多功能综合射频系统技术研究∗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

为完成信息化战争中的作战任务,作战飞机、作战舰艇等空间受限平台都必不可少地装备雷达、通信、电子战等各种信息系统,且信息系统在机载、舰载平台系统中的重要程度以及所占的成本、体积、重量比例日益扩大。独立信息系统的增加导致平台上天线数目急剧增多,带来一系列如遮挡、电磁兼容、RCS增大、维护困难等问题。同时,为了提高等效辐射功率,往往还需要增大发射机的输出功率和天线增益,导致了系统的尺寸、重量、功耗等方面急剧增加,严重限制了平台的机动性能,增加了平台的RCS,降低了其在复杂电磁环境下的生存能力。此外,多型信息系统各自独立设计,通用性、模块化难以保证,保障、维护难度大,战时需要大量的保障资源。

多功能综合射频系统采用共用设计,可显著降低机载、舰载平台信息系统天线数目、体积重量、全寿命周期成本,提高系统可靠性,可动态分配系统资源、快速应对新的功能需求、大幅降低升级费用。在军事需求的强大推动下,多功能综合射频系统的发展受到世界各国的广泛重视,特别是美国空军、海军、DARPA等机构开展了一系列研究[1-4]:美国空军主要从后端处理逐步向综合孔径、一体化多功能迈进,不断降低系统的体积、重量、成本,提高系统的可靠性;美国海军则重点开展孔径综合、扰侦探通一体化多功能研究,解决孔径增加带来的问题;DARPA则主要致力于关键技术研究,如可重构孔径(RECAP)项目,通过MEMS技术对天线进行重构,确保天线的超宽带性能,同时实现宽角扫描。

多功能综合射频系统的核心思想是用宽带多功能综合射频孔径代替平台上数量众多的、各种功能的天线孔径,采用综合的、开放式的射频、信号处理、软件体系架构,进行灵活的资源调度和管理,实现雷达、电子战、通信、导航、识别等多种射频功能以及多源信息融合,以期利用一套硬件系统,通过不同的软件实现所有的电子功能。系统规模可伸缩、硬件平台统一、软件定义一切功能,满足不同平台的需求,实现扰、侦、探、通等多种功能,是多功能综合射频系统追求的目标,但受限于器件水平、系统成本等因素,多功能综合射频系统很难同时实现所有功能的高性能。本文在分析多功能综合射频系统功能的基础上,针对不同的需求,对其体系架构和关键技术进行探讨。

1 综合射频系统功能需求分析

现代化体系作战,要求作战平台特别是具有独立作战能力的机载、舰载平台搭载的电子载荷应具有雷达、电子战、通信等多种射频功能。为满足体系作战需求,多功能综合射频系统应具备对威胁目标(包括电磁静默目标)预警探测、侦察识别、敌我判断、电子干扰等多种作战能力,通过统一的资源管理和调度,实现各种功能协调工作,并且利用有无源信息融合实现精确目标识别,通过有无源相互引导,实现先敌发现、先敌干扰、先敌摧毁。多功能综合射频系统具体应包括以下功能:

1)雷达探测

自主工作或者在电子侦察及其他情报引导下对重点区域进行雷达探测,掌握空情态势。

2)电子侦察

自主工作或者在情报引导下对重点区域进行侦察,对频段覆盖范围内的雷达、通信、导航信号进行一体化侦察分析,获取辐射源情报和电子目标情报,掌握电磁态势。根据侦察信息和有源探测信息,进行辐射源识别和功能属性推理,获取战术情报。

