利用先進的設計理念與設計手段從多方面對相控陣雷達多功能射頻與微波設計

隨著半導體技術(shù)、射頻與微波技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展及相控陣雷達系統(tǒng)面臨復雜的工作電磁環(huán)境，相控陣雷達射頻與微波設計面臨新的機遇與挑戰(zhàn)。為了適應相控陣雷達系統(tǒng)多功能、高集成、高性能、低成本的發(fā)展需求，結(jié)合國外發(fā)展現(xiàn)狀，從多功能綜合射頻、異構(gòu)集成、開放式架構(gòu)及系統(tǒng)場景仿真等方面對射頻與微波設計技術(shù)進行敘述。多功能綜合射頻、開放式架構(gòu)是相控陣雷達系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，異構(gòu)集成、系統(tǒng)場景仿真是新的設計手段；利用先進的設計理念與設計手段，縮短相控陣雷達多功能綜合射頻系統(tǒng)的研制周期，減少系統(tǒng)設計風險，降低系統(tǒng)成本。

隨著戰(zhàn)場對抗形勢的變化以及新材料、新器件、新工藝技術(shù)的發(fā)展，各種作戰(zhàn)裝備、平臺面臨的威脅日益增多，其工作的電磁環(huán)境也逐漸復雜。為提高生存率和突防率，作戰(zhàn)裝備不得不配備越來越多的電子設備，特別是機動平臺，如戰(zhàn)機、戰(zhàn)艦、導彈等常常需要同時裝備雷達、光電、通信和電子戰(zhàn)等電子設備。與此同時，各種電子設備的增加消耗了大量的能源，占據(jù)了更多的空間，增加了體積、重量和雷達反射截面積，相互干擾嚴重，降低了武器裝備系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)效能。作為應用于多種平臺的重要軍事裝備，相控陣雷達朝著更多功能、更高集成、更高性能、更低成本的方向發(fā)展。多 功 能 綜 合 射 頻 采 用 異 構(gòu) 集 成 技術(shù)，將 ＧａＮ，ＩｎＰ ， ＳｉＧｅ ， ＡｌＮ 等復合材料進行微系統(tǒng)高密度集成，設計包含雷達、通信、電子戰(zhàn)、導航、識別等功能的綜合多功能射頻系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)性能的同時，減小了體積，降低了系統(tǒng)成本。另外，為了進一步降低系統(tǒng)成本、縮短系統(tǒng)研制周期，多功能綜合射頻系統(tǒng)的射頻／微波電路設計將采用開放式架構(gòu)，同時系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真設計為精確評估多功能系統(tǒng)性能，降低測試成本，以及仿真復雜電磁環(huán)境與近似實戰(zhàn)環(huán)境下的系統(tǒng)性能提供了解決途徑。多功能綜合射頻、開放式架構(gòu)是相控陣雷達系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，異構(gòu)集成、系統(tǒng)場景仿真是新的設計手段。利用先進的設計理念與設計手段，從多功能綜合射頻、開放式架構(gòu)、異構(gòu)集成、系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真幾個方面的內(nèi)容對包含雷達、通信、電子戰(zhàn)等多功能綜合射頻系統(tǒng)的設計進行敘述，供從事射頻／微波的設計者參考。

１.多功能綜合射頻

用寬帶多功能孔徑取代目前平臺上為數(shù)眾多的天線孔徑，采用模塊化、開放式、可重構(gòu)的射頻傳感器系統(tǒng)體系架構(gòu)，并結(jié)合功能控制與資源管理調(diào)度算法、軟件，同時實現(xiàn)雷達、電子戰(zhàn)、通信、導航、識別等多種射頻功能，這就是多功能綜合射頻技術(shù)。多功能綜合射頻技術(shù)能夠降低雷達反射面積，減小相互干擾，提高武器裝備整體作戰(zhàn)效能，而且其優(yōu)勢在于可以在有限的空間中實現(xiàn)更多的功能，并有效控制功耗，降低成本，具體體現(xiàn)如下：

