舰艇射频集成技术总体设想

1 舰艇射频设备需求发展趋势分析

当舰艇的作战使命由近海安全防御向远海运输航线护航和海洋资源维护发展时，舰艇的作战区域需有大幅度扩展，舰艇应具有更远距离的信息感知能力及与多舰、多种类平台之间的信息交互能力、协同作战能力。舰艇配置的传感器应具有远、中、近程多重威力覆盖的探测能力，雷达的工作波段将可能从米波段延伸至厘米波段，甚至向毫米波段发展。

通信能力从仅仅提供作战保障通信上升为直接参与协同作战信息的传输，通信能力需获得大幅度提高。通信方式从以短波和超短波为主，改变为以可同时开通多路卫星通信信道和微波通信信道为主，并仍保持可同时开通多路短波和超短波通信信道，以实现高速宽带战略和战术数据、图像、动态视频及话音多网络传输的通信能力。

导航能力从以平台罗经+卫星导航+计程仪为主的导航模式，向以惯性导航+复合卫星导航+复合计程仪为主，并具备天文射电和光学自主导航及惯性导航校准等多种手段相结合的作战导航方式发展。

电子对抗能力也从厘米波雷达侦察和反导对抗扩展为全频段雷达信号侦察、反导对抗及通信信号侦察、干扰敌方机载平台的通信等，以实现更早发现来袭的反舰导弹，并干扰它的制导平台。

2 传统的舰艇射频设备状态与电磁兼容性分析

传统的舰艇射频设备主要以完成单一功能为主，以舰载雷达为例，通常分为超远程预警雷达、远程警戒雷达、中程空海搜索雷达、近程火控雷达及导航雷达等，其中每部火控雷达通常只能完成一批目标跟踪，并直接通过火控指挥仪带1门火炮。因此，为完成一定层次的威力覆盖，并同时对付多批目标，1艘舰上通常需配置近10部雷达，而且部分雷达之间存在频谱冲突，若不能采取有效抗同频异步干扰措施，则极易产生相互干扰，危害设备正常工作[1]，典型干扰形式见图1。例如：美军上世纪80年代服役的“提康德罗加”级导弹巡洋舰配置约10部雷达，俄罗斯“库兹涅佐夫”航空母舰配置约19部雷达。

图1 异步干扰雷达示图

传统的舰载电子对抗系统主要由宽带雷达信号侦察和干扰设备组成，为了实现全方位视界无遮挡，通常采用2组侦察和干扰天线分别覆盖180°方位的装舰方式，每组天线由多个不同频段的侦察和干扰天线组成。传统的电子对抗系统与同一舰上其他同频段射频设备之间往往产生尖锐的矛盾。雷达侦察设备由于其频带宽、灵敏度高，通常会受到其他同频段雷达、通信信号的干扰；雷达干扰机往往由于频带宽、功率大、带外杂散和副瓣抑制度较差，极易对其他同频段雷达、通信信号产生干扰，甚至造成接收机阻塞，对全舰电磁兼容性造成不良影响，典型干扰形式见图2。

图2 阻塞干扰雷达示图

同样，电子对抗系统中的通信对抗设备与本舰通信系统之间的矛盾，与上述矛盾非常相似。随着舰艇多平台协同作战对通信需求的扩展，雷达和通信对抗设备与本舰通信系统之间的矛盾会更加尖锐。在此情况下，通常会发生无法兼顾“保全本舰雷达探测能力和通信能力”的同时，又全方位实现对敌反导干扰和信息对抗的作战任务的情况。因此，舰船设计师有一种观点认为，在离散电子对抗设备的体制下，全频段电子情报侦察功能往往更适合于装备综合保障舰艇或专用电子侦察船，而在主战舰艇上仅装备必要的防御对抗设备即可。

