一種經濟型相控陣雷達架構

馬 珂，王 軒

(海軍裝備部駐揚州地區(qū)軍代室，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著相控陣技術、微電子技術、高速信號處理技術的發(fā)展，相控陣雷達進入發(fā)展快車道，以美軍AN/SPY-6有源相控陣雷達、泰勒斯有源相控陣(ARPA)雷達、TRS-4D雷達、日本OPS雷達、DBR等典型雷達裝備為代表。上述典型裝備體制和技術主要列裝主戰(zhàn)裝備，承擔多功能多任務使命。

隨著裝備競爭擇優(yōu)常態(tài)化實施，經濟型相控陣雷達將是未來裝備增強競爭能力的必然趨勢。中小型作戰(zhàn)艦艇、戰(zhàn)斗車輛、機載平臺等對雷達有嚴格效費比、低功耗要求，針對該類需求需要尋求一種經濟型相控陣雷達體系結構，嘗試新體制、新技術的組織運用。

本文基于以上考慮，嘗試探索一種經濟型相控陣雷達架構，后續(xù)將進一步深化研究。

1 ONR經濟型通用雷達架構計劃

1.1 計劃背景

針對數字陣列、經濟型可承受相控陣、通用雷達架構等重點開展研究，本文重點分析ACRA計劃相關情況。

美國海軍及海軍陸戰(zhàn)隊列裝了大量AN/SPN-43、AN/SPS-48E、AN/TPS-75和AN/SPS-49雷達，該類型雷達服役時間長，技術體制落后，盡管海軍先后通過現(xiàn)代化升級、維修保障等提升雷達可用性，但是大量雷達已逐漸不能滿足作戰(zhàn)需求。

為了對艦艇上雷達系統(tǒng)進行現(xiàn)代化改造達到可用的目的，ONR發(fā)起了經濟型通用雷達架構(ACRA)計劃[1]，如圖1所示。該計劃首個五年計劃為(2009～2013)，主要目標是研究一種支撐雷達系統(tǒng)新技術應用的可升級的通用架構，ACRA計劃可滿足旋轉相控陣和固定相控陣需求，適配美國海軍各型作戰(zhàn)艦艇[2]。

圖1 ACRA計劃研究目標

1.2 計劃內容

ACRA計劃目的是探索經濟型相控陣解決方案，研究一種支撐雷達系統(tǒng)新技術應用的可升級、通用架構，對老舊裝備實施經濟性升級替換，主要能力提升出現(xiàn)在以下方面：

(1) 增強遠距離大角度搜索能力；

(2) 提升對感興趣目標的跟蹤數據率；

(3) 提升海雜波和大氣環(huán)境下的探測性能；

(4) 提升應對有源干擾的能力。

ACRA采用了獨特的收發(fā)陣面分置的天線結構，這種結構具備潛在的降低系統(tǒng)成本的能力，后端處理沿用ONR數字陣列雷達項目(DAR)的開放式架構成果，雷達組成如圖2所示。

圖2 通用經濟型雷達組成圖

按照ONR設想，經濟型通用雷達架構組成如圖2所示，由位于天線座的接收陣面、發(fā)射陣面和位于甲板下的數字波束合成器、信號處理機、發(fā)射機等組成。該體系架構主要技術特點有：

(1) 通用模塊化

該架構所采用的數字接收機、波形產生器、波束合成器、數據處理機為模塊化、可升級、商用化的模塊，接收陣面采用低成本微帶電路設計，采用商用模塊減輕硬件升級、新增功能、技術插入的壓力。

(2) 寬空域覆蓋

發(fā)射陣面與接收陣面分開，發(fā)射寬波束，接收數字形成同時多波束覆蓋，滿足遠中近程探測對空域覆蓋的要求。

(3) 高升級性能

接收陣列較大，采用低成本微帶電路設計，可由48×48升級到96×96；小型有源發(fā)射陣列，收發(fā)陣面分開,可隨時實施技術升級；總體采用開放式架構，后端處理軟件化設計，易升級。