3)电子干扰

在有无源信息引导下,在空域、频域、时域、调制域、能量域进行干扰资源分配和管理,对目标实施精确高效干扰。

4)通信系统

根据系统需要,完成己方目标通信功能,发挥体系化作战效能。

上述各种射频功能,目前都由独立的射频系统完成,每个系统根据各种功能特点进行设计,在性能、成本以及体积重量方面几乎达到最优。综合射频系统采用综合孔径、综合射频和通用模块实现多项功能,可以有效降低系统的体积、重量、成本,提升系统的电磁兼容能力和可靠性。考虑到不同功能在频段、工作带宽、辐射功率、灵敏度、占空比、极化等方面有不同的要求(例如监视雷达一般工作在L、S频段,极化为水平极化或垂直极化,占空比为1%～20%;ESM一般要求有高灵敏度、宽频域覆盖,极化为45°斜极化或圆极化,占空比为100%;电子干扰一般要求有高等效辐射功率、宽频域覆盖,极化为45°斜极化或圆极化,占空比为100%;通信一般为全双工工作,占空比为100%,极化为圆极化或垂直极化),为了有效发挥多功能综合射频系统的作战效能,在进行系统设计时需要在各种功能多项不同甚至相互矛盾的要求间进行综合权衡和折中,各项功能对系统的要求如表1所示。

表1 不同功能对系统的要求

针对各项功能不同的要求,多功能综合射频系统需要综合权衡技术体制、频段划分、综合孔径形式和划分、综合射频架构、高性能计算(综合处理)架构、一体化软件架构等因素。

2 综合射频系统体系架构

综合射频系统的架构,已经有很多文献进行了探讨[4-6],包括综合孔径、综合射频、综合处理几个部分,具备可扩充、可重构、开放式、可升级等特点。本节主要对综合射频系统在设计时需要权衡的因素进行分析探讨。

1)技术体制

有源相控阵体制、波束形成和阵面划分灵活、功能管理和资源调度方便,具备可扩展、可重构、可升级的能力,是目前综合射频系统普遍选择的技术途径。

相对于有源相控阵体制,数字阵列体制是相控阵技术的最新发展[7],其通过数字方式产生各天线单元激励电流的幅度与相位分布,代替模拟移相器、衰减器以及复杂的馈电网络,通过综合运用直接数字合成(DDS)和数字波束形成(DBF)技术,在数字域实现收发波束形成。接收DBF:每个阵列单元所接收到的信号不失真地放大、下变频至中频,经高速模数变换转为数字信号,在数字域将不同阵列单元的信号乘以加权因子,可以同时形成多个不同指向、波束宽度、副瓣特性的接收波束。发射DBF:根据不同功能(雷达、干扰、通信)对发射信号波形的要求,并考虑发射波束数目、波束宽度、副瓣特性所需的幅相加权因子以及系统幅相误差修正因子,在数字域产生所需频率、带宽和调制样式的激励信号,通过数模转换、上变频变换至射频波段,经功率放大器后输出至天线,在空间合成所需的发射波束。收发DBF原理如图1所示。

图1 收发DBF原理框图

数字阵列技术把每个阵列单元的信息在数字域进行独立接收和发射控制,具备以下特点:

① 资源分配和管理更灵活。每个单元独立可控,阵面划分可以灵活组合,波束形成灵活,波束的宽度、指向、数目均灵活可变,相对于有源相控阵预先设计好的固定波束形成网络形式,数字阵列阵面资源分配能力更灵活;自适应功率管理,功率和时间资源灵活可控。

② 幅相控制精度高,易于实现超低副瓣。雷达的天线副瓣越低,越有利于强杂波环境下的目标检测;天线副瓣越低,从副瓣进入的干扰越容易被“滤除”,也提高了雷达的抗干扰性能;数字阵列有利于提高雷达探测性能。

③ 具有空域稀释和滤波能力,空间自由度高,在多个干扰方向上形成零点,抗干扰能力强;可以在己方信息系统所在方向空域陷波,电磁兼容性能好。

④ 模块化、积木式、可重构、可升级。

⑤ 软件化、一体化(雷达、通信、导航一体化侦察),软件定义一切功能。

从以上分析可以看出,数字阵列资源分配和管理灵活、空间自由度大、加权精度高,模块化、积木式、可重构、可升级能力与生俱来,可满足综合射频系统对多功能的需求,提升系统的可靠性,是现阶段实现综合射频系统的最佳技术体制。

