相控阵雷达多功能射频与微波设计

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(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

随着战场对抗形势的变化以及新材料、新器件、新工艺技术的发展，各种作战装备、平台面临的威胁日益增多，其工作的电磁环境也逐渐复杂。为提高生存率和突防率，作战装备不得不配备越来越多的电子设备,特别是机动平台，如战机、战舰、导弹等常常需要同时装备雷达、光电、通信和电子战等电子设备。与此同时,各种电子设备的增加消耗了大量的能源，占据了更多的空间，增加了体积、重量和雷达反射截面积，相互干扰严重，降低了武器装备系统的整体作战效能。作为应用于多种平台的重要军事装备，相控阵雷达朝着更多功能、更高集成、更高性能、更低成本的方向发展[1-4]。多功能综合射频采用异构集成技术[5]，将GaN，InP，SiGe，AlN等复合材料进行微系统高密度集成，设计包含雷达、通信、电子战、导航、识别等功能的综合多功能射频系统，提高了系统性能的同时，减小了体积，降低了系统成本。另外，为了进一步降低系统成本、缩短系统研制周期，多功能综合射频系统的射频/微波电路设计将采用开放式架构，同时系统场景架构仿真设计为精确评估多功能系统性能，降低测试成本，以及仿真复杂电磁环境与近似实战环境下的系统性能提供了解决途径。多功能综合射频、开放式架构是相控阵雷达系统的发展趋势，异构集成、系统场景仿真是新的设计手段。利用先进的设计理念与设计手段，从多功能综合射频、开放式架构、异构集成、系统场景架构仿真几个方面的内容对包含雷达、通信、电子战等多功能综合射频系统的设计进行叙述，供从事射频/微波的设计者参考。

1 多功能综合射频

用宽带多功能孔径取代目前平台上为数众多的天线孔径, 采用模块化、开放式、可重构的射频传感器系统体系架构, 并结合功能控制与资源管理调度算法、软件, 同时实现雷达、电子战、通信、导航、识别等多种射频功能, 这就是多功能综合射频技术。多功能综合射频技术能够降低雷达反射面积，减小相互干扰，提高武器装备整体作战效能，而且其优势在于可以在有限的空间中实现更多的功能，并有效控制功耗，降低成本，具体体现如下：

1)功能拓展，全面提升整体战技性能；

2)高度重用，可靠性、可维护性高；

3)降低系统功耗、体积、重量；

4)功能动态重构、高度灵活、提升容错性；

5)开放式体系架构，便于后续升级改型，降低维护成本；

6)综合利用数据信息，提升态势感知和对抗能力。

美国是最早研究多功能综合射频的国家，如AMRFC(Advanced Multifunction Radio Frequency Concept)是由美国海军研究署(Office of Naval Research, ONR)资助的项目[6]，主要是为了解决美国海军舰艇顶部天线数量不断增长等问题。AMRFC计划力求为雷达、电子战和通信功能提供一种通用宽带有源阵列天线体系结构，这种天线体系结构能够同时收发多个雷达、电子战和通信的独立波束。为验证这个新概念的可行性，美国海军开发了AMRFC试验台[7]，用以研究系统的一体化并进行试验。

20世纪80年代，为了给航空电子系统提出一个统一的模块化、开放式、具有良好容错性并且高度灵活的结构设计规范，“宝石柱”(Pave Pillar)计划应运而生[8]，该计划主导者是美国空军莱特实验室。该计划大大提高了作战飞机航空电子系统的一体化。美国F-22战机即是采用该设计规范定义的一体化航空电子系统结构。“宝石柱”计划的设计规范中还使用了系统实时动态重构技术，该技术是一项综合电子系统的关键技术，可以使系统的性能和成本都得到很大的改进，甚至达到最优系统结构。

20世纪90年代，美国提出了“宝石台(Pave Pace)”计划[9]。该计划是“宝石柱”计划的增强和拓展，与“宝石柱”计划相比，其功能更为完善、性能更为优良、综合程度更高。

多功能综合射频通过射频系统集成，共享接收机、发射机和信号处理机等方式，使用尽可能少的多功能模块构建出兼具任务规划的多功能综合系统。多功能综合射频可以分为天线、射频开关矩阵、频率变换、DAC、ADC、频率综合器、波形产生、时间基准、数据开关矩阵、处理器等功能模块。其中，天线设计将采用尽可能少的孔径实现雷达、通信及电子战等功能；射频开关矩阵模块实现不同功能射频链路间的切换；频率变换、DAC、ADC模块完成射频链路的变频、滤波及数字化；频率综合器、波形产生、时间基准模块完成系统基准时钟产生、各种功能波形产生及系统时序产生等功能；数据开关矩阵、处理器模块完成不同功能数据处理模块间的切换及各种功能的数字信号处理等功能。每个功能模块可以按照标准化、开放式的架构进行研发与设计，典型的多功能综合射频架构图如图1所示，未来多功能综合射频技术向宽频带、可重构、开放式、多功能方向发展。

