一种S波段雷达-通信一体化数字阵列模块的设计

毕　胜，张德智

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)



一种S波段雷达-通信一体化数字阵列模块的设计

毕胜，张德智

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

为适应现代战争环境的需要，多功能、一体化电子系统应运而生。针对雷达-通信一体化的军事需求，详细介绍了一种S波段数字阵列模块的设计。该模块采用综合射频前端的方式，共用射频收发和数字收发单元，将雷达和通信收发通道综合起来进行一体化设计，为工程实现提供了依据。

数字阵列模块；综合射频前端；雷达-通信一体化

0　引　言

长期以来，雷达系统和通信系统各自独立纵向地发展。但是,随着科学技术的发展雷达系统和通信系统之间的差别越来越小。雷达和通信系统的构成原理相同，都是通过电磁波的发射和接收过程实现其功能。在系统组成上，两者的子系统都包括诸如天线、发射机、接收机、信号处理器等类似设备。在信号特点上，两者的信号已变得越来越趋于相同，频率范围互有重叠，而信号特征也不再明显不同[1]。所以，两者的硬件和软件资源共享是可行的，而且将雷达和通信实现多功能一体化设计可极大地提高系统的作战能力，在实现雷达功能多样化的同时使雷达的优良性能为通信所用，提高通信的质量[2-3]。

在实现方式上，随着现代电子系统集成技术的飞速发展，多功能射频综合系统日益成为未来战场电子系统的发展趋势[4]。对于雷达-通信一体化，此种多功能射频综合系统将基于综合射频前端这一共用的射频硬件平台，通过软件编程、动态配置使系统具备雷达和通信等不同的功能[5]。简而言之，雷达系统和通信系统可以通过硬件一体化，即共享天线系统、发射系统和接收系统的部分或全部[1]；也可以通过软件一体化，即通信信号经过扩频处理后，加载到雷达信号上，通过雷达信号的发射传输进而实现雷达-通信一体化[6]。

1　面向DAR的雷达-通信一体化数字阵列模块

数字阵列雷达(DAR)是一种在有源相控阵雷达基础上发展起来的新体制雷达，具有大的动态范围、容易实现多波束、可制造性强、系统任务可靠性高等优点[7]。数字阵列模块(Digital Array Module)，简称“DAM”，作为数字阵列雷达中的基本单元，是一种采用集成化和数字化技术将多个收发通道集成的数字化雷达前端模块。

近年来，数字阵列模块的研究日益深入广泛。2008年，胡坤娇介绍了米波段数字阵列雷达中应用的一种米波段DAM[8]。2012年，刘晓政等介绍了一种C波段数字阵列模块的设计与研究情况[9]。2014年，王才华等介绍了一种S波段数字阵列模块的研制情况[10]。为满足数字阵列雷达功能的应用需求，上述文章主要论述了多个波段数字阵列模块的成功研制情况。

但是，纵观信息化战争的发展趋势，作战飞机、作战舰艇等平台正在逐步装备雷达、通信和电子战等多种信息系统。这在对数字阵列雷达提出新要求的同时也对数字阵列模块提出了新的挑战。本文结合雷达-通信功能一体化的应用需求，面向数字阵列雷达，将综合射频前端设计方式引入数字阵列模块的设计，在实现雷达系统-通信系统硬件一体化的基础上介绍一种雷达-通信一体化设计的数字阵列模块。

2　雷达-通信一体化数字阵列模块的实现

雷达-通信一体化数字阵列模块是基于分时体制用以实现雷达数字化收发和通信数字化收发功能的，即由数字阵列模块完成雷达和通信发射通道的数字波形产生、变频、滤波和功率放大，以及雷达和通信接收通道的低噪声放大、滤波、变频和数字化接收等功能。其功能组成框图如图1所示。

图1　一体化DAM功能组成框图

2.1综合射频前端

综合射频前端的设计方式，指在频域上通过收发通道的共用，实现多个不同收发频段的覆盖，有效地降低重量和成本；在时域上通过时序的合理调配或辅以相应的电磁兼容设计，完成同时或分时多种任务和多种角色的切换；在空域上通过天线的共孔径或宽带技术，完成射频孔径的完全或局部综合，在提升天线孔径利用率的同时支撑多功能系统的实现。