在传统舰艇通信机制下，短波和超短波通信是通信的重要手段。为了实现通信系统被赋予的同时开通多路信道的通信任务，舰艇上通常需配置大量的通信设备。在美、俄上世纪80年代服役的8 000 t级驱逐舰上，短波、超短波天线通常达到数10副。在我国本世纪初服役的驱逐舰上也不同程度地存在相似的情形。随着通信任务种类的提升以及卫星通信和微波通信应用的发展，1艘主战驱逐舰上的通信天线已达到饱和的程度。为了保证天线同时工作所需的空间隔离度，舰艇上的天线布置空间往往非常有限。

综上所述，按舰艇射频设备需求发展趋势，可以想象，若舰艇上射频设备仍按以单一功能为主的传统设计模式，则1艘主战舰艇需配置的射频设备种类和数量之多，有可能超过舰艇承载能力。因此，在舰艇设计中，将不得不以减少舰艇武器和弹药承载能力为代价，取得舰艇承载能力的平衡。射频设备由于种类和数量过多，极易导致频谱冲突，带来严重的电磁兼容问题，造成部分射频设备不能同时工作，难以达到对其设定的作战效能。离散形式的射频天线过多，还会加大舰艇雷达反射截面积，使舰艇更易被敌方雷达早期发现。

近年来，海军和舰艇设计部门清醒认识到，若要设计具有远洋作战能力舰艇，舰载射频设备必须从传统的离散模式向综合集成的方向发展。

3 国外舰艇射频集成技术分析

国际先进的海军水面舰艇正朝着上层建筑小型化、简洁化、集成化、兼容化方向发展，功能的扩展及平台资源的局限使得舰载射频设备的集成化设计成为首选，国外射频集成形式主要有两种：

1) 封装集成

机械扫描天线置于具有频选透波性能复合材料构建的封闭式腔体内，并由多层腔体堆叠而成。典型代表就是美国的“圣安东尼奥”号的封闭式桅杆(AEM/S)和英国45型驱逐舰先进技术桅杆/集成技术桅杆(ATM/ITM)。该集成形式仍基于原有机械扫描天线模式，适用于配置射频天线数量较少的小型舰艇，或作为舰艇局部外形一体化集成设计的一种手段(图3)。

图3 “圣安东尼奥”号的封闭式桅杆

2) 共形集成

天线采用平面阵形式，贴壁安装于上层建筑或桅杆外壁。典型代表就是美国DDX驱逐舰的集成上层建筑(图4)。该集成形式大量采用相控阵形式天线，功能强大、工作方式灵活，更适合多功能集成设计。共形集成形式适用于需配置大量射频天线的综合型主战舰船。20世纪90年代中后期，针对集成设计需求美国开始了先进多功能射频系统的研制，该项目的目标是用宽带射频孔径来实现典型的雷达、电子战和通信的功能[2,3]，为进一步实现全功能共形集成奠定了基础。

图4 DDX驱逐舰的集成上层建筑

4 舰艇射频集成技术总体设想及关键技术分析

为了解决舰艇远海作战和集群作战对舰载射频设备功能提出的快速提升需求，舰艇总体设计所面临的是针对大量传统离散体制射频设备的电磁兼容和天线布置空间不足的难题等。通过寻求最优化的射频集成总体技术，不仅可以实现舰艇预期的强大射频功能，改善电磁兼容性，同时还可以使舰艇获得简捷化、小型化上层建筑，大大减小舰艇的RCS，提高舰艇对作战武器的承载数量。

