一種S波段多功能綜合射頻系統設計

王才華，張德智，方南軍，陳利杰

(中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088)

一種S波段多功能綜合射頻系統設計

王才華，張德智，方南軍，陳利杰

(中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088)

提出了一種新型的基于數字陣列雷達體制的S波段多功能射頻系統設計。介紹了該多功能射頻系統的頂層架構設計，列出了各分系統的設計注意要點，給出了S波段多功能綜合試驗系統研制實例。該系統的設計對后續多功能射頻系統工程研制具有一定的指導和借鑒意義，具有較為廣泛的應用前景。

綜合射頻；多功能；數字陣列；S波段

0 引 言

傳統意義上的雷達、電子偵察/電子干擾、通信等任務電子系統均由獨立的射頻系統完成，其要求不完全相同，各有側重點。一般而言，雷達、電子偵察、電子干擾、通信系統對射頻系統的具體要求如表1所示。

表1 不同任務系統對射頻系統的主要要求

近年來，逐漸地將傳統實現單個任務功能的射頻系統進行一體化集成設計，采用一套射頻硬件平臺，實現多種射頻功能，即多功能綜合射頻系統。該系統的核心思想是采用寬帶多功能射頻有源天線孔徑，綜合的開放式信號處理軟件架構，靈活的資源調度與管理，實現雷達、電子戰、通信、導航等多種射頻功能。它的最終目標是采用一套復合功能的寬帶硬件系統，通過靈活的軟件配置組合，達到硬件平臺統一、軟件定義功能的目的。

由于多功能綜合射頻的諸多優勢和潛在能力，世界各國發展勢頭迅猛，自上世紀80年代就開始了系列研究。以美軍為例，首先是美海軍最早開始資助多功能射頻系統研究，從多功能射頻實驗系統(AMRFC)[1]開始，到集成桅桿(INTOP)計劃，目前已經裝備在DDG1000集成上層建筑上。在AMRFC試驗臺構架中，通過一個共用的孔徑來實現雷達、電子戰和通信系統的共用工作，在1～20 GHz范圍內高低兩頻段分別實現，收發天線陣面分離以提高隔離，寬帶/窄帶數字接收機分離，窄帶數字波束形成(接收)，寬帶模擬波束形成，屬傳統的模擬相控陣雷達體制。系統組成功能框圖如圖1所示。

圖1 美軍多功能射頻實驗系統(AMRFC)

為解決第3代戰斗機綜合航空電子系統存在的問題，美空軍在研制F-22飛機和F-35飛機等第4代戰斗機的過程中進行了“寶石柱”(Pave Pillar)和“寶石臺”(Pave Pace)[1]等綜合航電發展計劃。目前，F-35中已經采用了綜合射頻孔徑的集成雷達、通訊、導航、電子戰等功能的電子系統。其中，寶石臺(PAVE PACE)接收和發射采用通用化模塊構建，前端采用寬帶的收發基本模塊，后端根據任務與頻率的不同采用寬帶矩陣開關和公用IF開關分時實現不同功能模式下的頻率變換與數字化。其射頻系統原理概念架構框圖如圖2所示。

圖2 美軍“寶石臺”(PAVE PACE)綜合射頻系統構架

國內在多功能綜合射頻系統方面的的研究也日益增多。下面介紹一種新型的基于數字陣列體制的多功能綜合射頻系統架構設計。

1 系統架構設計

數字陣列雷達[2]是近年來發展迅速的一種新型相控陣雷達，其核心內涵是接收和發射波束均以數字方式來實現?；驹硎前l射波束利用DDS器件的高精度幅相控制能力，將波形產生和發射信號幅相控制融為一體設計，通過控制數字波形的相位和幅度來實現發射波束的空間調控；接收波束則是在中頻回波數字化之后，在數字域進行幅相加權?；谑?發全DBF設計思想的新型相控陣雷達技術具有數字化、模塊化、可擴充等優良特性，有著非常好的應用前景。它不僅具有常規相控陣雷達的所有優良性能，同時具有更大的波束調度靈活性、更好的抗有源干擾性能。

將數字陣列雷達體制和綜合射頻系統有機結合起來，將具有非常強大的競爭力。整個系統的原理構架非常簡單，由“數字化高集成有源陣面+高速光纖傳輸+高性能計算”構成。一種新型的基于數字陣列體制的綜合射頻系統架構如圖3所示。