(4) 高可靠性

發(fā)射陣面采用無源集中發(fā)射技術，接收陣面采用風冷低功耗微帶印制電路技術，發(fā)射機、數字波束合成、信號處理等均位于甲板下。天線陣面功耗低，易損件均位于甲板下，維修便利。

(5) 體制技術先進

延續(xù)DAR項目數字陣列及開放式架構相關成果，采用了全數字接收、二維有源相掃、瓦片陣列等技術，具備多功能一體特征。

1.3 后續(xù)發(fā)展

根據ONR研究計劃，2012年應用到退役的SPS-48雷達，2014年應用到SPS-49、SPS-74、SPQ-9B等現(xiàn)役雷達改造。

2 啟示與思考

目前美軍基本按照該框架進行裝備研制，航母、巡洋艦、驅逐艦等大型平臺，如CVN79、DDG1000、新一代驅逐艦等搭載固定陣，兩棲登陸艦、濱海戰(zhàn)斗艦、軍輔船等搭載旋轉相控陣。從ACRA體系架構來看，有幾個點可供參考：

2.1 收發(fā)分置架構

其發(fā)射陣面與接收陣面分置較為獨特，據介紹是為了接收陣面升級需要，發(fā)射陣面采用大功率固態(tài)/行波管集中發(fā)射，發(fā)射機位于艙室內部，通過波導把高功率信號饋送到發(fā)射天線。

天線陣面上采用風冷設計，減輕了陣面重量和散熱復雜度。泰勒斯公司的M3R雷達承擔炮位偵校、搜索跟蹤等功能，如圖3所示，采用了收發(fā)陣面分置方案。ACRA與M3R均采用收發(fā)陣面分置方案，分置不是為了提升隔離度，而是為了滿足技術升級要求(接收陣面升級機會更多)。

圖3 M3R雷達組成圖

采用大功率集中發(fā)射、收發(fā)陣面分置、接收數字多波束的方案，整個天線陣面功耗低，利于提升可靠性與降低復雜度。

2.2 通用數字軟件化

基于開放式架構明確了模擬系統(tǒng)和數字系統(tǒng)的界面關系，后端信息處理硬件平臺通用化，數字接收機、數字波束合成器等預處理部分采用通用標準模塊，信號處理、數據處理等采用軟件化設計，可根據需求實施軟升級。

采用商用10G網絡交換機承擔數據交換和控制分發(fā)任務，采用商用刀片處理器用于脈沖壓縮、恒虛警率(CFAR)、動目標檢測(MTD)處理等信號處理任務。

3 經濟型相控陣新架構

3.1 概述

參考ACRA計劃的基本思路，以旋轉相控陣為構想，以低功耗硅基微系統(tǒng)、大間距相控陣、海量數據旋轉傳輸、通用處理平臺構建開放式雷達體系架構，減少定制化設計，適應平臺對低功耗、高效費比、輕量化的需求。

3.2 體系架構

圖4所示為一種經濟型相控陣雷達體系架構框圖，分為天線系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、艙室系統(tǒng)三部分。整體上采用發(fā)射陣面與接收陣面分開布局，“寬發(fā)窄收”形式，發(fā)射二維寬波束，接收數字波束形成(DBF)二維多波束覆蓋，如圖5所示。

圖4 經濟型相控陣架構

圖5 二維波束瞬時覆蓋

后端采用基于通用處理平臺、高速光纖通信的開放式架構體系，實現(xiàn)硬件平臺的通用化，便于簡化維修保障配置，實現(xiàn)備件互換互通和擴展升級。

接收陣面為全數字二維多波束接收體制，接收回波信號，經數字化后通過多通道光鉸鏈下行傳輸，進入艙室內的數字波束合成器，根據工作模式形成不同規(guī)模的并發(fā)波束。

3.2.1 天線系統(tǒng)

天線系統(tǒng)由發(fā)射陣列、接收陣面以及伺服驅動組成，其中發(fā)射陣列可采用波導裂縫陣列，具備耐大功率特點,采用無源集中發(fā)射，固態(tài)/行波管集中發(fā)射機產生大功率射頻信號,由射頻鉸鏈上行傳輸進入發(fā)射陣面輻射出去。

