相控陣測控系統時頻及標校信號一體化光傳輸設計*

李 旭，肇 格

(1.中國西南電子技術研究所，成都 610036;2.戰略支援部隊 航天系統部裝備項目管理中心，北京 100094)

0 引 言

相控陣測控系統是在同一時刻將不同通道的信號進行幅度、相位加權，從而實現信號在天線遠場形成波束精確指向的功能[1]。為了實現這一目的，需要有兩個前提條件:第一，所有通道信號必須同一時刻在同一工作時鐘下由同一觸發信號進行觸發加權，這就涉及到不同通道的時頻信號傳輸設計；第二，所有通道必須精確地進行幅度和相位加權，所以相控陣測控系統必須進行所有通道的幅度、相位精確標校，這就涉及到不同通道的標校信號傳輸設計問題[2]。

為了獲得足夠大的天線增益和作用距離，相控陣測控系統的一個最重要形態特點是信號通道規模巨大，直徑數米的相控陣測控系統通道數目通常可達成千上萬個。性能良好的時頻及標校信號傳輸網絡既是相控陣測控系統設計中的難點，也是相控陣測控系統設計中的核心，一個性能優異的相控陣測控系統必須要有一個性能可靠、設計合理、維修使用方便的時頻及標校網絡設計。隨著相控陣測控系統的集成度越來越高、通道數越來越多，高集成度時頻標校分發網絡設計也顯得越來越迫切。

在相控陣測控系統的設計中，一般將幾十個通道合并為一個小規模子陣進行信號處理，所以時頻及標校信號傳輸一般以子陣為單位進行傳輸設計，這樣可以大大減少時頻及標校網絡的復雜性，也可以有效提高信號傳輸的穩定性。本文以一個1 344通道規模的相控陣測控系統為例進行說明。在該相控陣測控系統中以12個通道作為一個子陣單元，共有112子陣，所以需要設計一個112條鏈路的時頻及標校鏈路傳輸網絡[3]。

1 傳統相控陣測控系統時頻信號傳輸設計

相控陣測控系統的時頻信號一般由系統工作時鐘信號和同步觸發信號兩個信號組成，工作時鐘信號為標準的正弦波信號，頻率一般為90 MHz、240 MHz、500 MHz或者更高；同步觸發信號一般是頻率為10 Hz、100 Hz、1 MHz的周期脈沖信號，脈寬一般為10 ns、100 ns等。本節以一個工作時鐘信號頻率為240 MHz、同步觸發信號為10 Hz的相控陣測控系統為例來說明時頻信號分發傳輸網絡的設計。

在傳統的相控陣測控系統中，工作時鐘信號和同步觸發信號分發網絡需要分別進行設計。

一種典型的112路時鐘信號分發網絡如圖 1所示，該時鐘分發網絡由多個功分器和傳輸線纜組成，主要包括14個八路功分器和配套的126根穩相電纜組件。八路功分器用于240 MHz時頻信號的分配，14個功分器分別將240 MHz時鐘插箱輸出的14路240 MHz信號等相位地分配到112個天線子陣。典型的同步觸發信號分發一般通過多片現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)進行低電壓正電源射極耦合邏輯(Low Voltage Positive Power Emitter Coupling Logic,LVPECL)電平形式的信號分發，然后再通過112根穩相差分線纜將同步觸發信號分發到112個天線子陣。

圖1 時鐘信號分發網絡

傳統的時頻分配網絡的主要缺點在于設備組成復雜，線纜繁多，多個功分器不便于安裝，相位一致性難以保證，后期設備的維護性較差。

2 傳統相控陣測控系統標校信號傳輸設計

相控陣測控系統的標校信號由接收鏈路的下行標校信號和發射鏈路的上行標校信號兩個信號組成，在傳統的相控陣測控系統中上下行標校信號傳輸網絡需要分別進行設計。上行標校信號傳輸網絡用于發射鏈路校準，接收發射通道耦合回來的射頻信號，濾波放大后經過開關選擇輸出給后端處理設備和參考信號做幅度相位比較。下行標校信號傳輸網絡用于接收鏈路校準，接收后端處理設備輸出的下行射頻信號，經過開關選擇輸出給接收鏈路的耦合通道，再通過接收鏈路接收以后和后端處理設備的參考信號做幅度相位比較[4-7]。