圖3 基于數字陣列體制的綜合射頻系統架構

系統具備以下一些特征：

(1) 采用多功能共用硬件模塊

雷達、通信、電子戰基于同一套寬帶天線和寬帶多功能數字陣列模塊。

(2) 硬件和軟件均采用開放式結構

硬件開放式結構指的是硬件系統結構采用按層次劃分的系統結構，各層次之間的連接采用標準的接口，滿足可擴展和易維護的需求。軟件開放式結構指的是軟件采用功能模塊化設計，通過不同的功能模塊組合形成不同的系統功能。軟件模塊之間的連接也采用標準接口，以便將來軟件模塊的調試和擴展。

2 分系統設計

2.1 寬帶天線設計

在多功能綜合射頻系統中，天線設計應滿足寬頻帶、寬波束等特點。一般目前在S波段多功能綜合射頻系統中天線設計方面有以下初步考慮，具體設計形式結合系統指標情況確定。

(1) 天線單元

可應用于寬角掃描的寬帶天線單元形式，目前主要有微帶振子天線、漸變槽線天線(Vivaldi)等。在設計時，先確定基本的單元形式，再結合具體的信號帶寬、掃描等要求，進行詳細設計。本系統相對頻帶寬度要求較高，而漸變槽線天線(Vivaldi)是一種寬頻帶、高增益天線，因此本系統天線單元形式采用Vivaldi天線。

(2) 天線布陣

S波段雷達系統中常采用平面相控陣天線，其陣面經常采用的兩種組成方式為矩形柵格和三角形柵格。矩形柵格由于組陣方式較為簡單，天線波瓣特性較好且饋電簡單，因此被廣泛采用。而三角形柵格布陣采用可少量減少天線輻射單元數(相對于矩形柵格組陣而言)及相應的信號通道數，從而節約系統成本，在兩維大角度掃描的大型二維有源相控陣系統中采用較多。在滿足系統指標情況下，從節省系統成本角度出發，本系統天線布陣形式采用三角形柵格布陣。

(3) 校正方式

校正方式一般分為外校正和內校正。外校正是指通過外場耦合方式輸入校正信號的系統校正方法。這類方法的優點是無需復雜的校正耦合網絡，校正系統簡單，缺點是對環境要求較高，校正精度受外界環境的影響較大。內校正是指通過置于天線陣的校正耦合通道內輸入校正信號進行系統校正的方法。其優點受外界環境影響小，狀態固定，校正精度高，而缺點是需要相對較為復雜的校正饋電網絡。本系統需要具備高機動性要求，工作環境較為復雜，因此綜合考慮后，確定采用內校正方式。

2.2 寬帶多功能DAM設計

數字陣列模塊[3](簡稱“DAM”)是一種多通道的數字T/R組件，是系統中的核心部件之一，在系統中可靈活擴充。DAM完成的主要功能是：

(a) 數字化接收。一般包括雷達多通道射頻回波的低噪聲放大、下變頻、濾波、A/D變換、數字正交解調等功能；

(b) 數字化發射。一般包括雷達發射信號的數字波形產生、幅度控制、相位控制、上變頻、濾波、功率放大等功能；

(c) 數據預處理。具有多通道收發信號數字域預處理的功能，一般包括數字濾波、接收/發射信號失真補償等功能；

(d) 數據傳輸。具有對數據進行編/解碼并采用光纖等傳輸技術與雷達間進行信息交互的功能，一般包括控制命令字、數字化回波、模塊工作狀態等信息交互功能。

DAM中數字化收發通道的典型功能組成如圖4所示。

圖4 DAM數字化收發通道功能原理框圖

在多功能射頻系統中，為實現雷達、通信、電子戰多種功能，在DAM設計中重點采用以下設計技術：

(1) 雷達通信發射鏈路兼容設計

針對通道發射鏈路，在雷達發射工作模式時，要求高效率大功率，單脈沖工作狀態；而對通信上行工作模式，要求高線性低失真，保證系統誤碼率，發射鏈路工作在連續波狀態。因此，關鍵的功率放大模塊需按照上述要求進行設計。

(2) 開放式波形產生設計

多功能射頻系統一般為雷達、通信及電子戰一體化的系統，因此任意波形產生設計是大概率需要采用的關鍵技術。數字波形產生技術一般可以分為直接數字合成(DDS)技術和數字上變頻(DUC)技術兩種。兩種技術都各有特點，建議波形產生采用DDS與DUC相結合技術。根據不同任務需求，參數化的波形通過DDS產生，非參數化的波形采用DUC方式產生，數字濾波、數字時延及數字混頻等參數可動態配置，以任意波形信號適應各種電子任務系統的要求。

