)計(jì)、維護(hù)帶來了巨大的操作方便性[9]。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)相控陣測(cè)控系統(tǒng)時(shí)頻和標(biāo)校信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需求，分析了傳統(tǒng)相控陣測(cè)控系統(tǒng)時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)存在的相位一致性差、安裝復(fù)雜、價(jià)格高昂、后期維護(hù)性較差等問題，設(shè)計(jì)了一種新型相控陣測(cè)控系統(tǒng)時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)一體化光傳輸網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析和工程實(shí)例表明該新型光傳輸網(wǎng)絡(luò)在性能、成本、可擴(kuò)展性以及安裝維護(hù)等方面均比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有明顯提升。時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)一體化光傳輸設(shè)計(jì)除了上述優(yōu)點(diǎn)外還具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸損耗小等一系列優(yōu)點(diǎn)。

隨著相控陣測(cè)控系統(tǒng)的口徑越來越大，通道數(shù)越來越多，集成度越來越高，時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)的傳輸路徑也越來越長(zhǎng)。目前一些大型相控陣測(cè)控系統(tǒng)的時(shí)頻標(biāo)校信號(hào)傳輸路徑已達(dá)幾十米到一百米，一體化光纜傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)也就越來越明顯，尤其隨著現(xiàn)在各種曲面賦形相控陣測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展，極小空間內(nèi)的時(shí)頻標(biāo)校信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)需求也越來越迫切。本文提出的時(shí)頻及標(biāo)校信號(hào)一體化光傳輸設(shè)計(jì)能夠?yàn)樾滦拖嗫仃嚋y(cè)控系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供參考。