一种经济型相控阵雷达架构

马 珂，王 轩

(海军装备部驻扬州地区军代室，江苏 扬州 225101)

0 引 言

随着相控阵技术、微电子技术、高速信号处理技术的发展，相控阵雷达进入发展快车道，以美军AN/SPY-6有源相控阵雷达、泰勒斯有源相控阵(ARPA)雷达、TRS-4D雷达、日本OPS雷达、DBR等典型雷达装备为代表。上述典型装备体制和技术主要列装主战装备，承担多功能多任务使命。

随着装备竞争择优常态化实施，经济型相控阵雷达将是未来装备增强竞争能力的必然趋势。中小型作战舰艇、战斗车辆、机载平台等对雷达有严格效费比、低功耗要求，针对该类需求需要寻求一种经济型相控阵雷达体系结构，尝试新体制、新技术的组织运用。

本文基于以上考虑，尝试探索一种经济型相控阵雷达架构，后续将进一步深化研究。

1 ONR经济型通用雷达架构计划

1.1 计划背景

针对数字阵列、经济型可承受相控阵、通用雷达架构等重点开展研究，本文重点分析ACRA计划相关情况。

美国海军及海军陆战队列装了大量AN/SPN-43、AN/SPS-48E、AN/TPS-75和AN/SPS-49雷达，该类型雷达服役时间长，技术体制落后，尽管海军先后通过现代化升级、维修保障等提升雷达可用性，但是大量雷达已逐渐不能满足作战需求。

为了对舰艇上雷达系统进行现代化改造达到可用的目的，ONR发起了经济型通用雷达架构(ACRA)计划[1]，如图1所示。该计划首个五年计划为(2009～2013)，主要目标是研究一种支撑雷达系统新技术应用的可升级的通用架构，ACRA计划可满足旋转相控阵和固定相控阵需求，适配美国海军各型作战舰艇[2]。

图1 ACRA计划研究目标

1.2 计划内容

ACRA计划目的是探索经济型相控阵解决方案，研究一种支撑雷达系统新技术应用的可升级、通用架构，对老旧装备实施经济性升级替换，主要能力提升出现在以下方面：

(1) 增强远距离大角度搜索能力；

(2) 提升对感兴趣目标的跟踪数据率；

(3) 提升海杂波和大气环境下的探测性能；

(4) 提升应对有源干扰的能力。

ACRA采用了独特的收发阵面分置的天线结构，这种结构具备潜在的降低系统成本的能力，后端处理沿用ONR数字阵列雷达项目(DAR)的开放式架构成果，雷达组成如图2所示。

图2 通用经济型雷达组成图

按照ONR设想，经济型通用雷达架构组成如图2所示，由位于天线座的接收阵面、发射阵面和位于甲板下的数字波束合成器、信号处理机、发射机等组成。该体系架构主要技术特点有：

(1) 通用模块化

该架构所采用的数字接收机、波形产生器、波束合成器、数据处理机为模块化、可升级、商用化的模块，接收阵面采用低成本微带电路设计，采用商用模块减轻硬件升级、新增功能、技术插入的压力。

(2) 宽空域覆盖

发射阵面与接收阵面分开，发射宽波束，接收数字形成同时多波束覆盖，满足远中近程探测对空域覆盖的要求。

(3) 高升级性能

接收阵列较大，采用低成本微带电路设计，可由48×48升级到96×96；小型有源发射阵列，收发阵面分开,可随时实施技术升级；总体采用开放式架构，后端处理软件化设计，易升级。

(4) 高可靠性

发射阵面采用无源集中发射技术，接收阵面采用风冷低功耗微带印制电路技术，发射机、数字波束合成、信号处理等均位于甲板下。天线阵面功耗低，易损件均位于甲板下，维修便利。

(5) 体制技术先进

延续DAR项目数字阵列及开放式架构相关成果，采用了全数字接收、二维有源相扫、瓦片阵列等技术，具备多功能一体特征。

1.3 后续发展

根据ONR研究计划，2012年应用到退役的SPS-48雷达，2014年应用到SPS-49、SPS-74、SPQ-9B等现役雷达改造。

2 启示与思考

目前美军基本按照该框架进行装备研制，航母、巡洋舰、驱逐舰等大型平台，如CVN79、DDG1000、新一代驱逐舰等搭载固定阵，两栖登陆舰、滨海战斗舰、军辅船等搭载旋转相控阵。从ACRA体系架构来看，有几个点可供参考：

