机载多功能综合射频一体化发展研究

薛 慧,张 昊

(南京电子技术研究所,南京 210039)

工程与应用 doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.05.014

机载多功能综合射频一体化发展研究

薛 慧,张 昊

(南京电子技术研究所,南京 210039)

本文在分析了当前美俄等国际机载综合射频系统装备基础上，结合法国、英国和挪威等国家开展的主要研究项目，总结了机载综合射频系统主要技术途径，并对单平台及多平台间的雷达、ESM和ECM等系统的协同探测应用开展了调查研究。

综合射频；一体化；协同探测；雷达；ECM

0 引 言

现在战争要求新型战斗机具有多种作战样式和作战功能，各作战平台上不可避免的装备多型雷达、电子战(EW)、通信等电子设备。电子系统的增加直接导致了平台上天线数目急剧增多，带来一系列问题，如电磁兼容、RCS增大、维护困难等。

随着有源相控阵阵列(AESA)、开放式架构和数字处理技术的进步，机载多功能综合射频一体化逐渐成为未来机载电子系统的发展方向。机载多功能综合射频一体化系统拟采用共用设计，摆脱传统的分散、独立、专用的射频链路设计，将一体化推进至天线及射频前端，基于尽可能少的综合射频模块构建一个兼具态势感知、电子对抗(ECM)、通信、导航、识别等多功能的一体化综合射频系统，可显著降低机载航电系统的重量、尺寸、功耗和成本等，可动态分配系统资源、快速转换系统功能，从而缩短系统反应时间，提升作战能力。

多功能综合射频系统的核心技术，也是当前发展技术难点，即宽带/超宽带多功能相控阵天线技术。超宽带相控阵天线的大带宽和灵活波束捷变能力，可为相控阵雷达集成电子支援(ESM)、电子对抗(ECM)、高速数据链通信等功能提供条件，并提高雷达的对地/对海目标检测、高分辨率成像、目标分类和识别能力，解决地面/海面静止目标和慢目标检测问题，及抗干扰能力。在该方面，美国空军、DARPA、法国泰勒斯集团、英国Selex公司以及俄罗斯季霍米洛夫仪器研究所(NIIP)等相关机构开展了大量研究工作[1～4]。

1 装备现状

据现有资料显示，美国F-22A和即将装备的美F-35、俄罗斯的T-50在一定程度上实现了综合射频一体化，表1给出了其机载综合射频系统相关参数。

表1 目前装备的主要机载综合射频系统

1.1 美国F-22A与F-35

F-22A装备的雷达型号为APG-77，综合射频系统“宝石柱”，T/R数量1500个。F-35装备的APG-81雷达基于F-22A的“宝石柱”计划，由诺·格公司研制，采用1200个瓦式T/R组件，对1m2空中目标的最大探测距离约125km，方位/俯仰覆盖均为70。为进一步降低技术风险，美军开展了“综合传感器系统”(ISS)计划和“多功能综合射频系统”(MIRFS)计划，不仅雷达、EW、通信、导航和识别共用处理器，有源相控阵天线还与其他天线孔径一起完成EW、数据通信等功能，从而实现多功能。通过综合运用天线孔径，F-35机身上的天线孔径减少为21个(远低于F-22的62个)，其综合射频技术更加成熟。

美军通过综合射频系统与软件无线电技术的融合，形成了包括F-22、F-35、EA-18G等战机配置的综合电子作战系统，既可用于雷达探测，又可用于电子侦察、电子干扰。

图1 F-35机载雷达作战能力

1.2 俄罗斯T-50

俄罗斯的第一款五代机T-50即将在2016年装备空军部队，该机的机载雷达为N036雷达(此前称为AFAR-X)，是由俄罗斯季霍米洛夫仪器研究所(NIIP)研发的SH121多功能综合射频系统(MIRES)，包含N036雷达系统和L402电子支援措施系统。N036雷达系统实际上是一部由5部雷达组成的多波段雷达系统，包括X波段N036-1-01有源相控阵雷达(1522个T/R组件，担任主雷达角色)、飞机机头两侧安装的小型侧视型X波段N036B-1-01雷达，以及安装在机翼前缘的2部L波段N036L-1-01雷达，不仅用于支持敌我识别系统，还可用于二次监视等。

