面向多功能射频的综合射频前端技术研究∗

(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

随着战争形态的演化和科学技术的发展,各种作战平台面临的威胁日益增多。为提高战场生存率,机载、舰载等作战平台必须配备越来越多的电子系统,使得平台同时具备雷达、电子战、通信导航识别等多种能力。在保障雷达设备安全和正常工作的同时,借助通信设备传递信息和情报,使用电子对抗设备监视电磁环境、截获信息、识别威胁、发出告警、干扰敌方武器系统[1-2]。

在作战平台上,上述多种电子系统如采取简单叠加、自成系统的形式,平台上的天线数目将越来越多,各电子系统存在融合程度不够、电磁干扰严重等问题。以机载平台为例,现代战斗机的雷达、电子战和通信设备如通过窄带天线满足各自特定的功能或波形,则一般需要配备50～70个天线,美国第四代战机F-22按常规需要60多根天线。这不仅为装载空间有限、功耗重量要求严格的机载、舰载平台带来不堪承受的重负;而且削弱了作战平台的机动能力,增加了雷达目标反射面积,降低了现代电磁环境中的抗干扰能力和现代武器装备系统的作战效能。

因此,为解决作战平台在装备多种电子系统时面临的诸多矛盾,多功能综合射频系统应运而生,且日益成为未来战场电子系统的发展趋势。此种多功能综合射频系统基于综合射频前端这一共用的射频硬件平台,通过软件编程、动态配置使系统具备雷达、电子战或通信等多种不同的功能。

1 多功能综合射频系统的概念、发展与组成

多功能综合射频系统,是通过分布式宽带多功能孔径,采用模块化、开放式、可重构的射频系统体系架构,基于功能控制与资源管理调度算法,同时(或分时)实现雷达、电子战或通信等多种功能[3]。

由于多功能综合射频系统具有的潜在优势, 20世纪80年代以来即在全球得到了蓬勃发展。为了解决舰艇顶部天线数量不断增长等问题,美国海军资助了舰用先进多功能射频概念(AMRFC)等项目,旨在将雷达、电子战和通信组合成一套共享的阵列天线、信号处理与显示硬件的系统,实现舰艇多种功能的综合一体化,如图1所示。

图1 AMRFC的期望实现目标

对于战斗机航空电子系统,目前已诞生以“宝石柱”和“宝石台”为代表的一体化大系统,并且正在向综合化、信息化、模块化和智能化方向发展。其中,“宝石台”航电系统架构如图2所示。基于“宝石台”计划的F-35战斗机多功能综合射频系统被认为是居于世界领先水平。在F-35战机上,多功能综合射频系统主要通过数据融合、信息融合和天线孔径予以实现。许多雷达、通信、电子战功能从硬件的配置中消失,而这些功能的获取通过加载不同的软件实现[4]。

多功能综合射频系统能够以有限的空间实现多种功能,具有控制功耗、抑制干扰、降低成本等优点。对应功能的划分,多功能综合射频系统主要由综合射频前端、综合处理单元和综合管理系统三大部分组成,典型组成架构如图3所示。

图2 “宝石台”航电系统架构

图3 多功能综合射频系统的典型组成架构

其中,综合射频前端是实现雷达、通信或电子战等多种功能一体化的关键。基于综合射频前端的设计方式,有利于结合实际军事应用需求,统一规划射频设备的功能,将多个任务电子系统的射频前端尽可能多地共用,达到简化系统组成、共用信息平台的目的。

2 综合射频前端

综合射频前端的设计方式指:在频域上通过收发通道的共用,实现多个不同收发频段的覆盖,有效地降低重量和成本;在时域上通过时序的合理调配或辅以相应的电磁兼容设计,完成同时或分时多种任务和多种角色的切换;在空域上通过天线的共孔径或宽带技术,完成射频孔径的完全或局部综合,在提升天线孔径利用率的同时支撑多功能系统的实现。

按照功能的划分和模块的组成情况,综合射频前端的实现主要包括三个方面,即射频孔径综合、射频通道综合和频率源综合,其基本架构如图4所示。射频孔径综合即多个功能共享或共用一个天线孔径;射频通道综合即多个功能共用一个射频收发硬件平台;频率源综合即本振、时钟或发射激励信号的综合。本文将重点对射频孔径综合和射频通道综合进行介绍。

