面向多功能射頻的綜合射頻前端技術研究?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

隨著戰爭形態的演化和科學技術的發展,各種作戰平臺面臨的威脅日益增多。為提高戰場生存率,機載、艦載等作戰平臺必須配備越來越多的電子系統,使得平臺同時具備雷達、電子戰、通信導航識別等多種能力。在保障雷達設備安全和正常工作的同時,借助通信設備傳遞信息和情報,使用電子對抗設備監視電磁環境、截獲信息、識別威脅、發出告警、干擾敵方武器系統[1-2]。

在作戰平臺上,上述多種電子系統如采取簡單疊加、自成系統的形式,平臺上的天線數目將越來越多,各電子系統存在融合程度不夠、電磁干擾嚴重等問題。以機載平臺為例,現代戰斗機的雷達、電子戰和通信設備如通過窄帶天線滿足各自特定的功能或波形,則一般需要配備50～70個天線,美國第四代戰機F-22按常規需要60多根天線。這不僅為裝載空間有限、功耗重量要求嚴格的機載、艦載平臺帶來不堪承受的重負;而且削弱了作戰平臺的機動能力,增加了雷達目標反射面積,降低了現代電磁環境中的抗干擾能力和現代武器裝備系統的作戰效能。

因此,為解決作戰平臺在裝備多種電子系統時面臨的諸多矛盾,多功能綜合射頻系統應運而生,且日益成為未來戰場電子系統的發展趨勢。此種多功能綜合射頻系統基于綜合射頻前端這一共用的射頻硬件平臺,通過軟件編程、動態配置使系統具備雷達、電子戰或通信等多種不同的功能。

1 多功能綜合射頻系統的概念、發展與組成

多功能綜合射頻系統,是通過分布式寬帶多功能孔徑,采用模塊化、開放式、可重構的射頻系統體系架構,基于功能控制與資源管理調度算法,同時(或分時)實現雷達、電子戰或通信等多種功能[3]。

由于多功能綜合射頻系統具有的潛在優勢, 20世紀80年代以來即在全球得到了蓬勃發展。為了解決艦艇頂部天線數量不斷增長等問題,美國海軍資助了艦用先進多功能射頻概念(AMRFC)等項目,旨在將雷達、電子戰和通信組合成一套共享的陣列天線、信號處理與顯示硬件的系統,實現艦艇多種功能的綜合一體化,如圖1所示。

圖1 AMRFC的期望實現目標

對于戰斗機航空電子系統,目前已誕生以“寶石柱”和“寶石臺”為代表的一體化大系統,并且正在向綜合化、信息化、模塊化和智能化方向發展。其中,“寶石臺”航電系統架構如圖2所示。基于“寶石臺”計劃的F-35戰斗機多功能綜合射頻系統被認為是居于世界領先水平。在F-35戰機上,多功能綜合射頻系統主要通過數據融合、信息融合和天線孔徑予以實現。許多雷達、通信、電子戰功能從硬件的配置中消失,而這些功能的獲取通過加載不同的軟件實現[4]。

多功能綜合射頻系統能夠以有限的空間實現多種功能,具有控制功耗、抑制干擾、降低成本等優點。對應功能的劃分,多功能綜合射頻系統主要由綜合射頻前端、綜合處理單元和綜合管理系統三大部分組成,典型組成架構如圖3所示。

圖2 “寶石臺”航電系統架構

圖3 多功能綜合射頻系統的典型組成架構

其中,綜合射頻前端是實現雷達、通信或電子戰等多種功能一體化的關鍵。基于綜合射頻前端的設計方式,有利于結合實際軍事應用需求,統一規劃射頻設備的功能,將多個任務電子系統的射頻前端盡可能多地共用,達到簡化系統組成、共用信息平臺的目的。

2 綜合射頻前端

綜合射頻前端的設計方式指:在頻域上通過收發通道的共用,實現多個不同收發頻段的覆蓋,有效地降低重量和成本;在時域上通過時序的合理調配或輔以相應的電磁兼容設計,完成同時或分時多種任務和多種角色的切換;在空域上通過天線的共孔徑或寬帶技術,完成射頻孔徑的完全或局部綜合,在提升天線孔徑利用率的同時支撐多功能系統的實現。