N036-1-01主雷达工作于X波段，采用倾斜式安装以降低正面的雷达RCS，提高射频隐身性能。N036雷达的T/R组件数大约1522个，和美国F/A-22A的APG-77有源相控阵雷达相当，对2.5 m2的战斗机目标探测距离为350～400 km，对1 m2的目标探测距离为260～300 km 。N036B-1-01雷达工作于X波段，位于机首两侧，每个阵面含358个T/R组件。N036L-1-01工作于L波段，对RCS为1 m2目标的探测距离大约为70～90 km。

图2 N036研制型样机(上)；N036雷达的T/R组件，其馈电网络呈对称分开形状(下)

2 技术途径

机载多功能综合射频系统包括若干关键技术，如超宽波段AESA技术、数字阵列技术、大动态范围的多功能接收机技术、数字接收机技术以及不同宽带天线子阵与其它频率栅格的匹配问题等[5-7]，在相关文献中已多次被提到，本文不再赘述。目前发展瓶颈主要集中在宽波段AESA技术以及多功能天线间的匹配集成，下面主要针对这两方面给出相关技术解决途径。

2.1 多功能天线阵列

相控阵天线是综合射频一体化系统天线的不二选择，负责向空间发射电磁波并接收来自目标的反射回波。综合射频系统若需具备雷达、EW、通信、导航等多种功能，其频率必须覆盖各功能的典型频率，即具有超宽带特性，如4.5～18 GHz。

法国泰勒斯机载系统公司在战斗机、无人战斗机的综合射频系统方面开展了先导性研究，并在欧洲防御局(EDA)主导的超材料有源相控阵(METALESA)计划下，探索多功能综合射频技术的发展[1-2]。

由于机载雷达和电子战系统(EWS)所要求的覆盖区域不同，通常要求机载雷达可以覆盖前方扇区和机身两侧的区域，而EWS需要具有360°覆盖能力，且同时要求AESA具备高增益和宽带特性。由于关键技术发展程度较低，雷达和电子战能力一直没有得到很好的融合，发展到今天，一些关键技术获得了突破，如宽波段AESA和宽频RF技术，所以未来雷达和EWS功能的融合成为可能。图3和图4给出了两个宽波段、薄型辐射结构的示例，可以实现宽角度扫描和多极化。通过该结构可以同时实现雷达和电子战(EW)的功能，以及COMINT(通信(中截获的)情报)功能。

图3 中/高频宽带自补偿平面共形结构和瓦片阵列

图4 低频宽带薄型天线

图5的高增益多功能相控阵天线具有超宽频带、超宽角扫描能力，带宽达到3∶1。该天线源自泰勒斯公司的ALABAMA计划，采用瓦片式、双极化、自补偿辐射结构，可嵌入多层绝缘结构中，辐射单元通过一个共形冷却板、频综器和分频器，实现与3D射频模块相连，具有低剖面紧凑特性，可与载机平台实现共形[3]。该天线同样采用超材料结构，有助于设计多波段印制阵列，并抑制宽带印制阵列的接地效应，减少盲角现象。

图5 超宽带自补偿共形天线的多层片式结构

将上述的超宽带相控阵天线应用于多种平台，即可实现系统间和平台间的协同，下面简单介绍两个例子[9]：

(1)无人战斗机载的网络化战斗电子系统

如下图所示为UCAV平台上使用的NCES(Networked Combat Electronic Systems, NCES)，天线阵列为几个分布式的宽带AESA，配合相关的RF前端子系统，可以实现如下几个功能(本文暂不讨论RF系统与光电系统的协同)：

▶可实现360°的ESM功能，且具有较高的角精度；

▶雷达功能(空空和空地/海模式)；

▶干扰功能；

▶其它卫星通信、数据链等功能。

(2)无人机载网络化侦查电子系统

将上述的多功能系统进行简单转换即可实现侦查功能，即NSES(Networked Surveillance Electronic Systems, NSES)系统。