未来随着技术进步,光控阵列技术将走向工程应用,可有效解决超宽带阵列波束形成问题,是未来超宽带多功能综合射频系统的重要发展方向。

2)工作频段

多功能综合射频系统是否满足军事需求是衡量多功能综合射频系统成败的关键。工作频段的选择应该紧紧围绕军事需求、作战应用和工程实现。理论上多功能综合射频系统工作频段覆盖范围越宽,可实现更多功能的集成,但在系统成本、系统资源管理、天线效率、高效率大功率射频输出、系统动态设计等方面带来一系列工程问题,现阶段以及未来一段时期内很难进行统筹兼顾。文献[8]针对舰载对空监视、抗干扰和ESM等应用,指出0.5～18 GHz超宽带的多功能综合射频系统将导致成本急剧增加,引起部分射频功能的性能受限,以致无益于战术作战。

多功能综合射频系统工作频段的选择需结合雷达、通信、电子战常用工作频段特点,重点考虑作战应用和工程实现。通信、雷达、电子战常用的工作频段如图2所示[9]。从图中可以看出,0.8～2 GHz频段涵盖了L波段预警雷达、CNI、电子干扰等众多电子设备,是体系作战的重点频段,可将该频段的电子系统进行综合化、一体化设计,以电子对抗能力为主,满足作战响应速度快、电磁兼容能力好、阵地适应能力强、立即发现立即干扰等需求,提升作战装备的体系对抗能力。此外,从图2中还可以看出,6～18 GHz频段是火控雷达、雷达告警器和自卫干扰设备等广泛使用的频段,使得该频段的控制权直接关系到武器作战效能的发挥。6～18 GHz频段的多功能综合射频系统可以将火控雷达、雷达告警器、自卫干扰等设备进行整合,以火控雷达能力为主,可有效降低电子设备的体积、重量、功耗、成本,提升电子系统的可靠性,为载荷搭载能力受限平台的作战效能发挥、解决电磁兼容问题提供有力支撑。结合以上分析可以看出,0.8～2 GHz和6～18 GHz频段是多功能综合射频系统发展的重点频段。

需要指出的是,美国空军的综合传感器系统(ISS)演示验证项目结合空军应用,提出在2～400 MHz,0.5～2 GHz和2～18 GHz进行多功能综合设计[9]。

图2 常用射频传感器所占工作频段

3)阵面选择

多功能综合射频系统普遍采用阵列体制,需在分阵面体制和共阵面体制中进行合理选择,典型的阵面体制如图3所示。

图3 典型的阵面体制

收发共阵面体制具有共用机械支持结构、电源、制冷的优点,可有效降低系统的体积、重量。但是,共阵面的一个主要缺点是对收发同时工作的限制,每单元收发功能的隔离度有限。隔离度可通过增大收发切换装置的隔离度、降低发射功率来实现。但是收发切换装置的隔离度是有限的,且宽带大隔离度将带来系统体积、重量的增加,甚至难于工程实现;过低的单元发射功率将导致系统规模急剧增加,很难在工程中应用。此外,对于具有全双工工作的通信设备,采用收发共阵面将需要采用超过20%相对带宽的T/R组件,宽角扫描时很难使用廉价的印刷阵列技术进行设计制造。典型的双工工作通信频段如表2所示[10]。

表2 用于通信的频段和相对带宽

收发分阵面体制可以实现收发同时工作,而且可以得到60 dB甚至更大的隔离度。它允许使用高占空比的波形(高达100%)并可在脉冲级实现不同RF功能的时间复用。除此之外,分离的收发阵列对于收发单元可分别采取不同的技术。此外,在电子对抗应用中,相比于收发共阵面,收发分阵面具有如下优点:

① 干扰效率高 收发分阵面仅增加了成本低的天线阵,但降低了收发切换引入的损耗,干扰效率高,提高了效费比;

② 一致性好 波束形成对通道一致性要求较高,收发分阵面减小了宽带大功率输出至天线之间的环节,可提高宽带通道间的一致性。但是当收发隔离度要求较高时,需要两个阵面大距离拉开,将增大系统的体积、重量,同时带来收发同步、安装布局等问题。

