一种S波段多功能综合射频系统设计

2018-01-05王才华张德智方南军陈利杰

雷达与对抗 2017年4期

关键词：校正宽带射频

王才华，张德智，方南军，陈利杰

(中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088)

一种S波段多功能综合射频系统设计

王才华，张德智，方南军，陈利杰

(中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088)

提出了一种新型的基于数字阵列雷达体制的S波段多功能射频系统设计。介绍了该多功能射频系统的顶层架构设计，列出了各分系统的设计注意要点，给出了S波段多功能综合试验系统研制实例。该系统的设计对后续多功能射频系统工程研制具有一定的指导和借鉴意义，具有较为广泛的应用前景。

综合射频；多功能；数字阵列；S波段

0 引言

传统意义上的雷达、电子侦察/电子干扰、通信等任务电子系统均由独立的射频系统完成，其要求不完全相同，各有侧重点。一般而言，雷达、电子侦察、电子干扰、通信系统对射频系统的具体要求如表1所示。

表1 不同任务系统对射频系统的主要要求

近年来，逐渐地将传统实现单个任务功能的射频系统进行一体化集成设计，采用一套射频硬件平台，实现多种射频功能，即多功能综合射频系统。该系统的核心思想是采用宽带多功能射频有源天线孔径，综合的开放式信号处理软件架构，灵活的资源调度与管理，实现雷达、电子战、通信、导航等多种射频功能。它的最终目标是采用一套复合功能的宽带硬件系统，通过灵活的软件配置组合，达到硬件平台统一、软件定义功能的目的。

由于多功能综合射频的诸多优势和潜在能力，世界各国发展势头迅猛，自上世纪80年代就开始了系列研究。以美军为例，首先是美海军最早开始资助多功能射频系统研究，从多功能射频实验系统(AMRFC)[1]开始，到集成桅杆(INTOP)计划，目前已经装备在DDG1000集成上层建筑上。在AMRFC试验台构架中，通过一个共用的孔径来实现雷达、电子战和通信系统的共用工作，在1～20 GHz范围内高低两频段分别实现，收发天线阵面分离以提高隔离，宽带/窄带数字接收机分离，窄带数字波束形成(接收)，宽带模拟波束形成，属传统的模拟相控阵雷达体制。系统组成功能框图如图1所示。

图1 美军多功能射频实验系统(AMRFC)

为解决第3代战斗机综合航空电子系统存在的问题，美空军在研制F-22飞机和F-35飞机等第4代战斗机的过程中进行了“宝石柱”(Pave Pillar)和“宝石台”(Pave Pace)[1]等综合航电发展计划。目前，F-35中已经采用了综合射频孔径的集成雷达、通讯、导航、电子战等功能的电子系统。其中，宝石台(PAVE PACE)接收和发射采用通用化模块构建，前端采用宽带的收发基本模块，后端根据任务与频率的不同采用宽带矩阵开关和公用IF开关分时实现不同功能模式下的频率变换与数字化。其射频系统原理概念架构框图如图2所示。

图2 美军“宝石台”(PAVE PACE)综合射频系统构架

国内在多功能综合射频系统方面的的研究也日益增多。下面介绍一种新型的基于数字阵列体制的多功能综合射频系统架构设计。

1 系统架构设计

数字阵列雷达[2]是近年来发展迅速的一种新型相控阵雷达，其核心内涵是接收和发射波束均以数字方式来实现。基本原理是发射波束利用DDS器件的高精度幅相控制能力，将波形产生和发射信号幅相控制融为一体设计，通过控制数字波形的相位和幅度来实现发射波束的空间调控；接收波束则是在中频回波数字化之后，在数字域进行幅相加权。基于收/发全DBF设计思想的新型相控阵雷达技术具有数字化、模块化、可扩充等优良特性，有着非常好的应用前景。它不仅具有常规相控阵雷达的所有优良性能，同时具有更大的波束调度灵活性、更好的抗有源干扰性能。

将数字阵列雷达体制和综合射频系统有机结合起来，将具有非常强大的竞争力。整个系统的原理构架非常简单，由“数字化高集成有源阵面+高速光纤传输+高性能计算”构成。一种新型的基于数字阵列体制的综合射频系统架构如图3所示。