该系统采用不同的天线和RF前端，频段可以覆盖VHF～K波段，旨在通过尽可能少的宽带多功能天线和RF前端实现多种系统功能，可以包括：

可穿透植被的SAR成像和自动目标识别(ATR)功能：通过VHF波段实现SAR/FOPEN或GMTI/FOPEN，通过低于2GHz的薄型低频的宽波段天线实现COMINT(通讯情报)功能；

▶通过中/高宽带天线实现ELINT(电子情报)、高分辨率SAR成像，并具有ATR和GMTI功能；

▶X波段双模传感器：实现雷达探测功能，大空域覆盖的空中避让功能和ESM功能。

UAV载侦查系统通常要求载荷具有质量轻、低功耗和低成本(相比平台总价)的特性。与战斗机不同的是，在侦查平台上，不要求同时实现所有功能，功能之间允许分时、交叉作用。所以，侦查平台的载荷要求也低于载人战斗机上的载荷要求。在这种情况下，即允许多个传感器共用子系统，相关组件包括下/上转换器、多模数字IF接收机、波形发生器、电源等。

无论是UCAV平台还是无人机侦查平台的应用，传感器网络管理的核心都如图6所示，该核心完成的任务包括：

图6 NCES概念

图7 NSES概念

▶多任务、多功能AESA系统的管理(监控、时序安排和优先级管理)。例如，在实现360°全方位无源侦查时要求所有方向的天线协同工作，但在空空雷达跟踪模式下只需要一个天线即可完成任务，这就需要对AESA天线进行管理；

▶基于FPGA的软件重构(数字接收机，波形发生器，高速数字处理器)

▶所有的处理任务(信号和数据处理)；

▶平台的人机接口。

当然，任何平台的射频系统的综合都要以满足系统设计需求为前提，下表给出了无人机载综合射频系统的功能模式及其基本特征需求[9]。

表2 无人机载综合射频系统功能的模式及其特征一览表

2.2 无人机超紧凑综合射频系统

紧凑型无人机载多功能射频系统在减少自身重量、体积的同时节省了平台宝贵资源，使其可以装备更多侦察或武器系统，等效于增加了平台作战能力。英国SELEX(塞莱克斯·伽利略)公司与泰勒斯英国公司联合开展了无人机超紧凑多功能射频传感器计划(MRFS)[4]，拟采用一部可复位有源相控阵天线(或两部天线)，覆盖4.5～18 GHz，实现雷达、ESM、ECM、数据链等功能，在孔径、射频、数字模块和处理终端的多功能、通用化方面开展研究。第一阶段已结束，第二阶段开展超宽带结构一体化天线的研制。在该方面，塞莱克斯·伽利略公司曾开发了无人机PicoSAR成像项目，已经积累了相当丰富的经验。

图8 MRFS系统架构

图9 超宽带天线阵列

MRFS研究主要用于验证超宽带综合射频一体化结构概念应用于超紧凑型无人机(7 kg载荷)和战术型无人机(50 kg)平台上的可能性，重点关注的RF概念包括：

▶雷达(包括SAR、GMTI、火控和侦察)，中心频率VHF～W波段，包括双基地SAR(共发射机和非共发射机情况)；

▶敌我识别(IFF)询问机(L波段)和战场目标识别设备(BTID)询问机(Ka波段)；

▶通讯电子支援(30 MHz～6 GHz),包括定位需求；

▶雷达电子支援(UHF～Ka波段)，包括定位需求；

▶通讯电子对抗(30 MHz～6 GHz)；

▶雷达电子对抗(UHF～Ka波段)，包括定位需求；

▶通讯数据链，包括当前需求和未来预期的需求；

▶导航RF系统(GPS, Galileo)，主要针对复杂干扰环境下的精确导航。

2.3 超宽带宽角扫描X波段数字阵列雷达天线

挪威国防研究部设计了一个X波段8×8数字阵列雷达天线[8]，设计中采用了耦合叠层贴片天线单元结构。由于采用了谐振孔径和叠层贴片技术使系统在7.6～12.8 GHz (51%)带宽上的反射系数达到-10 dB。在某特定频率上扫描角可达±80°，在8～8.5 GHz频带范围内扫描角达±55°。阵列结构设计中采用了低损耗材料，使辐射效率高达97%。为了减少后向辐射和电磁波在基片中的传播损耗，该设计在孔径周围采用了接地屏蔽和转接盒措施。