图1 多功能综合射频架构图

2 开放式系统架构

开放式系统架构即采用标准化的方法构建子系统或系统装备，对射频/微波技术而言就是采用标准化、模块化的方法构建集成微波组件(IMAs-Integrated Microwave Assemblies)，满足多个平台使用需求。一个模块化的、定义明确的、可扩展的架构可以提高技术透明度，让多家研发单位进行研发、设计与更新，可以加速技术推进，缩短产品研发周期，最大限度发掘不同系统(如雷达、电子战等)之间的共性之处，大大减少系统全周期寿命成本。

2013年，美国国防部(DoD)提出了发展开放式系统架构(OSA)的电子战系统[10]，旨在有效利用频谱资源，提高武器系统的灵活性和自适应能力。开放式架构从数字子系统的OpenVPX向微波射频子系统的OpenRFM发展[11]。OpenRFM允许集成高频接收机、发射机、本振与功率放大器以及ADC与DAC等，唯一限制是满足VITA标准的功耗。图2、图3为美国Mercury Systems公司开发的3U与6U OpenRFM模块外形结构图。

图2 3U OpenRFM模块

图3 6U OpenRFM模块

采用开放式架构的相控阵雷达系统可以适应未来集雷达、通信及电子战等多功能综合射频系统的发展需求，并大大缩短系统的研发周期，提高系统的灵活性和自适应能力，减少系统的体积、重量与功耗。开放式系统架构提出的时间尚短，如何合理划分模块、子系统、系统及其集成设计是射频/微波与相控阵雷达系统设计人员长期进行探索的问题。

3 异构集成

在复合半导体材料中，InP晶体管的fmax超过1 THz，适合应用于超高速混合电路；如表1所示，GaN具有高的击穿电压，适用于高功率RF器件；SiC具有强的导热性，适用于高功率开关；AlN可应用于频率选择滤波器和时钟参考源电路。然而硅基CMOS电路的集成度高、成本低，尤其在数字集成电路方面具有极大的技术优势，随着RF CMOS与SiGe HBT技术的发展，其电路使用频率可以达到100 GHz以上，击穿电压及线性度也越来越好，所以未来硅基异构集成将发挥不同材料的优点，实现高性能、低成本、低功率耗散的综合多功能系统。

表1 不同半导体材料特性参数表

美国国防部高级研究计划局(DARPA)的微系统办公室(MTO)正在研发革新材料、器件与集成技术，满足先进射频和微波系统需求，其中2007年开始的COSMOS(Compound Semiconductor Materials on Silicon)工程重点在硅基CMOS集成及复合半导体技术，并获得前所未有的电路特性水平。继续COSMOS工程的DAHI(Diverse Accessible Heterogeneous Integration)工程，发展异构集成，集成新兴材料与器件，并应用于下一代射频/微波系统。

COSMOS工程包括应用射频与混合信号的InPBiCMOS集成电路技术、InP HBTs与亚微米SiCMOS技术，如采用InPBiCMOS异构集成技术的ADC[12]集成约1 000 InP HBTs，16 000 Si HBTs和2 500 Si MOSFETs，包含1 800个InP HBT与硅基芯片之间的异构互连，ADC芯片显微图如图4所示。

图4 COSMOS工程ADC显微图

2013年，DAHI工程应运而生，DAHI工程目标是通过成熟、可靠的异构集成技术能够让微系统设计者选择合适晶体管或电路模块构造先进的微系统。这不仅推进了军用微系统的发展，也大大促进了商用微系统的发展。图5为采用0.25 μm InP HBTs，0.2 μm GaN HEMTs和65 nm Si CMOS的多工程晶圆显微图[13]。

图5 DAHI工程晶圆显微图

2015年，美国DARPA继续推进可重复使用器件级异构集成知识产权策略，旨在减少设计周期、降低设计成本，并将异构集成技术推向更广泛的应用。

4 系统场景架构仿真

随着多功能综合射频系统的发展与需求，射频/微波设计师面临的挑战已超越单纯的技术层面，也超越了简单的电路及子系统的仿真，设计师需要权衡雷达、通信、电子战、侦察、识别等诸多因素，包括模拟实战情况下的电路性能。系统场景架构仿真可以通过软件定义雷达系统硬件及平台模型参数，仿真杂波、干扰等环境下电路及子系统性能，以及复杂电磁环境下雷达系统性能评估，大大节约了系统测试成本，提高了准确度，降低了系统设计风险。设计师可以根据场景架构仿真结果指导射频/微波子系统与系统电路设计，特别是对机载或星载等运动平台的雷达系统简化设计与性能评估具有重大的意义。

场景架构分为3层：轨迹层、天线层和信号层，架构图如图6所示。轨迹层在三维立体空间内定义所有接收与发射系统的位置、速度与加速度，通过雷达平台模型与目标轨迹模型计算雷达与目标的轨迹；天线层通过建立天线实际工作场景下的波束宽度，波束指向及目标位置计算最终的天线增益；信号层通过软件定义方式产生雷达发射激励波形，通过发射链路及天线辐射，接收雷达系统目标回波及杂波信号。