2.3 頻率源及功分網絡設計

頻率源為系統提供基準時鐘，同時為DAM提供所需的采樣時鐘及本振信號。一般來講，系統中包含多個DAM，而系統中的頻率源基本上為一套，因此需要對頻率源的輸出信號進行適當的放大、功分設計，以滿足陣面的時鐘、本振信號需求。一種典型的頻率源及其功分網絡設計原理框圖如圖5所示。

圖5 頻率源及其功分網絡設計典型原理框圖

采用一套頻率源輸出，先進行集中式的功率放大，再進行相應的多路無源功分，滿足陣面各設備的時鐘、本振功率需求，同時還可保證相控陣系統各分系統的相參性，以及多路單元間的幅相一致性。

3 試驗系統研制

該S波段多功能綜合射頻試驗系統采用數字陣列體制。陣面由128個天線組成，采用16行8列方式排布。天線單元通過高穩定度射頻電纜連接到16個8通道多功能寬帶DAM。饋線部分還包括校正網絡。射頻前端后接DBF分機，實現雷達、通信、電子戰功能。圖6為S波段多功能綜合射頻試驗系統示意圖。

圖6 S波段多功能綜合射頻試驗系統示意

在設計時，把有源天線部分集成為綜合射頻前端子陣。該系統包含2個綜合射頻前端子陣，每個子陣為8*8的綜合射頻前端，包括天線單元、校正網絡、DAM、功分網絡、射頻盲配轉接等。8*8綜合射頻子陣內部通過集成式水道，從側壁將冷卻液引到水分配器實現DAM的冷卻。圖7為8*8綜合射頻子陣分層示意圖。圖8為8*8綜合射頻子陣集成示意圖。

圖7 8*8綜合射頻子陣分層示意

圖8 8*8綜合射頻子陣集成示意

該系統的后端處理完全基于高性能服務器硬件平臺，通過軟件實現。將射頻前端回波的I/Q數據完全傳輸到高性能計算平臺進行處理。在對寬帶數字波束形成(DBF)系統設計時，根據雷達、通信、電子戰不同的工作模式特點以及指標需求確定波束個數以及數據率。圖9系統信號傳輸處理框架示意圖。

圖9 系統信號傳輸處理框架示意

該S波段多功能射頻試驗系統實現的主要技術參數如下：

● 工作頻段：S波段

● 陣面規模：16*8

● 極化方式：水平極化

● 信號最大瞬時帶寬：200 MHz

● 雷達模式：

? 接收噪聲系數：≤3 dB

? 接收線性動態：≥60 dB(10 MHz)

? 發射單元輸出功率：≥100 W(脈沖)

? 信號形式：LFM/NLFM/相位編碼

● 通信模式：

? 調制方式：BPSK

? 發射單元輸出功率：≥10 W(連續)

? 通信距離：≥300 km

● 電子戰模式：

? 偵察靈敏度：≤-92 dBm

? 干擾樣式：壓制干擾、欺騙干擾、組合干擾

? 干擾距離：≥100 km。

該S波段多功射頻系統主要性能指標測試結果如圖10～圖14所示。

圖11 瞬時帶寬200 MHz

圖12 單元輸出功率(雷達/脈沖)

圖13 單元輸出功率(通信/連續波)

圖14 接收線性動態

4 結束語

近些年，多功能綜合射頻系統技術在國內發展迅速，已得到廣泛學者研究關注。本文不僅提出了一種基于數字陣列體制的S波段綜合射頻系統其頂層架構設計，以及各分系統的設計注意要點，同時應用于工程研制，開發了小陣試驗系統進行成功驗證。這對后續多功能射頻系統工程研制具有一定的指導和借鑒意義，具有較為廣泛的應用前景。

[1] 徐艷國，胡學成.綜合射頻技術及其發展[J].中國電子科學研究院學報，2009(6)：551-559.

[2] 吳曼青.數字陣列雷達的發展與構想[J].雷達科學與技術，2008(6)：401-403.

[3] 王才華，張德智，張衛清. 一種S波段數字陣列模塊的研制[J].雷達與對抗，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

A

1009-0401(2017)04-0030-05

2017-09-11；

2017-10-20

王才華(1982-)，男，高級工程師，研究方向：雷達微波系統、數字陣列模塊DAM；張德智(1970-)，男，研究員，研究方向：雷達微波系統、數字陣列模塊DAM及T/R組件；方南軍(1964-),男，高級工程師，研究方向：雷達微波系統、數字陣列模塊DAM；陳利杰(1986-)，男，高級工程師，研究方向：數字化收發系統、微系統集成。