图10给出了单个天线单元的结构，采用了耦合叠层贴片天线技术，并增加了接地屏蔽和转接盒措施。该天线结构可应用于MIMO雷达，作为大型相控阵雷达天线的一个子阵，或者用作无人机(UAV)的雷达天线，主要设计指标包括：

◆ 中心频率8.25 GHz，带宽>500 MHz时反射系数达-10 dB；

◆ 使8.25 ±0.25 GHz 频率上E平面和H平面内的扫描角均最大化；

◆ 减少表面波以防止扫描盲区；

◆ 消除栅瓣，避免不必要方向的功率辐射；

◆ 高方向性比，以保护天线背面的Tx/Rx电路；

◆ 辐射效率>90%，使天线损耗和温升最低

天线单元的设计采用了孔径耦合馈电方式。孔径耦合馈电的特点是它可以提供低正交极化、弱杂散的馈电辐射，且馈线可以很容易的从后面实现。通过一个带孔的接地平面将贴片和馈线隔开。这个孔可以实现馈线到贴片的场的耦合。图11所示为8×8天线阵列的结构图。

图10 单个天线单元的层叠结构

图11 天线阵列的(a)背面；(b)侧面；(c)下层薄板的主视图；(d)坐标系

2.4 通信天线与雷达、EWS天线的集成

为了实现战术情报的传递，协同中的空中平台均装备有数据链，如Link16。但由于保密等条件限制，广播数据链并不适用，需要额外安装其它的“ad-hoc”(点对点)数据链。为了减少天线数量或载荷以增加武器搭载量，可利用RF子系统(雷达或EWS)天线实现通讯功能。

战机与战机、战机与地面指挥中心的数据链主要有3种：

(a)低数据率链路(数十kbit/s)：该型链路主要用于战机间雷达和ESM跟踪数据的交换，典型的如雷达在GMTI模式下战机协同进行目标的2D精确定位。

(b)中数据率链路(10 Mbit/s量级)：典型应用如战机对地或对空中威胁目标的SAR图像或光学图像的传输。

(c)高数据率链路(数百Mbit/s及以上)：可以预测的应用包括高分辨率图像或视频的传输，通过上行链路和下行链路，飞机平台可以与地面站进行数据传输，或者空中战机与战机间进行数据传输。其中一个潜在应用是将高分辨率图像传输至指挥和控制中心(C3)以结合其它传感器资源对威胁目标进行识别，然后将判断结果传输至最有利的平台或武器系统对威胁目标进行打击。

对于前两种数据链，要求覆盖飞机平台的360°方位，按照目前数据率的要求，采用ESW的天线是最合适的方案。对于第三种数据链，要求数据率非常高，且通常为远距离传输，因此要求EIRP要较高。目前适用于该方案的天线为鼻锥部位的大功率X波段宽带AESA。在发展的下一阶段，通过多功能宽带AESA可扩展数据链的方位角，这样便可降低对战机飞行方向的要求。

3 协同探测

综合射频系统一体化实现的最终目标是进一步推进雷达与ESM、ECM系统的协同。通过协同可以进一步增加平台的隐身性能，同时提升目标数据的可靠性，最重要的特性是可以最大程度的节省系统资源，如通过ESM目标数据的指示，可以缩小雷达的搜索范围。如下图所示，机载雷达与EWS的协同分为4级：