接收陣面采用模塊化設計理念，接收子陣為瓦片式基本組成單元，可根據需求二維擴展，實現(xiàn)不同規(guī)模和靈敏度的雷達陣面。

為滿足接收子陣二維電掃描需求，同時兼顧經濟型，本文提出3種可能的接收子陣方案。

方案一：超大間距可重構相控陣

常規(guī)相控陣根據電掃描范圍，在無柵瓣出現(xiàn)前提下設計陣元間距，單元間距一般在0.5倍波長左右，若單元間距擴大到1個波長以上同時采取措施抑制柵瓣，則二維相控陣陣元數目可降低到原來的1/4，顯著降低射頻系統(tǒng)成本。

利用陣面方向圖為單元方向圖與陣因子乘積的特點，對單元方向圖進行重構，柵瓣區(qū)形成“零限”從而抑制柵瓣。圖6為間距是1.2倍波長的陣列及其方向圖，可見陣列方向圖副瓣被抑制掉。

圖6 1.2倍波長間距陣列及方向圖(未加權)

方案二：基于鐵氧體的異質混合小型收發(fā)組件

相控陣系統(tǒng)60%的成本集中在微波收發(fā)模塊上，現(xiàn)有相控陣收發(fā)模塊一般采用8合1、4合1等形式，每個模塊內部包含8個、4個TR組件，陣元數有多少，TR組件通道就有多少，限制了相控陣系統(tǒng)經濟型的實現(xiàn)。

圖7為現(xiàn)有和經濟型相控陣收發(fā)模塊對照，本項目采用鐵氧體移相衰減器與TR組件一體混合集成方案，相同收發(fā)通道下，TR組件只需要1個。需要解決鐵氧體與半導體異質混合集成、小型化超低損耗鐵氧體移相衰減技術等關鍵技術。

圖7 相控陣收發(fā)模塊對照

方案三：硅基片式系統(tǒng)陣列技術

為了滿足小型化、低成本相控陣天線需求，采用硅基+化合物的異質集成SoC芯片技術/多層混壓印制板(PCB)工藝技術/瓦片式結構，大幅降低收發(fā)組件生產成本。X波段以上的高頻信號受制于A/D采樣位數，暫無法直接射頻直采，擬采用Zynq UltraScale+RF SoC的商用解決方案，與波束合成芯片聯(lián)合，支持6 GHz射頻直接采樣，承擔A/D采樣、數字下變頻、波束合成功能，實現(xiàn)商用化經濟型片上系統(tǒng)。

基于多層混壓埋阻技術和高密度垂直互聯(lián)技術PCB工藝，將微帶天線陣列、射頻電路、控制電路和供電電路集成在同一張PCB板中,整個陣面由多層微波板混壓而成,CMOS相控陣芯片通道射頻端通過垂直互連結構與天線單元饋電端連接,互連方式由金屬化過孔替代了傳統(tǒng)的連接器,既省去了連接器成本,又提高了相控陣天線的集成度，利用這種技術實現(xiàn)相控陣天線的低成本、低剖面和輕量化。

3.2.2 傳輸系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)采用射光電集成鉸鏈來實現(xiàn)，射頻鉸鏈和匯流電環(huán)較為成熟，其中光鉸鏈為多通道光旋轉連接器。傳輸系統(tǒng)承擔發(fā)射大功率射頻信號上行傳輸、控制信號雙向傳輸、海量數字化回波信號的下行傳輸功能，最大難點是海量數據下行傳輸，直接決定著方案的可行性。經過調研，目前國內光旋連接器已可設計60個通道，結合波分復用技術可滿足全陣面海量數據下行傳輸。

3.2.3 艙室系統(tǒng)

艙室系統(tǒng)主要包括發(fā)射機、數字波束合成器、通用處理平臺(部署信號處理軟件等)、顯示終端等。數字波束合成器采用基于Virtex-7系列現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片的成熟通用硬件板卡。