纵观世界各国的舰艇，特别是美、欧、俄的各种舰艇，我们对不同用途的射频集成技术提出以下总体设想，并对应分析其关键技术[4]。

4.1 射频集成安装技术的总体设想

射频集成安装技术的总体设想类似于美国“圣安东尼奥”舰的简捷封装式桅杆集成安装技术。从严格意义上讲，集成安装技术并不是射频集成技术，它只是在现有离散射频设备的体制下，将某1部或多部射频设备集中安装于1个具有一定隐身外形和选频透波能力的复合材料罩中，目的是实现射频设备模块化装舰，同时实现在部分频段减少该部位RCS的目的(透波频段除外)。我们认为，该集成安装技术主要适用于对射频功能需求单一，并对隐身性有较高要求的小型舰艇。封装式桅杆集成安装的关键技术是针对罩内窄带射频设备(例如雷达)，研制一种窄带选频透波的复合材料罩，该罩的选频特性愈好，该安装形式的总体意义就愈明显，否则，若由于罩的宽带选频特性，使其对较宽频谱范围的敌方雷达波探测均可视为“电磁透明”，则该安装形式就失去了其提高隐身性的总体意义。因此，研制具有窄带选频特性的复合材料罩，是封装式桅杆集成安装的关键技术。

4.2 部分射频集成技术的总体设想

提出部分射频集成技术的总体设想可从以下几方面设计考虑。

4.2.1改善舰艇电磁兼容性

从舰艇电磁兼容设计的角度出发，将舰艇上电磁兼容矛盾最为突出的部分射频设备进行集成设计。通常舰艇电磁兼容矛盾突出表现在多设备同频干扰。按常理分析，既是同频设备，就符合集成设计的先决条件，因此，通过多设备执行作战任务时所需的时间资源分析计算，研究最优的时间资源调度方式，则可明确获知集成设计是否能在解决同频设备之间电磁兼容难题的前提下，充分发挥其作战效能。舰艇设计部门从舰艇总体顶层优化设计的层面分析，可以看到将时间资源占用不多的射频设备(即需根据作战时机择时工作的设备)，或时间资源可共享的设备(即工作于接收状态的设备，例如：侦察接收机、占空比较小的雷达等)进行射频集成，是一项“经济”而又获利良多的设计方法，对综合资源利用非常有利。

例如：将U/V通信天线与通信对抗天线进行集成设计。从U/V通信设备的工作原理分析可知，U/V通信天线具有宽频谱特性，这种特性正好符合通信对抗设备对天线的宽频谱特性要求，从而使两者的集成设计成为可能。从时间资源调度分析，射频集成设计的工作流程可以如下设计：

1) 当U/V通信设备处于长时间“守听”状态时，通信对抗设备同时在该时段进行“信息侦察”；

2) 当U/V通信设备处于发射状态时，通过系统统一时间调度，使通信对抗设备自动在该时间段停止“信息侦察”，避免了传统离散设备之间的电磁干扰问题；

3) 当通信对抗设备侦收到有价值的信号，并经危险判别后，若需施放通信干扰，可提出申请，由系统根据危险等级和当前通信状态，确定是否中断当前通信，而改用其他通信方式继续通信。

当系统完成通信信道重组后，向通信对抗设备下达“允许干扰”的指令，此时，通信对抗设备方能实施干扰发射，避免了传统离散设备之间的强电磁干扰和阻塞问题。

上述工作流程所需的反应时间应是建立在系统以自动化工作方式为主，必要时辅助人工决策的工作基础上，相对快速的反应时间。对系统反应时间的论证可以基于以下考虑：由于U/V通信对抗主要干扰对象是空中作战平台和运载平台，相比对抗反舰导弹而言，本工作流程允许的反应时间相对较长。例如：若该平台在距本舰艇100 km以远、并以550 m/s(F-18)速度径向向本舰艇靠近，由于平台运行速度较慢，即使30 s后，距本舰艇仍在84 km以远，在该时间内，集成系统可以完成通信信道重组和干扰允许命令的下达。

从U/V通信天线的方向性分析，由于U/V通信天线具有全方向性，通常天线增益为2 dB，且天线可承受的功率较小，通信对抗侦察接收天线与U/V通信天线同样具有全方向性，且天线增益相似，易于集成设计；而通信干扰天线由于需要较强的有效功率，天线需要较高的增益，通常需达到6 dB以上， 因此，天线具有较强的方向性，可承受的功率也较强。若将U/V通信发信天线与通信干扰天线集成设计，则天线有效功率需以适应通信干扰功能为基础，进行辐射源组合调度和空间功率合成设计，该技术是集成设计的关键技术。