一種典型的112路標校信號分發網絡如圖 2所示，該標校信號分發網絡由多個開關和傳輸線纜組成，主要包括2個一選二開關、14個一選八開關和配套的131根穩相電纜組件。在該標校網絡中，發射校準和接收校準分時工作，每個發射鏈路或接收鏈路也是通過多極開關組合分時進行工作。上行發射鏈路校準時，通過系統監控將某一路的發射耦合信號通過開關網絡送到后端處理設備進行信號處理。下行接收鏈路標校是上行發射鏈路標校的反向流程，后端處理設備通過開關網絡分時將接收校準信號送到陣面上的112個天線子陣。

圖2 標校信號分發網絡

傳統的標校信號分配網絡的主要缺點在于設備組成復雜，線纜繁多，多路選擇開關不便于安裝，相位一致性難以保證，后期設備的維護性較差。

3 新型相控陣測控系統時頻及標校信號一體化光傳輸設計

為了解決傳統的相控陣測控系統時頻及標校信號分配傳輸網絡存在的上述問題，在新一代相控陣測控系統中提出了時頻及標校信號一體化光傳輸的設計方案。采用光纖及光學器件完成時頻和標校信號的傳輸及分發，由于待傳輸的時頻信號為電信號，因此首先需要對其中的各路電信號進行電光轉換，將電信號調制到光載波上，完成信號的加載，采用波分復用技術合為一路后利用單模單芯光纖和光分路器完成光信號的多路分配，將時頻及標校信號分發到不同的天線子陣。

3.1 一體化光傳輸框架設計

如前文所述，相控陣測控系統中的時頻信號主要由分發到各個子陣的系統時鐘信號(Clock Signal，CLK)和同步觸發信號(Synchronization Signal，SYNC)兩個信號組成，標校信號主要由分發到各個子陣的接收通道標校射頻信號(Radio Frequency,RF)RF1和由各個子陣發射通道耦合輸出的發射標校射頻信號RF2組成。新型時頻及標校信號一體化光傳輸設備組成框圖如圖 3所示，主要實現方式是通過一根光纖復用傳輸完成對四路信號(RF1、RF2、CLK、SYNC、)的雙向分配和傳輸，其中時鐘信號CLK、同步觸發信號SYNC和接收鏈路標校信號RF1是從后端設備分配傳輸到相控陣測控系統陣面上的每個子陣，發射鏈路標校信號RF2是從相控陣測控系統陣面上的每個子陣反向傳輸到后端設備。

圖3 時頻光分發及傳輸設備組成示意圖

如圖3所示，光發射插箱將上行三路時頻及標校信號進行電-光轉換,調制為三路光信號。三路光信號先通過密集波分復用(Dense Wave Length Division Multiplexing,DWDM)為一根光纖，由光放大器進行光功率放大，再經稀疏波分復用(Coarse Wave Length Division Multiplexing,CWDM)器與反向傳輸的發射鏈路標校光信號復用為單根光纖傳輸。波分復用器解出單根光纖中的發射標校光信號RF2，經光放大器進行光功率放大，最后經光電轉換后輸出一路下行發射標校電信號[8]。下行的發射標校信號是時隙工作模式，即在同一時刻有且僅有一路RF2信號從某個子陣的光接收處理模塊發出。CWDM復用技術原理示意圖及四路光信號典型復用的光波長分配如圖4所示。

圖4 波分復用單芯光纜傳輸方案原理框圖

在一些更為復雜的相控陣測控系統中，除了上下行的時頻和標校信號外可能還需要傳輸更多的其他信號，如圖3所示的一體化光傳輸框架擴展性強，可以支持多路光信號的上下行同時傳輸，經過簡單的擴展即可增加光傳輸鏈路規模，該框架可滿足小中大各種規模相控陣測控系統的上下行信號一體化傳輸要求。