按照功能的劃分和模塊的組成情況,綜合射頻前端的實現主要包括三個方面,即射頻孔徑綜合、射頻通道綜合和頻率源綜合,其基本架構如圖4所示。射頻孔徑綜合即多個功能共享或共用一個天線孔徑;射頻通道綜合即多個功能共用一個射頻收發硬件平臺;頻率源綜合即本振、時鐘或發射激勵信號的綜合。本文將重點對射頻孔徑綜合和射頻通道綜合進行介紹。

圖4 綜合射頻前端的架構

3 射頻孔徑綜合

3.1 射頻孔徑綜合的概念

射頻孔徑綜合是利用天線的共孔徑技術或寬帶技術,按照空域、頻域、時域、調制域等諸多方面的要求,考慮其在功能、工作方式、工作頻段、覆蓋空域、工作時段、調制方式、極化方式、低RCS、載體適裝性等方面的特性,對各類天線進行整合,最大限度壓縮天線數量,使其成為共享的射頻孔徑,集中實現包括雷達、通信或電子戰等多種設備功能的空間電磁波能量和高頻電磁波能量之間的轉換,并最大限度地發揮其功能和效率,最終達到天線孔徑綜合利用的目的[5-6]。

對于機載、艦載和彈載等空間緊張、質量要求高的安裝平臺,如果天線種類和數量很多,天線之間不僅可能產生電磁耦合,而且天線的電磁場散射將破壞彼此的隔離度,進而干擾較為敏感的接收設備。應用射頻孔徑綜合技術,將功能單一的射頻孔徑發展為多功能的射頻孔徑,不僅天線更少、更集中,更有利于武器裝備整體的資源分配和隱身設計,而且提高了射頻綜合配置管理和平臺天線的電磁兼容性,消除了天線數量過多導致的不利影響。

3.2 一種實現射頻孔徑綜合的參考模式

射頻孔徑綜合主要體現為多頻段多極化共孔徑天線、超寬帶天線及可重構天線等。結合多功能一體化的應用需求,本文介紹一種L/C波段雙頻段雙極化共孔徑微帶天線陣的實現,其基本指標如表1所示。

表1 L/C波段雙頻段雙極化天線基本指標

對單個天線而言,表1中的各項指標要求較易實現。但對于共孔徑天線,由于天線的相互影響降低了性能,故指標難以達到要求。通過分析可知,L波段與C波段中心頻率比約為1∶4,L波段貼片相對C波段比較大,當天線使用同一個口徑輻射時,面積較大的L波段貼片勢必阻礙C波段貼片的輻射。此外,兩個頻段饋電網絡的互擾及所產生的寄生輻射問題,也使得天線性能惡化。

針對遮擋問題,此天線在設計中采用了在L波段貼片開孔的方案。兩個波段的貼片位于同一層微帶上,每個L波段貼片的面積約為4個C波段貼片面積,將L波段貼片設計成“田”字形,4個空隙處放置4個C波段貼片,解決了兩個頻段天線之間的輻射遮擋問題。

饋線影響也是共孔徑天線不可忽視的問題,共孔徑天線的饋電網絡往往較密集,饋線本身易產生寄生輻射,兩個頻段的饋線也將相互干擾。針對饋線影響問題,此天線利用口徑耦合饋電,將C波段饋線放置于反射地板下方,從而大大減小饋線的輻射。L波段的饋線放置于反射地板上方的薄介質板上,也有效地將L波段饋線的輻射抑制在可以接受的范圍內。L、C兩個波段的饋線通過分隔在反射地板的上下兩面,減少了兩個波段饋線網絡的相互干擾。

此外,為了獲得好的交叉極化性能,天線各個部分必須保持很好的對稱性,尤其在饋電方式上。此天線L波段開孔貼片采用鄰近耦合饋電;C波段采用完全對稱的口徑進行耦合,在開縫的另一端開對稱的“偽槽”以獲得好的交叉極化。設計完成的L/C波段雙頻段雙極化共孔徑微帶天線陣,如圖5所示。