在阵面体制选择时,需要针对不同的应用,例如以雷达探测为主或者以电子干扰为主等,进行分析、比较,在满足既定功能和性能的前提下,充分比较系统成本、安装空间、体积重量,支持方案选择。以雷达、电子对抗一体化系统为例,一体化系统需要在同时满足干扰、雷达等功能需求的基础上,最小化系统成本。

根据干扰方程,干扰等效辐射功率为

式中,Kj为压制系数,Pt1为被干扰雷达发射功率,Gt1为被干扰雷达发射天线增益,Rj为干扰机与被干扰雷达之间的距离,σ1为被掩护目标的雷达截面积,Rt1为被干扰雷达与其探测目标之间的距离,Gsl为在干扰机方向被干扰雷达的相对副瓣增益,γj为极化损失。

根据雷达方程,对于目标距离为Rt,雷达截面积为σ,监视雷达的信噪比(SNR)为

式中,Pt为一体化系统发射峰值功率,δ为占空比,Are为接收天线阵的有效面积,ts为搜索空域的扫描时间,k为玻耳兹曼常数,Ts为系统噪声温度,Ls为系统损耗,La为大气衰减,Rt为雷达探测距离,Ω为监视空域。

不失一般性,假设发射单元的成本为1,接收单元的成本为r,收发单元的成本为p,则收发组件的成本为

式中,Ntx,Nty分别为发射天线阵横向和纵向单元数目,Nrx,Nry分别为接收天线阵横向和纵向单元数目,Ntr为T/R组件的数目。

考虑到收发组件成本为主要的系统成本,则一体化系统设计应满足

式中,ERP0,SNR0分别为干扰功能需要的最小等效辐射功率和雷达功能需要的最小信噪比。系统设计需要在式(4)约束下,进行系统各功能的指标和阵面形式(收发共阵面还是分阵面)、单元数目等方面进行权衡和设计。文献[10]基于对监视雷达功能和专用跟踪雷达功能的深入分析,进行了系统设计时成本评估方面的分析和研究。

空军和海军作战平台体积重量受限、电磁兼容问题严重,是多功能综合射频系统的主要应用方向。机载平台体积重量要求高,普遍采用收发共阵面的体制;舰载平台虽然在重量方面的要求有所降低,但是舰载平台空间仍然紧张,加之对电磁兼容性的要求高,舰载平台也倾向于采用收发共阵面的体制,如美国海军由AMRFS的收发分阵面发展为AMRFC的收发共阵面,进而将电子系统的一体化推向更高的水平。

4)综合射频系统架构

基于以上分析,本节给出了基于数字阵列体制的收发共阵面多功能综合射频系统架构(如图4所示),其主要由综合孔径、综合射频和高性能计算三部分组成。该系统架构基于开放式体系结构,按层次划分,各层次之间采用标准的接口,便于不同系统部件之间的互联互通和互操作,便于系统硬件共用、软件移植,软件定义功能,便于系统功能的增强和扩展,具有系统资源分配和管理灵活、空间自由度大、模块化、积木式、可重构、可升级等特点。

图4 基于数字阵列体制的综合射频系统架构

需要特别指出的是,由于AD、大功率功放等器件的限制,多功能综合射频系统很难同时在多个功能中同时达到高性能。例如数字阵列在电子对抗应用中,为实现宽的瞬时带宽截获,需要具有高速采样能力的AD。但高采样速率AD的有效位数有限,高的采样速率往往会限制接收通道的动态,进而影响雷达的改善因子;再例如雷达普遍采用高效率、大功率的脉冲功放,而电子对抗普遍采用宽带连续波功放。多功能综合射频系统采用脉冲功放将大大减少电子干扰的战术应用方式,而采用宽带连续波功放,为达到雷达在采用脉冲功放时的探测性能,需要扩大系统规模,以弥补宽带功放输出功率的降低,但规模的增加将给系统的体积、重量、散热、供电能力、成本等带来压力。因此,系统设计前应根据作战应用准确定位主、次功能,在具体设计时应该充分结合多功能综合射频系统的主功能开展设计工作,在保证主功能的情况,最优化其他功能。