3.2 性能指標對比

時頻及標校信號一體化光傳輸設計方案和傳統的電纜分配網絡相比，除了具有設備簡單以外，在具體的電性能、經濟成本和安裝維護便捷性上也具有優異的表現。

3.2.1 相位溫度穩定性

相控陣測控系統對于傳輸的時頻和標校信號的溫度相位一致性有很高要求，如果傳輸信號隨溫度變化導致相位變化則會直接影響相控陣測控系統的合成增益。我們對比測試了傳統的電纜分配傳輸方案和新型的光纜一體化傳輸方案在S頻段(以2 590 MHz為例)溫度相位穩定性，測試數據如圖5和圖 6所示。

圖5 溫度相位一致性變化曲線

如圖5所示，橫坐標“溫度值_測試次數”表示在該溫度下電纜或者光纜的第幾次測量相位值，如“40 ℃_2”表示在40 ℃下電纜或者光纜的第2次測量相位值。為了增加測量數據的可信度，在每個溫度點均對各線纜進行了兩個溫度測量。

如圖6所示，在15 ℃～45 ℃的環境范圍內，采用穩相光纜傳輸的方案相位溫度穩定性遠遠高于傳統的線纜傳輸方案。

圖6 不同溫度范圍相位變化量比較

3.2.2 成本經濟型

以上文討論的112個子陣規模的相控陣測控系統為例，傳統的電纜分配傳輸和新型光纖一體化傳輸方案的成本比較如表 1所示，可見新型的相控陣測控系統視頻和標校一體化傳輸方案經濟成本可以節約30%～40%，隨著相控陣測控系統規模的增大，成本優勢將更加明顯。

表1 光纜傳輸和電纜傳輸成本比較

表1(續)

3.2.3 安裝及維護性

光纜與電纜材質不同，光纜以玻璃質纖維為導體，電纜以金屬材質(大多為銅)為導體，它們的主要參數如表2所示。

表2 穩相光纜與穩相電纜主要參數比較

由表2可知，穩相光纜的質量和外徑均小于穩相線纜，質量的減小帶來的直接好處就是可以減少天線陣面的重力負荷，便于施工及后續維護。以10 m的傳輸距離來看，1根穩相電纜質量約1 kg，電纜時頻及標校傳輸方案的總線纜質量約為369 kg，一根穩相光纜的質量約為0.3 kg，整個光纜傳輸的線纜總質量僅為33.6 kg，約為電纜傳輸線纜總質量的1/10。

現在的相控陣測控系統集成度越來越高，帶來的問題就是內部的走線空間越來越小，所以穩相光纜還有一個巨大的優勢就是其外徑小，材質柔軟，穩相光纜的彎曲半徑遠小于穩相線纜，這就為施工、設計、維護帶來了巨大的操作方便性[9]。

4 結 論

本文針對相控陣測控系統時頻和標校信號傳輸網絡的設計需求，分析了傳統相控陣測控系統時頻及標校信號傳輸網絡設計存在的相位一致性差、安裝復雜、價格高昂、后期維護性較差等問題，設計了一種新型相控陣測控系統時頻及標校信號一體化光傳輸網絡。實驗測試數據分析和工程實例表明該新型光傳輸網絡在性能、成本、可擴展性以及安裝維護等方面均比傳統設計有明顯提升。時頻及標校信號一體化光傳輸設計除了上述優點外還具有抗電磁干擾能力強、傳輸損耗小等一系列優點。

隨著相控陣測控系統的口徑越來越大，通道數越來越多，集成度越來越高，時頻及標校信號的傳輸路徑也越來越長。目前一些大型相控陣測控系統的時頻標校信號傳輸路徑已達幾十米到一百米，一體化光纜傳輸的優勢也就越來越明顯，尤其隨著現在各種曲面賦形相控陣測控系統的發展，極小空間內的時頻標校信號傳輸設計需求也越來越迫切。本文提出的時頻及標校信號一體化光傳輸設計能夠為新型相控陣測控系統的工程設計提供參考。