圖5 L/C波段雙頻段雙極化共孔徑微帶天線陣

通過分析此天線的實現方式可知,在設計共孔徑天線時,需根據指標要求進行頂層規劃,確定不同頻段天線的排布方式及位置,充分考慮天線孔徑分布的不均勻性和柵瓣問題,根據天線排布確定天線單元及饋電網絡形式,并在此基礎上對天線進行整體優化。

4 射頻通道綜合

4.1 射頻通道綜合的概念

射頻通道部分是指處于天線和綜合處理單元之間的一些支撐電子電路,包括模擬電路和數字電路。射頻通道綜合是在分析雷達、電子戰和通信所占用頻段的基礎上,把各電子系統的收發、預處理等功能重新劃分和組合,采用模塊化、標準化的設計方法,將射頻通道盡可能多地共用,構建具有資源共享、可重構和通用化等特征的射頻收發系統。根據信號形式,射頻通道綜合分為模擬部分、數字部分和模數部分復用三種情況。

傳統的射頻收發系統一般采用單一化的設計思想,即各任務電子系統的射頻收發功能由一些分立的、具有不同功能和覆蓋不同頻段的設備完成。這將導致作戰平臺上存在多個相互獨立的射頻收發系統,彼此之間不僅爭奪平臺有限的能源和空間,而且電磁兼容問題比較突出。如果采用射頻通道綜合的設計方式,射頻收發系統將融合多個電子系統的部分或全部,打破原先硬件配置中的界線,轉而通過系統軟件的控制管理實時或分時完成各種作戰任務。此舉不僅降低了系統的體積、重量和功耗,而且較大改善了可靠性、維修性和擴充性。

4.2 一種實現射頻通道綜合的參考模式

結合雷達和通信功能一體化的應用需求,本文介紹一種S波段雷達通信一體化數字陣列模塊(DAM)的設計,基于分時體制實現雷達數字化收發和通信數字化收發功能。在降低系統體積、重量和功耗的同時,設計中還兼顧了模塊劃分和集成方式對可重構和可擴展能力的影響。其功能組成框圖如圖6所示。

圖6 一體化DAM功能組成框圖

雷達-通信一體化數字陣列模塊采用中頻采樣方式,其內部主要由如下單元組成:

1)一體化射頻收發單元

一體化DAM共集成了8個一體化射頻收發單元,其功能組成框圖如圖7所示,主要完成雷達和通信發射激勵信號的頻率變換、功率放大;完成雷達回波信號和通信信號的低噪聲接收、頻率變換等功能。

圖7 一體化射頻收發單元組成框圖

在設計中,由于雷達和通信電子系統對各自信號指標的要求不同,發射時在滿足雷達飽和功率輸出的同時,對于通信進行回退,使得功率放大器工作在線性區,保證了通信所需的較高線性度。對于變頻電路,一體化DAM采用有源混頻方式,增益控制電路也集成于其中。

2)一體化數字收發單元

一體化數字收發單元,包括一體化數字接收機、數字波形產生和光電轉換模塊,集成在一塊數字電路板中,實現8通道雷達和通信中頻激勵信號的數字波形產生、8通道雷達回波信號和通信信號的數字接收下變頻、數據的高速傳輸功能,其功能組成框圖如圖8所示。

圖8 一體化數字收發單元組成框圖

射頻通道綜合作為實現多功能綜合射頻系統的核心,在設計中需要考慮雷達、電子戰或通信等多種功能模式對戰技指標的要求。因為ADC、DA和寬帶模擬器件水平的限制,多種功能模式難以同時獲得較高性能,所以在設計中需要區分主輔功能,在優先保證主要功能的同時最優化其他功能。

5 結束語

綜合射頻前端是實現多功能綜合射頻系統的關鍵。本文在介紹多功能綜合射頻系統的基礎上,對綜合射頻前端的概念和實現方式進行了分析,并重點描述了射頻孔徑綜合和射頻通道綜合兩種方式。隨著現代電子系統集成技術的飛速發展,多功能綜合射頻系統已成為一種發展趨勢,綜合射頻前端更將凸顯其重要性。

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