对于1艘复杂的主战舰艇，若存在多组电磁兼容冲突明显，又可以通过集成设计解决的射频设备，对此，均可以按与上例类似的分析方法，研究其集成设计的可行性。

4.2.2减小舰艇RCS

从减小舰艇RCS的角度出发，将舰艇上独立的、反射截面积较大的口径天线进行集成设计。通常舰艇上离散射频设备中，反射截面积较大的口径天线主要是微波天线，从功能上可分为两种类型：其一，是各种口径形式的雷达天线；其二，是抛物面形式的卫星通信天线。若将上述两种天线分波段进行集成设计，形成平面阵天线，并将天线面阵与舰艇桅杆外壁或上层建筑外壁进行一体化设计，使天线融入舰艇结构内，则不仅天线本身的“隐藏”可以大大减小舰艇的RCS，而且由于舰艇不需布置大量的独立天线，使舰艇上层建筑上用于布置天线的空间可以缩小，上层建筑外壁的倾角可以更大，例如：法国的“拉斐特”级护卫舰上层建筑向内倾斜达10°，从而更大程度地减小了舰艇水平方向的RCS。对于航空母舰而言，口径天线的射频集成的好处不仅是减小舰艇的RCS，上层建筑的缩小还非常有利于飞机的起降，并可能更多地搭载飞机，例如：美CVN77航空母舰(小桥楼的范例)相比于俄“库兹涅佐夫”号航空母舰，上层建筑缩小的好处非常明显。

口径天线的面阵化设计还能大大提高射频设备的能力。由于相控阵形式的天线，波束调度灵活，相对抛物面天线的雷达只能同时跟踪一批目标而言，相控阵雷达能在完成目标搜索等任务的情况下，同时跟踪多批目标，在敌多方位多目标攻击下完成自卫作战，即1部相控阵雷达能同时完成多部传统体制跟踪雷达和搜索雷达的功能[5]。

综上所述，口径天线的面阵化设计所具有的优势，不仅能消除多个同频段射频设备间的相互干扰、减小舰艇RCS、增加舰船作战武器承载能力，并通过系统优化设计，提高射频设备的作战效能。

由于口径天线的面阵化设计，是一项昂贵的转变，需要国家有足够的科技能力和工业化基础的支撑，也需要拥有雄厚的采购经费基础。因此，1艘高度集成面阵化的隐身舰艇往往可以彰显拥有国的军事实力。

对在某个时期内的舰艇或因技术储备不足无法进行全射频集成设计，或因采购经费因素仍希望保持一部分离散状态的射频设备，在此情况下，可采取将该部分离散的射频设备用复合选频透波材料封装入电子桅杆或上层建筑内部，以尽可能减小舰艇RCS。部分射频集成技术与部分封装式桅杆集成安装技术相结合，对科技水平尚不够发达的发展中国家，该技术是一种成本较小，且不失为一种折中的舰艇总体设计技术。

部分射频集成技术与部分封装式桅杆集成安装技术相结合，成为封装式集成电子桅杆，改变了传统舰艇上桅杆上多重横桁、桅杆两侧多层平台的经典样式，封装式集成电子桅杆外形简捷、功能强大、隐身性好。可以任意取1艘典型驱逐舰上的射频设备进行封装式集成电子桅杆设计：将窄带射频设备设计成平面阵天线，将宽带射频设备设计成封装式天线。从设计结果可以看到，虽然我们只用了不算多的射频集成技术，但新型封装式集成电子桅杆的功能已远远大于原舰桅杆，甚至超过原舰桅杆和上层建筑上射频设备功能的总和。