通用信息處理平臺應基于標準化、通用化、模塊化、自主可控的軟硬件模塊，按層次化、標準化設計，最終實現(xiàn)架構共融、資源共享。平臺硬件系統(tǒng)支持集中式或分布式放置，且在集中式或分布式的形態(tài)下應支持各軟件(包括信號處理、數據處理、資源調度)的統(tǒng)一部署。計算體系架構支持基于國產化、高性能處理器的并行計算體系，具有高性能、易擴展、易升級和自主可控等特點。

通用信息處理插箱由通用計算刀片、高速網絡交換刀片、VPX背板、監(jiān)控模塊、電源刀片、存儲刀片等組成。

3.2.4 冷卻系統(tǒng)

相控陣系統(tǒng)的冷卻散熱較為關鍵，現(xiàn)階段主要包括液冷散熱、風冷散熱、均溫冷卻、相變儲能、熱管技術等經典散熱方式。冷卻系統(tǒng)可靠性與復雜度在一定程度上影響了設備的可靠性。

前期國內各單位采用的均為收發(fā)共陣面的方案，要滿足輻射功率要求，TR組件等大功率有源模塊需采用水冷散熱，液冷散熱效果好，但管路和走線復雜。

本項目采用了大功率集中發(fā)射(位于艙室，可風冷或液冷散熱)、分布式接收的方案，接收系統(tǒng)功耗相對較低，陣面采用風冷散熱即可滿足需求。

3.3 關鍵技術

3.3.1 基于射頻片上系統(tǒng)的低功耗前端技術

經濟型相控陣的前提是優(yōu)化射頻系統(tǒng)方案，降低微波部分經費占比。Xilinx公司于2017年推出第1代、第2代和第3代RF SOC產品，第3代全面支持對6 GHz以下的頻段直接射頻采樣，并支持拓展的毫米波接口，為5G無線通信系統(tǒng)和相控陣雷達、汽車雷達、微信通信等應用提供解決方案。美國大規(guī)模多功能相控陣雷達(MPAR)系統(tǒng)基于RF SOC開發(fā)了通用化微波模塊。

與常規(guī)分離式、多功能芯片相比，RF SOC集成度更高，功耗更低，尺寸更小，基于RF SOC構建的接收子陣即為單片雷達，基于RF SOC優(yōu)化射頻系統(tǒng)架構降低功耗還需要深入研究。

3.3.2 多通道海量數據旋轉傳輸技術

旋轉相控陣可靠性、維修性提升的關鍵是易損件、易維件置于艙室內部，現(xiàn)有產品采用波分復用技術，可實現(xiàn)少量波束數據實時下行傳輸，數字波束合成功能只能置于陣面內，不滿足本架構需求。

隨著光旋轉連接器技術的發(fā)展，多通道光旋轉連接器從單通道逐漸擴展到60路甚至更多，結合波分復用技術可實現(xiàn)全陣200個通道以上A/D數據的實時傳輸。目前尚未用到如此多通道光旋，60個通道間旋轉幅度的差異可能較大，客觀上影響光接收靈敏度。后續(xù)需要組織驗證該技術。

3.3.3 智能軟件化處理技術

軟件化處理為未來雷達技術發(fā)展的主趨勢，未來系統(tǒng)呈現(xiàn)模擬最小化、數字最大化的狀態(tài)，系統(tǒng)功能只取決于運行在處理平臺上的應用軟件，運行雷達軟件就是雷達設備，運行對抗軟件就是對抗設備。

智能軟件化處理平臺可通過軟件獨立升級實現(xiàn)裝備升級，具備在線網絡加載實現(xiàn)功能動態(tài)重組功能，提高裝備任務可靠性。軟件化雷達系統(tǒng)的軟件定義以及架構統(tǒng)型還需要探討，現(xiàn)階段尚無標準格式。

智能化也是未來發(fā)展趨勢之一，人工智能在雷達中如何落地、提升哪些性能、實時處理應用等問題還需要進一步探討。

4 結束語

本文以探索經濟型相控陣為目標，首先分析了ONR的經濟型通用雷達架構，然后針對經濟型需求，提出了一種經濟型相控陣雷達架構，對各個組成進行了簡要介紹，重點提出3種經濟型微波系統(tǒng)解決方案，最后對涉及的關鍵技術進行了分析。