图3 基于数字阵列体制的综合射频系统架构

系统具备以下一些特征：

(1) 采用多功能共用硬件模块

雷达、通信、电子战基于同一套宽带天线和宽带多功能数字阵列模块。

(2) 硬件和软件均采用开放式结构

硬件开放式结构指的是硬件系统结构采用按层次划分的系统结构，各层次之间的连接采用标准的接口，满足可扩展和易维护的需求。软件开放式结构指的是软件采用功能模块化设计，通过不同的功能模块组合形成不同的系统功能。软件模块之间的连接也采用标准接口，以便将来软件模块的调试和扩展。

2 分系统设计

2.1 宽带天线设计

在多功能综合射频系统中，天线设计应满足宽频带、宽波束等特点。一般目前在S波段多功能综合射频系统中天线设计方面有以下初步考虑，具体设计形式结合系统指标情况确定。

(1) 天线单元

可应用于宽角扫描的宽带天线单元形式，目前主要有微带振子天线、渐变槽线天线(Vivaldi)等。在设计时，先确定基本的单元形式，再结合具体的信号带宽、扫描等要求，进行详细设计。本系统相对频带宽度要求较高，而渐变槽线天线(Vivaldi)是一种宽频带、高增益天线，因此本系统天线单元形式采用Vivaldi天线。

(2) 天线布阵

S波段雷达系统中常采用平面相控阵天线，其阵面经常采用的两种组成方式为矩形栅格和三角形栅格。矩形栅格由于组阵方式较为简单，天线波瓣特性较好且馈电简单，因此被广泛采用。而三角形栅格布阵采用可少量减少天线辐射单元数(相对于矩形栅格组阵而言)及相应的信号通道数，从而节约系统成本，在两维大角度扫描的大型二维有源相控阵系统中采用较多。在满足系统指标情况下，从节省系统成本角度出发，本系统天线布阵形式采用三角形栅格布阵。

(3) 校正方式

校正方式一般分为外校正和内校正。外校正是指通过外场耦合方式输入校正信号的系统校正方法。这类方法的优点是无需复杂的校正耦合网络，校正系统简单，缺点是对环境要求较高，校正精度受外界环境的影响较大。内校正是指通过置于天线阵的校正耦合通道内输入校正信号进行系统校正的方法。其优点受外界环境影响小，状态固定，校正精度高，而缺点是需要相对较为复杂的校正馈电网络。本系统需要具备高机动性要求，工作环境较为复杂，因此综合考虑后，确定采用内校正方式。

2.2 宽带多功能DAM设计

数字阵列模块[3](简称“DAM”)是一种多通道的数字T/R组件，是系统中的核心部件之一，在系统中可灵活扩充。DAM完成的主要功能是：

(a) 数字化接收。一般包括雷达多通道射频回波的低噪声放大、下变频、滤波、A/D变换、数字正交解调等功能；

(b) 数字化发射。一般包括雷达发射信号的数字波形产生、幅度控制、相位控制、上变频、滤波、功率放大等功能；

(d) 数据传输。具有对数据进行编/解码并采用光纤等传输技术与雷达间进行信息交互的功能，一般包括控制命令字、数字化回波、模块工作状态等信息交互功能。

DAM中数字化收发通道的典型功能组成如图4所示。

图4 DAM数字化收发通道功能原理框图

在多功能射频系统中，为实现雷达、通信、电子战多种功能，在DAM设计中重点采用以下设计技术：

(1) 雷达通信发射链路兼容设计

针对通道发射链路，在雷达发射工作模式时，要求高效率大功率，单脉冲工作状态；而对通信上行工作模式，要求高线性低失真，保证系统误码率，发射链路工作在连续波状态。因此，关键的功率放大模块需按照上述要求进行设计。

(2) 开放式波形产生设计

多功能射频系统一般为雷达、通信及电子战一体化的系统，因此任意波形产生设计是大概率需要采用的关键技术。数字波形产生技术一般可以分为直接数字合成(DDS)技术和数字上变频(DUC)技术两种。两种技术都各有特点，建议波形产生采用DDS与DUC相结合技术。根据不同任务需求，参数化的波形通过DDS产生，非参数化的波形采用DUC方式产生，数字滤波、数字时延及数字混频等参数可动态配置，以任意波形信号适应各种电子任务系统的要求。

2.3 频率源及功分网络设计

频率源为系统提供基准时钟，同时为DAM提供所需的采样时钟及本振信号。一般来讲，系统中包含多个DAM，而系统中的频率源基本上为一套，因此需要对频率源的输出信号进行适当的放大、功分设计，以满足阵面的时钟、本振信号需求。一种典型的频率源及其功分网络设计原理框图如图5所示。