图12 雷达/EWS协同的4个层级

1)0级——在相当长的一段时间内，雷达和EWS之间主要是避免相互干扰。雷达发射、雷达告警监视和ECM之间分时处理。

2)1级——基于数据融合的雷达与EWS之间的协同，不仅达到了雷达和电子战的功能，且比两者分开要更有效；

3)2级——雷达与EWS之间共享原始数据，从而提高两者的性能；

4)3级——共用子系统，如天线、激励器、接收机、处理机等，该子系统可以实现雷达和EWS两者的功能；

5)4级——形成雷达和EWS的双功能传感器网络，且实现紧密和小型化部署。两系统之间可以实现新资源的共享，该网络可以在单平台上实现，也可部署在多协同平台上。

(1)机载火控雷达与EWS通过数据融合对空中非合作目标的识别

机载雷达对空中非合作目标的识别，多指在空空探测中利用目标发动机特性。空中目标的发动机将会对雷达回波产生压缩调制效应，从而产生特征谱，根据不同特征谱可以对空中目标进行识别。该效应在“喷气式发动机调制效应”相关资料中有详细介绍。该技术对装备相同或类似发动机的飞机不能识别。

电子战系统中的ESM对非合作目标的识别主要是利用目标的雷达发射信号以及波形等特性。正如前面所述，该方法对装备同一型雷达的多型战机无法识别。将机载雷达和电子战系统的数据进行融合，尽可能提高其对非合作目标识别的准确性，具体包括：

1)对装备同类发动机的战机的识别(雷达NCTR/JEM)；

2)对搭载同型雷达的战机目标的识别(ESM NCTR/雷达识别)。

若要同时实现雷达和ESM功能，必须对两个系统的时/频分配进行研究，以尽可能获得高的识别能力。

(2)UAV侦察机通过雷达与EWS的数据融合实现“空中避让”

该功能主要用于UAV平台的交通管制中。除了战时，UAV通常在隔离地带飞行，在一定区域、一定时间段内执行特定侦查任务。在无人机平台上，“空中避让”是必备功能，且出于安全考虑，该系统要具备很高的可靠性。所以，为了实现高可靠性，需要采用多传感器融合技术。

雷达是实现“空中避让”的首选，但在UAV平台上重量严格受限，且考虑到成本原因，其探测距离受到限制。大多数的潜在入侵者都装备有异频雷达收发机或气象雷达以实现导航功能。这些发射信号都可以被远距离的ESM接收，因此将UAV上的雷达和ESM进行数据融合从而实现“空中避让”将大大提高其可靠性。

(3)空地任务中EWS对雷达的辅助探测

本功能主要用于空地任务中，EWS辅助雷达对敌方防空系统进行压制。

◆首先，电子战系统(EWS)中的电子支援系统(ESM)对敌方地面雷达进行粗定位。电子支援系统对目标的定位比较粗，只能定位在一个椭圆范围内。

◆第二步，雷达通过SAR成像模式对ESM给出的椭圆范围进行成像。SAR成像尺寸与ESM定位精度要匹配。

◆第三步，通过SAR成像给出的目标位置数据，改变雷达模式进一步对目标进行精确定位，并给出目标坐标。

在此任务中，通过雷达与EWS的协同，可以通过未安装任何寻的导引头的低成本导弹对目标发起攻击。最后的目标指示仅需要INA/GPS导航完成。

(4)空空任务中雷达与EWS协同对远距离空中目标进行探测

本功能主要是在空空任务中，两个传感器通过互相协同对空中远距离目标进行探测和识别。

目前，若想对远距离上的雷达进行探测和识别，则ESM必须在雷达主瓣照射范围内。而对于一较小的角度范围内的多个飞机目标，则区分比较困难。若多型飞机搭载的雷达也相同，ESM几乎不能将其区分开来。

相反的，雷达在多目标探测方面具有一定的优势，可以通过目标的距离、多普勒效应及其天线的角度选择性对目标进行识别。但雷达的缺点是探测距离小于ESM。但是，当雷达缩小搜索范围的角度Ω时，其探测距离可以增加(探测距离正比于Ω1/4)。