在本文中，为了实现雷达-通信一体化，引入综合射频前端的设计方式，在综合考虑时间分配、电磁兼容、工作带宽及交调抑制等的基础上，尽可能多地共用硬件和软件资源，构建数字阵列模块这一数字阵列雷达的基本单元。综合射频前端实现的主要功能包括雷达和通信的多通道接收、多通道中频信号的数字化及预处理，以及雷达和通信的多通道波形产生等。

2.2一体化DAM的组成

雷达-通信一体化数字阵列模块采用中频采样方式，其内部主要由如下单元组成：

(1) 一体化射频收发单元：完成雷达和通信射频信号的模拟接收和发射；

(2) 一体化数字收发单元：完成雷达和通信两种模式下接收中频信号的模/数变换和解调，发射中频激励信号的产生，并完成DAM和整机系统的数据交换；

(3) 一体化本振功分单元：完成雷达和通信收发所需本振信号的多路功分，并送至各一体化射频收发单元的本振输入口；

(4) DC/DC电源模块：完成一体化射频收发单元和一体化数字收发单元的供电。

3　雷达-通信一体化数字阵列模块的设计

3.1一体化射频收发单元

文中的一体化DAM中共集成了8个一体化射频收发单元，其功能组成框图如图2所示，包括限幅低噪声放大器、功率放大器、变频电路、环行器和滤波器组等模块。此种单元主要完成雷达和通信发射激励信号的频率变换、功率放大，并完成雷达回波信号和通信信号的低噪声接收、频率变换等功能。

图2　一体化射频收发单元组成框图

一体化射频收发单元基于完全相同的模拟收发通道，在共用宽带低噪声放大器、宽带功率放大器、变频电路和滤波器的基础上实现雷达和通信收发功能的一体化。在设计中，由于雷达和通信电子系统对各自信号指标的要求不同，发射时在满足雷达饱和大功率输出的同时对于通信进行回退，基于通道增益的合理分配，使得功率放大器工作在线性区，保证了通信所需的较高线性度。对于变频电路，一体化DAM采用有源混频方式，收发增益控制电路也集成于其中；相对无源混频，集成度和可靠性均得以提高。此外，由于一体化DAM采用中频采样方式，雷达和通信的中频选取保持一致，以利于中频滤波器的设计和共用。

3.2一体化数字收发单元

一体化数字收发单元包括一体化数字接收机、数字波形产生和光电转换模块，集成在一块数字电路板中，实现8通道雷达和通信中频激励信号的数字波形产生、8通道雷达回波信号和通信信号的数字接收下变频、数据的高速传输功能。其功能组成框图如图3所示。

图3　一体化数字收发单元组成框图

软件无线电( SDR)是指一种全部可软件编程并具有最大灵活性无线电平台的无线电，在尽可能靠近天线的地方通过宽带模/数或数/模转换器完成信号的数字化，然后用软件定义并实现无线设备的功能。一体化数字接收机的设计正是基于软件无线电思想。它采用中频数字化、数字解调产生基带I/Q信号的方案，即中频信号首先在ADC中进行模数变换，再由FPGA在数字域完成滤波、抽取和IQ分离等处理，其基本实现框图如图4所示。基于雷达信号和通信信号的功率和带宽有所区别。根据信号样式和具体工作模式，采用基于可重配置多相滤波器组的通用架构，实现滤波器系数的动态重加载以及抽取比的可变，最大化共用硬件处理资源。关于一体化数字接收机的架构，存在两种方式：一种是雷达和通信接收中频信号送各自独立的A/D进行处理，另一种是雷达和通信接收共用A/D。综合考虑通信信号的中频频率、带宽、系统指标及A/D芯片指标，本文选择雷达接收和通信接收共用A/D的方式。

图4　一体化数字接收机实现框图

由于DDS难以产生复杂的通信波形信号，雷达和通信中频激励信号的产生只能采用基于DAC的任意波形产生方式，在数字域分别产生雷达波形和通信调制波形，同时可实现幅度、相位和时延的高精度实时调制。雷达-通信一体化波形产生的基本原理如图5所示。对于常规雷达波形产生，基于直接数字频率合成(DDS)的基本原理，以数控振荡器(NCO)为核心固件，较易产生脉冲点频、线性调频、非线性调频及相位编码等中频调制信号。对于通信信号，基于软件无线电基本架构，采用数字正交调制方式，在数字域中完成编码、成型滤波和数字上变频等处理，理论上可以产生任意复杂的中频通信信号。