2.1 收发分置架构

其发射阵面与接收阵面分置较为独特，据介绍是为了接收阵面升级需要，发射阵面采用大功率固态/行波管集中发射，发射机位于舱室内部，通过波导把高功率信号馈送到发射天线。

天线阵面上采用风冷设计，减轻了阵面重量和散热复杂度。泰勒斯公司的M3R雷达承担炮位侦校、搜索跟踪等功能，如图3所示，采用了收发阵面分置方案。ACRA与M3R均采用收发阵面分置方案，分置不是为了提升隔离度，而是为了满足技术升级要求(接收阵面升级机会更多)。

图3 M3R雷达组成图

采用大功率集中发射、收发阵面分置、接收数字多波束的方案，整个天线阵面功耗低，利于提升可靠性与降低复杂度。

2.2 通用数字软件化

基于开放式架构明确了模拟系统和数字系统的界面关系，后端信息处理硬件平台通用化，数字接收机、数字波束合成器等预处理部分采用通用标准模块，信号处理、数据处理等采用软件化设计，可根据需求实施软升级。

采用商用10G网络交换机承担数据交换和控制分发任务，采用商用刀片处理器用于脉冲压缩、恒虚警率(CFAR)、动目标检测(MTD)处理等信号处理任务。

3 经济型相控阵新架构

3.1 概述

参考ACRA计划的基本思路，以旋转相控阵为构想，以低功耗硅基微系统、大间距相控阵、海量数据旋转传输、通用处理平台构建开放式雷达体系架构，减少定制化设计，适应平台对低功耗、高效费比、轻量化的需求。

3.2 体系架构

图4所示为一种经济型相控阵雷达体系架构框图，分为天线系统、传输系统、舱室系统三部分。整体上采用发射阵面与接收阵面分开布局，“宽发窄收”形式，发射二维宽波束，接收数字波束形成(DBF)二维多波束覆盖，如图5所示。

图4 经济型相控阵架构

图5 二维波束瞬时覆盖

后端采用基于通用处理平台、高速光纤通信的开放式架构体系，实现硬件平台的通用化，便于简化维修保障配置，实现备件互换互通和扩展升级。

接收阵面为全数字二维多波束接收体制，接收回波信号，经数字化后通过多通道光铰链下行传输，进入舱室内的数字波束合成器，根据工作模式形成不同规模的并发波束。

3.2.1 天线系统

天线系统由发射阵列、接收阵面以及伺服驱动组成，其中发射阵列可采用波导裂缝阵列，具备耐大功率特点,采用无源集中发射，固态/行波管集中发射机产生大功率射频信号,由射频铰链上行传输进入发射阵面辐射出去。

接收阵面采用模块化设计理念，接收子阵为瓦片式基本组成单元，可根据需求二维扩展，实现不同规模和灵敏度的雷达阵面。

为满足接收子阵二维电扫描需求，同时兼顾经济型，本文提出3种可能的接收子阵方案。

方案一：超大间距可重构相控阵

常规相控阵根据电扫描范围，在无栅瓣出现前提下设计阵元间距，单元间距一般在0.5倍波长左右，若单元间距扩大到1个波长以上同时采取措施抑制栅瓣，则二维相控阵阵元数目可降低到原来的1/4，显著降低射频系统成本。

利用阵面方向图为单元方向图与阵因子乘积的特点，对单元方向图进行重构，栅瓣区形成“零限”从而抑制栅瓣。图6为间距是1.2倍波长的阵列及其方向图，可见阵列方向图副瓣被抑制掉。

图6 1.2倍波长间距阵列及方向图(未加权)

方案二：基于铁氧体的异质混合小型收发组件

相控阵系统60%的成本集中在微波收发模块上，现有相控阵收发模块一般采用8合1、4合1等形式，每个模块内部包含8个、4个TR组件，阵元数有多少，TR组件通道就有多少，限制了相控阵系统经济型的实现。

图7为现有和经济型相控阵收发模块对照，本项目采用铁氧体移相衰减器与TR组件一体混合集成方案，相同收发通道下，TR组件只需要1个。需要解决铁氧体与半导体异质混合集成、小型化超低损耗铁氧体移相衰减技术等关键技术。

图7 相控阵收发模块对照

方案三：硅基片式系统阵列技术

为了满足小型化、低成本相控阵天线需求，采用硅基+化合物的异质集成SoC芯片技术/多层混压印制板(PCB)工艺技术/瓦片式结构，大幅降低收发组件生产成本。X波段以上的高频信号受制于A/D采样位数，暂无法直接射频直采，拟采用Zynq UltraScale+RF SoC的商用解决方案，与波束合成芯片联合，支持6 GHz射频直接采样，承担A/D采样、数字下变频、波束合成功能，实现商用化经济型片上系统。