如下图所示，在该方案中，ESM对有发射信号的雷达目标进行探测，雷达雷达只在小角度范围内对不发射信号的飞机目标进行探测，由于减小了扫描角，所以雷达也可以对远距离、小角度范围内的目标进行探测、识别，这就解决了上述问题。该例子中EWS与雷达系统按顺序分配工作，没有考虑到时/频分配问题。

图13 远程空空作战中ESM与雷达的分工协作

(5)雷达与EWS间的模块共享

EWS和雷达的一些模块可以实现共享，部分可共享(但不限于此)模块包括高增益宽波段X波段有源阵列(包含多个子阵)、低/中增益的宽波段天线、可调谐RF滤波器、RF和IF开关、下/上转换器、多模数字IF接收机、宽/窄波段波形发生器、电源等。

目的是减少通用元件的无效重复，从而降低系统成本和尺寸。但系统结构的设计必须首先要满足系统功能的基本需求，不同平台对功能的必要性要求不同，如下：

1)有人战斗机：需要同时具有雷达和EWS(雷达探测，ESM和ECM)功能，对突然出现的目标具有快速反应能力，在实现模块共享的同时要保证两者的战斗力不减弱或减弱不明显。在保证上述条件的情况下，实现模块共享仍是目前有人战斗机的重要发展方向。

2)无人战斗机(UCAV)：除一些特定功能外，可允许部分结构交替使用，但交替使用的程度取决于飞机平台的成本以及因为共享而带来的平台性能的损失的折中程度。

3)侦查系统：尤其对于UAV可以实现较大程度的模块共享，其任务通常不要求同时实现(如地面动目标探测和ESM即可以交叉进行)。此外，UAV侦查平台通常不需要电子攻击能力。

(6)雷达与EWS通过资源共享提高ESM灵敏度

该部分主要介绍一个通过资源共享改善X波段ESM灵敏度的例子。众所周知，ESM接收机的灵敏度受到限制，并且只能探测被主瓣覆盖的雷达信号。将ESM接收机连接到一个高增益的雷达AESA上，通过该措施，ESM的灵敏度(-dBmi)将被大大提高，但仅限于一定特定方向上(AESA的主波束方向，如图所示)

图14 ESM灵敏度的提高

经过改善，ESM不仅可以对主瓣照射的雷达进行探测，也可以对旁瓣照射的雷达进行连续探测。根据提高后的系统性能，制定新的频域和空域扫描策略，最典型的是仅利用主瓣探测，但频率受限较多。该措施不仅限用于AESA中，也可以应用到其它X波段雷达中。时/频共享问题在此处仍不用考虑，因为ESM与雷达共享天线。

4 结 语

随着电子技术的发展及军事需求的增长，战斗机等平台上的雷达、通信、电子战等各类射频系统越来越多。各类传感器之间的电磁干扰，使得各系统难以最大限度地发挥各自性能。多功能综合射频系统，频率可以覆盖雷达、通信、电子战等各个频段，满足一体化设计需求，可最大化节省载机平台的空间，减少电磁兼容、干扰等问题，且组件、信息、数据的共享可以进一步提升雷达、通信、ECM、ESM等系统间的协同能力，从而进一步提升平台的总体作战能力，必将成为新一代战机的装备发展方向。

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薛 慧(1984—)，女，内蒙古人，高级工程师，主要研究方向为雷达及军用武器系统总体、作战概念等；

E-mail：xuehui_2001@163.com

张 昊(1990—)，男，河北省邢台市人，工程师，主要研究方向为雷达系统及其平台。

Research on Airborne Mufti-functional RF Integration System

XUE Hui, ZHANG Hao

(Nanjing Research Institute of Electronic Technology, 210039)

The article firstly focuses on the current international equipment and research programs about airborne RF integration system of the United States, Russia, France and Norway etc., and then summarizes the main technical way of airborne integrated RF system, finally carries out investigation and study of collaborative detection applications between radar, ECM and ESM systems from the same platform or different platforms.

Integrated RF; collaborative detection; radar; ECM

2016-03-15

2016-05-25

：A

1673-5692(2016)05-532-08