图4 综合射频前端的架构

3 射频孔径综合

3.1 射频孔径综合的概念

射频孔径综合是利用天线的共孔径技术或宽带技术,按照空域、频域、时域、调制域等诸多方面的要求,考虑其在功能、工作方式、工作频段、覆盖空域、工作时段、调制方式、极化方式、低RCS、载体适装性等方面的特性,对各类天线进行整合,最大限度压缩天线数量,使其成为共享的射频孔径,集中实现包括雷达、通信或电子战等多种设备功能的空间电磁波能量和高频电磁波能量之间的转换,并最大限度地发挥其功能和效率,最终达到天线孔径综合利用的目的[5-6]。

对于机载、舰载和弹载等空间紧张、质量要求高的安装平台,如果天线种类和数量很多,天线之间不仅可能产生电磁耦合,而且天线的电磁场散射将破坏彼此的隔离度,进而干扰较为敏感的接收设备。应用射频孔径综合技术,将功能单一的射频孔径发展为多功能的射频孔径,不仅天线更少、更集中,更有利于武器装备整体的资源分配和隐身设计,而且提高了射频综合配置管理和平台天线的电磁兼容性,消除了天线数量过多导致的不利影响。

3.2 一种实现射频孔径综合的参考模式

射频孔径综合主要体现为多频段多极化共孔径天线、超宽带天线及可重构天线等。结合多功能一体化的应用需求,本文介绍一种L/C波段双频段双极化共孔径微带天线阵的实现,其基本指标如表1所示。

表1 L/C波段双频段双极化天线基本指标

对单个天线而言,表1中的各项指标要求较易实现。但对于共孔径天线,由于天线的相互影响降低了性能,故指标难以达到要求。通过分析可知,L波段与C波段中心频率比约为1∶4,L波段贴片相对C波段比较大,当天线使用同一个口径辐射时,面积较大的L波段贴片势必阻碍C波段贴片的辐射。此外,两个频段馈电网络的互扰及所产生的寄生辐射问题,也使得天线性能恶化。

针对遮挡问题,此天线在设计中采用了在L波段贴片开孔的方案。两个波段的贴片位于同一层微带上,每个L波段贴片的面积约为4个C波段贴片面积,将L波段贴片设计成“田”字形,4个空隙处放置4个C波段贴片,解决了两个频段天线之间的辐射遮挡问题。

馈线影响也是共孔径天线不可忽视的问题,共孔径天线的馈电网络往往较密集,馈线本身易产生寄生辐射,两个频段的馈线也将相互干扰。针对馈线影响问题,此天线利用口径耦合馈电,将C波段馈线放置于反射地板下方,从而大大减小馈线的辐射。L波段的馈线放置于反射地板上方的薄介质板上,也有效地将L波段馈线的辐射抑制在可以接受的范围内。L、C两个波段的馈线通过分隔在反射地板的上下两面,减少了两个波段馈线网络的相互干扰。

此外,为了获得好的交叉极化性能,天线各个部分必须保持很好的对称性,尤其在馈电方式上。此天线L波段开孔贴片采用邻近耦合馈电;C波段采用完全对称的口径进行耦合,在开缝的另一端开对称的“伪槽”以获得好的交叉极化。设计完成的L/C波段双频段双极化共孔径微带天线阵,如图5所示。

图5 L/C波段双频段双极化共孔径微带天线阵

通过分析此天线的实现方式可知,在设计共孔径天线时,需根据指标要求进行顶层规划,确定不同频段天线的排布方式及位置,充分考虑天线孔径分布的不均匀性和栅瓣问题,根据天线排布确定天线单元及馈电网络形式,并在此基础上对天线进行整体优化。