图6 系统场景仿真架构图

系统场景仿真3层架构层建立后就可以根据雷达方程及相关杂波特性，并利用下述计算模型，对不同场景下雷达系统性能的场景进行仿真分析，并在一定的虚警率情况下计算雷达探测概率，评估雷达系统性能，通过场景仿真结果优化电路、子系统及系统性能参数，确定系统最佳可检测信噪比及最大探测概率。

雷达检测信噪比是由多方面的因素综合决定，其中包括目标回波功率、干扰功率、杂波功率以及噪声功率等，计算公式[14]为

(1)

对于探测概率，典型的线性检波雷达探测概率计算模型可以近似为

(2)

系统场景架构仿真最大的优点是可以评估近似实战环境下雷达系统的MTI与MTD性能，了解系统的电子干扰与反电子干扰的能力，优化系统设计的同时，大大降低系统的测试与调试成本。

5 结束语

多功能综合射频用宽带多功能孔径实现雷达、通信、电子战等多种功能，是未来相控阵雷达系统发展的主要方向，也是解决复杂电磁环境下实现雷达、通信与电子战等多功能一体化的主要手段；开放式系统架构利用标准化、模块化的方式，通过软件定义开发射频/微波模块与子系统，大大缩短了产品的研发周期，降低了系统的全周期寿命成本；异构集成可以充分发挥不同半导体材料的技术优势，提高系统集成度的同时，使模块与子系统的性能达到最佳；通过系统场景架构仿真可以指导复杂电路及系统的设计，评估实战情况下的系统性能，节约了系统测试的时间，大大降低了系统设计风险及系统成本。

本文结合国外发展情况，从集成方式、系统架构、系统仿真等几个方面对射频/微波的设计提出了先进的设计理念与设计手段。多功能综合射频、开放式架构是相控阵雷达系统的发展趋势，异构集成、系统场景架构仿真是新的设计手段，每一个方面都值得从事射频/微波以及雷达系统设计人员进行深入研究。利用先进的设计理念与设计手段，设计最优的多功能综合射频系统是设计人员面临的机遇与挑战，也是从事该领域的设计人员继续探索的课题。

[1] BROOKNER E. Phased-Array and Radar Breakthroughs[C]∥CIE International Conference on Radar, Shanghai: IEEE, 2006:37-42.

[2] BROOKNER E. Phased-Array Radars:Past, Astounding Breakthroughs and Future Trends[J]. Microwave Journal, 2008, 51(1):30-50.

[3] BROOKNER E. N0ever Ending Saga of Phased Array Breakthroughs[C]∥IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, Waltham, MA: IEEE, 2010:61-73.

[4] BROOKNER E. Recent Developments and Future Trends in Phased Arrays[C]∥IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, Waltham, MA: IEEE, 2013:43-53.

[5] GREEN D S, DOHRMAN C L, DEMMIN J, et al. Heterogeneous Integration for Revolutionary Microwave Circuits at DARPA[J]. Microwave Journal, 2015, 58(6):22-38.

[6] TAVIK G C, HILTERBRICK C L, EVINS J B, et al. The Advanced Multifunction RF Concept[J]. IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques, 2005, 53(3):1009-1020.

[7] TAVIK G C, CHOE J Y, HUGHES P K. Advanced Multifunction Radio Frequency (AMRF) Concept Testbed Overview[C]∥Government Microcircuit Application Conference, San Antonio, TX:[s.n.], 2001:100-102.

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

[9] 陆良文. 从“宝石柱”到“宝石台”：一体化航空电子系统发展概述[J]. 通信电子战, 2006(2):13-18.

[10] GRAVES L. Silos of Inefficiency: Overcoming Closed RF Design and Development Practices[J]. Microwave Journal, 2015, 58(Supplement):46-50.

[11] DELISLE J J. What’s the Difference Between OpenVPX, OpenRFM, and MORA?[EB/OL]. [2017-06-17]. http:∥www.mwrf.com/systems/what-s-difference-between-openvpx-openrfm-and-mora.

[12] GREEN D S, DOHRMAN C L, KANE A S, et al. Materials and Integration Strategies for Modem RF

Integrated Circuits[C]∥IEEE Compound Semicon-ductor Integrated Circuit Symposium, La Jola, CA: IEEE, 2014:57-60.

[13] GUTIERREZ-AITKEN A, HENNIG K, SCOTT D, et al.Diverse Accessible Heterogeneous Integration (DAHI)at Northrop Grumman Aerospace Systems(NGAS)[C]∥IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, La Jola, CA: IEEE, 2014:35-38.

[14] 李钦富,许小剑. 相控阵雷达系统仿真模型研究[J]. 中国电子科学研究院学报, 2007, 2(2):239-243.