基于多层混压埋阻技术和高密度垂直互联技术PCB工艺，将微带天线阵列、射频电路、控制电路和供电电路集成在同一张PCB板中,整个阵面由多层微波板混压而成,CMOS相控阵芯片通道射频端通过垂直互连结构与天线单元馈电端连接,互连方式由金属化过孔替代了传统的连接器,既省去了连接器成本,又提高了相控阵天线的集成度，利用这种技术实现相控阵天线的低成本、低剖面和轻量化。

3.2.2 传输系统

传输系统采用射光电集成铰链来实现，射频铰链和汇流电环较为成熟，其中光铰链为多通道光旋转连接器。传输系统承担发射大功率射频信号上行传输、控制信号双向传输、海量数字化回波信号的下行传输功能，最大难点是海量数据下行传输，直接决定着方案的可行性。经过调研，目前国内光旋连接器已可设计60个通道，结合波分复用技术可满足全阵面海量数据下行传输。

3.2.3 舱室系统

舱室系统主要包括发射机、数字波束合成器、通用处理平台(部署信号处理软件等)、显示终端等。数字波束合成器采用基于Virtex-7系列现场可编程门阵列(FPGA)芯片的成熟通用硬件板卡。

通用信息处理平台应基于标准化、通用化、模块化、自主可控的软硬件模块，按层次化、标准化设计，最终实现架构共融、资源共享。平台硬件系统支持集中式或分布式放置，且在集中式或分布式的形态下应支持各软件(包括信号处理、数据处理、资源调度)的统一部署。计算体系架构支持基于国产化、高性能处理器的并行计算体系，具有高性能、易扩展、易升级和自主可控等特点。

通用信息处理插箱由通用计算刀片、高速网络交换刀片、VPX背板、监控模块、电源刀片、存储刀片等组成。

3.2.4 冷却系统

相控阵系统的冷却散热较为关键，现阶段主要包括液冷散热、风冷散热、均温冷却、相变储能、热管技术等经典散热方式。冷却系统可靠性与复杂度在一定程度上影响了设备的可靠性。

前期国内各单位采用的均为收发共阵面的方案，要满足辐射功率要求，TR组件等大功率有源模块需采用水冷散热，液冷散热效果好，但管路和走线复杂。

本项目采用了大功率集中发射(位于舱室，可风冷或液冷散热)、分布式接收的方案，接收系统功耗相对较低，阵面采用风冷散热即可满足需求。

3.3 关键技术

3.3.1 基于射频片上系统的低功耗前端技术

经济型相控阵的前提是优化射频系统方案，降低微波部分经费占比。Xilinx公司于2017年推出第1代、第2代和第3代RF SOC产品，第3代全面支持对6 GHz以下的频段直接射频采样，并支持拓展的毫米波接口，为5G无线通信系统和相控阵雷达、汽车雷达、微信通信等应用提供解决方案。美国大规模多功能相控阵雷达(MPAR)系统基于RF SOC开发了通用化微波模块。

与常规分离式、多功能芯片相比，RF SOC集成度更高，功耗更低，尺寸更小，基于RF SOC构建的接收子阵即为单片雷达，基于RF SOC优化射频系统架构降低功耗还需要深入研究。

3.3.2 多通道海量数据旋转传输技术

旋转相控阵可靠性、维修性提升的关键是易损件、易维件置于舱室内部，现有产品采用波分复用技术，可实现少量波束数据实时下行传输，数字波束合成功能只能置于阵面内，不满足本架构需求。

随着光旋转连接器技术的发展，多通道光旋转连接器从单通道逐渐扩展到60路甚至更多，结合波分复用技术可实现全阵200个通道以上A/D数据的实时传输。目前尚未用到如此多通道光旋，60个通道间旋转幅度的差异可能较大，客观上影响光接收灵敏度。后续需要组织验证该技术。

3.3.3 智能软件化处理技术

软件化处理为未来雷达技术发展的主趋势，未来系统呈现模拟最小化、数字最大化的状态，系统功能只取决于运行在处理平台上的应用软件，运行雷达软件就是雷达设备，运行对抗软件就是对抗设备。

智能软件化处理平台可通过软件独立升级实现装备升级，具备在线网络加载实现功能动态重组功能，提高装备任务可靠性。软件化雷达系统的软件定义以及架构统型还需要探讨，现阶段尚无标准格式。

智能化也是未来发展趋势之一，人工智能在雷达中如何落地、提升哪些性能、实时处理应用等问题还需要进一步探讨。

4 结束语

本文以探索经济型相控阵为目标，首先分析了ONR的经济型通用雷达架构，然后针对经济型需求，提出了一种经济型相控阵雷达架构，对各个组成进行了简要介绍，重点提出3种经济型微波系统解决方案，最后对涉及的关键技术进行了分析。