图5 常规驱逐舰桅杆与封装式集成电子桅杆功能示意图

此设想中提出的封装式集成电子桅杆同样需要研制具有选频透波性能的封罩材料，但相对第一种设想中提出封装式桅杆所需的窄带选频透波封罩材料，由于其内封装的是宽频带工作设备，因此，对材料的选频透波性要求低很多，研制难度也低很多。射频集成除设备级技术外，较多地体现了总体关键技术，例如：桅杆集群开口技术、材料技术、天线模块与桅杆一体化技术、集中冷却技术、电磁兼容技术等。

4.3 全射频集成技术的总体设想

全射频集成技术意味着将1艘舰艇上的射频设备全部集成设计，该设想的基础类似于美CVN 21和DDX，即将全舰天线进行面阵化设计。该设计更多地强调隐身性效果，若对1艘功能相对单一的舰艇，全射频集成是完全可以实现的。但对于1艘攻防兼备的多功能复杂舰艇，甚至于航空母舰，实现全射频集成非常困难，代价也是昂贵的。

目前，具有研究基础的全射频集成技术，还是采用分波段集成，例如：美国已开展的设计历时10余年之久的DDX多功能射频集成系统(AMFRS)，也是以多组不同频段的相控阵模块构成全射频集成系统。每组模块的工作带宽均有一定限制。如何在最少的模块组合上实现最多、最强大的功能，是全射频集成的关键技术之一。

全射频集成另外的关键技术还包括以下多种类型：

1) 研究在一组相控阵模块上实现宽带与窄带射频功能的集成设计。例如：将功能强大的远程警戒雷达与宽带电子侦察机和干扰机进行集成设计，充分利用远程警戒雷达发射脉冲之间的长间隙进行电子侦察；充分利用远程警戒雷达的强功率辐射源进行电子干扰等等。

2) 研究将不同频段的卫星通信天线集成在一面相控阵阵面上，由于卫星通信天线发射功率通常较小，但天线增益较高，要求相控阵口径较大，若能在一面相控阵阵面上实现多个波段的集成，则可能实现用一面相控阵取代传统舰艇上多组硕大的卫星通信反射面天线。

当然，上述功能的实现，不仅需解决射频元器件技术，还需解决单元和模块之间的电磁兼容技术，以及更多的总体和系统/设备研制技术。

总之，全射频集成技术是一种理想化的射频集成技术，目前，美军的全射频集成舰艇仍处于研制阶段，应用射频集成技术的DDX型首制舰预期2010年后服役。

5 结 语

射频集成作为近年来国际舰艇设计的新概念，如何推广应用于水面舰艇，各海军强国都在开展研究。不同类型舰艇因使命任务需求的区别对射频集成的功能范围以及集成程度要求各不相同，需要舰艇研究单位从综合性能出发，对射频设备的集成进行统筹规划。特别是对于大型主战舰艇，由于舰船承担的使命任务多，需要采用高集成度的集成方式以有效提高舰艇的作战能力。然而，实现舰载射频设备集成需要科学有序地开展工作，结合国家科研实力和经费投入，逐步从部分功能集成向分频段集成发展，最终实现多功能全共形集成。

[1] ROCKWAY J W,RUSSELL L C,MANRY C W. EM design technology for topside antenna system integration[J].Naval Engineers Journal,2001,113(1):33-44.

[2] GRAAF J,CLANCY J,BROCKETT S,et al.Transmit/receive isolation and ERP measurements of the AMRFC testbed[C].IEEE Conference on Radar，2006:565-572.

[3] GWAAF J,TAVIK G,BOTTOMS M,et al.Calibration overview of AMRFL testbed[C].IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology,2003:535-540.

[4] TAVIK C G,HILTERBRICK C L,EVINS J B,et al.The advanced multifunction RF concept[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53(3):1009-1020.

[5] WARREN L.天线理论与设计[M].朱守正，译.北京：人民邮电出版社，2006.