3 关键技术

1)综合孔径技术

综合孔径技术是综合一体化系统的关键之一,它将满足多种功能的多个天线综合到一个射频孔径中。要求综合天线孔径能以不同波束形状工作,在不同任务下,能够灵活地重构和分配,满足各种工作模式的需求。要综合考虑天线波束扫描、波束宽度、天线增益、天线副瓣、极化、互耦等问题。

多功能共享孔径,体现在对孔径资源的灵活分配,更体现在波束的自适应形成和灵活控制。不同的功能任务对波束形状、扫描特性等有不同的要求,如何实现灵活的波束生成和控制满足系统多功能的要求,对天线分子阵工作和全口径工作模式,以及根据不同功能要求进行天线重构等问题需要研究。对于宽带阵列,相控阵天线孔径渡越限制,波导传输具有色散性,通道滤波器具有相位非线性,这些微波前端都带来了失真,而这些失真在波束合成后无法依靠基带信号处理来解决,因此,超宽带综合射频孔径还需要解决宽带通道的色散问题和不一致性补偿问题。

此外,轻小型高效率宽带宽角扫描天线阵可满足不同平台对综合孔径的需求,也是综合孔径的一个重要研究方向。

2)综合射频技术

综合射频通道主要完成射频信号的接收和发射,是实现孔径综合、孔径共享的核心,也是实现系统可扩充、可升级的关键之一。射频部分不同组件之间的集成对系统的性能、成本和重量等指标有不同的影响,需要解决多种功能模式对带宽、动态范围、改善因子的综合要求,解决模拟电路和高速数字电路集成问题,同时减小体积和重量,综合考虑模块划分和集成方式应具备可重构、可扩展能力,同时兼顾考虑冗余度和灵活性之间的矛盾。

目前,为解决不同功能对综合射频的需求,普遍采用独立设计的通道来满足不同功能的需求,如电子战采用宽带射频通道,而雷达采用具有大动态、高有效位数的窄带通道,不仅增加了系统的体积、重量、成本,也增加了系统的模块种类,降低了可维护性。基于目前的器件水平,应根据作战应用合理定位系统的主次功能,进而开展系统设计,满足高效费比的设计理念。此外,为有效减少系统的模块种类,真正实现综合射频一体化设计,需要采用统一的通道设计来满足系统不同功能的需求,采用基于微波光子学的光通道、光采样等技术有望解决这一问题。

3)高性能计算技术

数字化靠近射频最前端,系统功能通过软件实现,雷达、通信、电子战多功能一体化;计算资源模块化设计,并行计算,可灵活实现计算能力扩展;系统功能软件化,远程加载,可灵活实现系统功能升级。此外,多功能综合射频系统需要极高的吞吐率来满足系统大瞬时带宽的要求,同时可根据不同的任务进行合理的数据转换和分发,因此,需要在高性能计算中开展大吞吐率数据的分发、转换和处理等方面的研究。

4)综合一体化可重构软件体系架构

系统功能主要由软件来定义,软件方案应支持系统各种功能实现所需的存储、输入/输出、信号处理和数据处理能力,系统在需要完成新任务或需要增加新功能时,只要当前硬件资源足以完成这项工作,那么只需要加装新的软件组件即可,在资源升级或增加新资源时,不需要重新设计整个系统或改写大量软件。

为了保证程序的可靠性,提高软件的可维护性和可移植性,有必要将应用软件与基础软件间的接口标准化、规范化,使基础软件(操作系统)与应用软件相对隔离,系统设计与功能软件隔离,实现软件的模块化设计。系统应采用开放式软件架构,采用分层形式,包括模块支持层(MSL)、操作系统层(OS)、中间件层和应用软件层,通过系统蓝图进行配置和管理。

4 结束语

在军事需求的有力推动下,多功能综合射频系统技术已成为降低机载、舰载等受限平台中信息系统体积、重量、成本,提高信息系统电磁兼容性、可靠性的主要发展方向。本文结合军事应用和工程实现,深入分析了多功能综合射频系统的技术体制、工作频段、阵面体制、系统架构,提出了在作战应用和工程实现方面更具可行性的系统架构,并对相关关键技术进行分析探讨,为多功能综合射频系统工程实现提供参考。

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