图5 频率源及其功分网络设计典型原理框图

采用一套频率源输出，先进行集中式的功率放大，再进行相应的多路无源功分，满足阵面各设备的时钟、本振功率需求，同时还可保证相控阵系统各分系统的相参性，以及多路单元间的幅相一致性。

3 试验系统研制

该S波段多功能综合射频试验系统采用数字阵列体制。阵面由128个天线组成，采用16行8列方式排布。天线单元通过高稳定度射频电缆连接到16个8通道多功能宽带DAM。馈线部分还包括校正网络。射频前端后接DBF分机，实现雷达、通信、电子战功能。图6为S波段多功能综合射频试验系统示意图。

图6 S波段多功能综合射频试验系统示意

在设计时，把有源天线部分集成为综合射频前端子阵。该系统包含2个综合射频前端子阵，每个子阵为8*8的综合射频前端，包括天线单元、校正网络、DAM、功分网络、射频盲配转接等。8*8综合射频子阵内部通过集成式水道，从侧壁将冷却液引到水分配器实现DAM的冷却。图7为8*8综合射频子阵分层示意图。图8为8*8综合射频子阵集成示意图。

图7 8*8综合射频子阵分层示意

图8 8*8综合射频子阵集成示意

该系统的后端处理完全基于高性能服务器硬件平台，通过软件实现。将射频前端回波的I/Q数据完全传输到高性能计算平台进行处理。在对宽带数字波束形成(DBF)系统设计时，根据雷达、通信、电子战不同的工作模式特点以及指标需求确定波束个数以及数据率。图9系统信号传输处理框架示意图。

图9 系统信号传输处理框架示意

该S波段多功能射频试验系统实现的主要技术参数如下：

● 工作频段：S波段

● 阵面规模：16*8

● 极化方式：水平极化

● 信号最大瞬时带宽：200 MHz

● 雷达模式：

▶ 接收噪声系数：≤3 dB

▶ 接收线性动态：≥60 dB(10 MHz)

▶ 发射单元输出功率：≥100 W(脉冲)

▶ 信号形式：LFM/NLFM/相位编码

● 通信模式：

▶ 调制方式：BPSK

▶ 发射单元输出功率：≥10 W(连续)

▶ 通信距离：≥300 km

● 电子战模式：

▶ 侦察灵敏度：≤-92 dBm

▶ 干扰样式：压制干扰、欺骗干扰、组合干扰

▶ 干扰距离：≥100 km。

该S波段多功射频系统主要性能指标测试结果如图10～图14所示。

图11 瞬时带宽200 MHz

图12 单元输出功率(雷达/脉冲)

图13 单元输出功率(通信/连续波)

图14 接收线性动态

4 结束语

近些年，多功能综合射频系统技术在国内发展迅速，已得到广泛学者研究关注。本文不仅提出了一种基于数字阵列体制的S波段综合射频系统其顶层架构设计，以及各分系统的设计注意要点，同时应用于工程研制，开发了小阵试验系统进行成功验证。这对后续多功能射频系统工程研制具有一定的指导和借鉴意义，具有较为广泛的应用前景。

[1] 徐艳国，胡学成.综合射频技术及其发展[J].中国电子科学研究院学报，2009(6)：551-559.

[2] 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)：401-403.

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

Design of an S-band multifunction integrated RF system

WANG Cai-hua, ZHANG De-zhi, FANG Nan-jun, CHEN Li-jie

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

A new S-band multifunction integrated RF system is designed based on the digital array radar system. The top architecture design of the system is introduced, and the design considerations of each subsystem are discussed. Finally, a development example of the S-band multifunction integrated RF system is given. The design of the system has some guidance and reference for the subsequent engineering development of the multifunction RF system, with a wide range of applications.

integrated RF; multifunction; digital array; S band

TP957

1009-0401(2017)04-0030-05

2017-09-11；

2017-10-20

王才华(1982-)，男，高级工程师，研究方向：雷达微波系统、数字阵列模块DAM；张德智(1970-)，男，研究员，研究方向：雷达微波系统、数字阵列模块DAM及T/R组件；方南军(1964-),男，高级工程师，研究方向：雷达微波系统、数字阵列模块DAM；陈利杰(1986-)，男，高级工程师，研究方向：数字化收发系统、微系统集成。