4 射频通道综合

4.1 射频通道综合的概念

射频通道部分是指处于天线和综合处理单元之间的一些支撑电子电路,包括模拟电路和数字电路。射频通道综合是在分析雷达、电子战和通信所占用频段的基础上,把各电子系统的收发、预处理等功能重新划分和组合,采用模块化、标准化的设计方法,将射频通道尽可能多地共用,构建具有资源共享、可重构和通用化等特征的射频收发系统。根据信号形式,射频通道综合分为模拟部分、数字部分和模数部分复用三种情况。

传统的射频收发系统一般采用单一化的设计思想,即各任务电子系统的射频收发功能由一些分立的、具有不同功能和覆盖不同频段的设备完成。这将导致作战平台上存在多个相互独立的射频收发系统,彼此之间不仅争夺平台有限的能源和空间,而且电磁兼容问题比较突出。如果采用射频通道综合的设计方式,射频收发系统将融合多个电子系统的部分或全部,打破原先硬件配置中的界线,转而通过系统软件的控制管理实时或分时完成各种作战任务。此举不仅降低了系统的体积、重量和功耗,而且较大改善了可靠性、维修性和扩充性。

4.2 一种实现射频通道综合的参考模式

结合雷达和通信功能一体化的应用需求,本文介绍一种S波段雷达通信一体化数字阵列模块(DAM)的设计,基于分时体制实现雷达数字化收发和通信数字化收发功能。在降低系统体积、重量和功耗的同时,设计中还兼顾了模块划分和集成方式对可重构和可扩展能力的影响。其功能组成框图如图6所示。

图6 一体化DAM功能组成框图

雷达-通信一体化数字阵列模块采用中频采样方式,其内部主要由如下单元组成:

1)一体化射频收发单元

一体化DAM共集成了8个一体化射频收发单元,其功能组成框图如图7所示,主要完成雷达和通信发射激励信号的频率变换、功率放大;完成雷达回波信号和通信信号的低噪声接收、频率变换等功能。

图7 一体化射频收发单元组成框图

在设计中,由于雷达和通信电子系统对各自信号指标的要求不同,发射时在满足雷达饱和功率输出的同时,对于通信进行回退,使得功率放大器工作在线性区,保证了通信所需的较高线性度。对于变频电路,一体化DAM采用有源混频方式,增益控制电路也集成于其中。

2)一体化数字收发单元

一体化数字收发单元,包括一体化数字接收机、数字波形产生和光电转换模块,集成在一块数字电路板中,实现8通道雷达和通信中频激励信号的数字波形产生、8通道雷达回波信号和通信信号的数字接收下变频、数据的高速传输功能,其功能组成框图如图8所示。

图8 一体化数字收发单元组成框图

射频通道综合作为实现多功能综合射频系统的核心,在设计中需要考虑雷达、电子战或通信等多种功能模式对战技指标的要求。因为ADC、DA和宽带模拟器件水平的限制,多种功能模式难以同时获得较高性能,所以在设计中需要区分主辅功能,在优先保证主要功能的同时最优化其他功能。

5 结束语

综合射频前端是实现多功能综合射频系统的关键。本文在介绍多功能综合射频系统的基础上,对综合射频前端的概念和实现方式进行了分析,并重点描述了射频孔径综合和射频通道综合两种方式。随着现代电子系统集成技术的飞速发展,多功能综合射频系统已成为一种发展趋势,综合射频前端更将凸显其重要性。

[1]张明友.雷达-电子战-通信一体化概论[M].北京:国防工业出版社,2010:1.

[2]林志远.多功能综合射频系统的发展与关键技术[J].电讯技术,2006(5):1-5.

[3]胡卫民,葛悦涛,蒋琪,等.综合射频技术分析及其在导弹上的应用研究[J].战术导弹技术,2013(4):96-102.

[4]赵佩红.多功能综合射频系统技术综述[J].雷达与对抗,2011,31(3):9-13.

[5]李军政.航空综合射频传感器研究[J].现代导航, 2012(5):368-372.

[6]胡元奎,靳学明,范忠亮.多功能综合射频系统技术研究[J].雷达科学与技术,2015,13(3):233-239. HU Yuankui,JIN Xueming,FAN Zhongliang.Research on Multi-Function Integrated RF System Technology[J].Radar Science and Technology,2015,13 (3):233-239.(in Chinese)