图5一体化波形产生实现框图

为了实现快速、实时、可靠的数据交互，一体化DAM与系统之间采用光纤进行连接，即通过集成在一体化数字收发单元的光电转换模块完成大容量数据的高速传输。雷达和通信发射时，对应各射频单元的幅相控制字、模式工作字及信源数据等由系统送入一体化DAM。雷达和通信接收时，各射频单元的数字正交回波信号在预处理后由一体化DAM送入后端信号处理系统。此种基于光纤的连接方式不仅极大地简化了系统架构，而且在抗干扰和稳定性方面都具有不可比拟的优势。

3.3一体化本振功分单元

一体化DAM中，射频模拟信号的频率变换均采用一次有源混频予以实现，故须将雷达和通信各自所需的本振信号功分至8个一体化射频收发单元使用。此功能由一体化本振功分单元予以实现。

在设计中，雷达和通信的本振功率分配网络使用微波带状线结构，并采用多层微带板电路取代传统的单层微带板电路，两个功分网络立体层压成一体，提高数字阵列模块的集成度、稳定性和可靠性。

3.4电源实现

对于供电，一体化DAM采用高电压直流输入，内部集成DC/DC电源模块，变换至各射频收发和数字收发单元所需直流电压的方式。此种供电方式简化了接口，减少了传输损耗，有助于提高整个系统的效率。

在设计中，为了获得良好的电磁兼容特性，DC/DC电源模块采取模拟、数字收发电源输出隔离的方式。对于文中的一体化DAM，8个一体化射频收发单元和8个一体化数字收发单元分别由一个独立的DC/DC电源模块进行供电。

3.5电磁兼容设计

对于雷达-通信一体化数字阵列模块，电磁环境比较复杂，呈现空域纵横交错、频域密集交叠的特点。在设计中，一方面设置大功率器件等干扰源的对外屏蔽、敏感源的保护及各通道之间的相互隔离，做好电磁屏蔽；另一方面，对各种干扰频谱成份进行抑制，包括针对雷达、通信本振信号及可能产生的相互交调信号，做好干扰滤波抑制。

3.6设计指标

本文设计的S波段雷达-通信一体化数字阵列模块所达到的主要性能指标如表1所示。

表1　一体化模块的设计实现指标

4　结束语

随着高新武器技术的发展，多功能、多任务、综合化日益成为武器系统的发展趋势。本文结合雷达-通信两种不同功能的军事需求，基于综合射频前端的方式，介绍了一种雷达-通信一体化数字阵列模块的设计实现方法，为多功能射频收发模块的设计分析和工程实现提供参考。

[1]张明友.雷达-电子战-通信一体化概论[M].北京：国防工业出版社,2010:30-32.

[2]邹广超,刘以安,等. 雷达-通信一体化系统设计[J]. 计算机仿真,2011,28(8):1-4.

[3]李廷军,任建存,等. 雷达-通信一体化研究[J]. 现代雷达,2001,23(2):1-2.

[4]吴远斌. 多功能射频综合一体化技术的研究[J]. 现代雷达,2013,35(8):70-74.

[5]林志远. 多功能综合射频系统的发展与关键技术[J]. 电讯技术,2006(5):1-5.

[6]孙延坤.雷达通信一体化波形的机载应用研究[D]. 成都:电子科技大学,2013.

[7]吴曼青. 数字阵列雷达的发展与构想[J]. 雷达科学与技术,2008,6(6):401-405.

[8]胡坤娇, 米波段数字阵列雷达的设计[J]. 雷达科学与技术,2008,6(6):422-425.

[9]刘晓政，陈荣兆，等. 一种C波段数字阵列模块设计与研究[J]. 中国电子科学研究院学报,2012,7(3):318-321.

[10]王才华,张德智，等. 一种S波段数字阵列模块的研制[J]. 雷达与对抗,2014,34(4):54-58.

Design of an S-band digital array module with radar and communication integration

BI Sheng, ZHANG De-zhi

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

In order to meet the requirements of modern warfare environment, a number of multifunctional integrated electronic systems emerge. According to the military demands of the integration of radar and communication systems, an S-band digital array module (DAM) is introduced in detail. The module adopts the integrated RF front end with common RF and digital TR units. The integrated design is made by integrating transmit and receive channels of radar and communication, providing the basis for engineering implementation.

DAM; integrated RF front end; radar and communication integration

2016-04-12；

2016-04-30

毕胜(1979-)，男，工程师，博士，研究方向：雷达微波系统及DAM；张德智(1970-)，男，研究员，研究方向：雷达微波系统及DAM。

TN957

A

1009-0401(2016)03-0001-04