• 功能拓展，全面提升整體戰(zhàn)技性能；

• 高度重用，可靠性、可維護性高；

• 降低系統(tǒng)功耗、體積、重量；

• 功能動態(tài)重構(gòu)、高度靈活、提升容錯性；

• 開放式體系架構(gòu)，便于后續(xù)升級改型，降低維護成本；

• 綜合利用數(shù)據(jù)信息，提升態(tài)勢感知和對抗能力。

美國是最早研究多功能綜合射頻的國家，如ＡＭＲＦＣ（ Ａｄｖａｎｃｅｄ?。停酰欤簦椋妫酰睿悖簦椋铮睢。遥幔洌椋铩。疲颍澹瘢酰澹睿悖茫铮睿悖澹穑?）是由美國海軍研究署（ Ｏｆｆｉｃｅ?。铮妗。危幔觯幔欤遥澹螅澹幔颍悖?， ＯＮＲ ）資助的項目，主要是為了解決美國海軍艦艇頂部天線數(shù)量不斷增長等問題。ＡＭＲＦＣ計劃力求為雷達、電子戰(zhàn)和通信功能提供一種通用寬帶有源陣列天線體系結(jié)構(gòu)，這種天線體系結(jié)構(gòu)能夠同時收發(fā)多個雷達、電子戰(zhàn)和通信的獨立波束。為驗證這個新概念的可行性，美國海軍開發(fā)了ＡＭＲＦＣ試驗臺 ，用以研究系統(tǒng)的一體化并進行試驗。

２０世紀８０年代，為了給航空電子系統(tǒng)提出一個統(tǒng)一的模塊化、開放式、具有良好容錯性并且高度靈活的結(jié)構(gòu)設計規(guī)范，“寶石柱”（ Ｐａｖｅ　Ｐｉｌｌａｒ ）計劃應運而生，該計劃主導者是美國空軍萊特實驗室。該計劃大大提高了作戰(zhàn)飛機航空電子系統(tǒng)的一體化。美國Ｆ－２２戰(zhàn)機即是采用該設計規(guī)范定義的一體化航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。“寶石柱”計劃的設計規(guī)范中還使用了系統(tǒng)實時動態(tài)重構(gòu)技術(shù)，該技術(shù)是一項綜合電子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，可以使系統(tǒng)的性能和成本都得到很大的改進，甚至達到最優(yōu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

２０ 世紀 ９０ 年代，美國提出了“寶石臺（ ＰａｖｅＰａｃｅ ）”計劃 。該計劃是“寶石柱”計劃的增強和拓展，與“寶石柱”計劃相比，其功能更為完善、性能更為優(yōu)良、綜合程度更高。

多功能綜合射頻通過射頻系統(tǒng)集成，共享接收機、發(fā)射機和信號處理機等方式，使用盡可能少的多功能模塊構(gòu)建出兼具任務規(guī)劃的多功能綜合系統(tǒng)。多功能綜合射頻可以分為天線、射頻開關(guān)矩陣、頻率變換、 ＤＡＣ 、 ＡＤＣ 、頻率綜合器、波形產(chǎn)生、時間基準、數(shù)據(jù)開關(guān)矩陣、處理器等功能模塊。其中，天線設計將采用盡可能少的孔徑實現(xiàn)雷達、通信及電子戰(zhàn)等功能；射頻開關(guān)矩陣模塊實現(xiàn)不同功能射頻鏈路間的切換；頻率變換、 ＤＡＣ 、ＡＤＣ 模塊完成射頻鏈路的變頻、濾波及數(shù)字化；頻率綜合器、波形產(chǎn)生、時間基準模塊完成系統(tǒng)基準時鐘產(chǎn)生、各種功能波形產(chǎn)生及系統(tǒng)時序產(chǎn)生等功能；數(shù)據(jù)開關(guān)矩陣、處理器模塊完成不同功能數(shù)據(jù)處理模塊間的切換及各種功能的數(shù)字信號處理等功能。每個功能模塊可以按照標準化、開放式的架構(gòu)進行研發(fā)與設計，典型的多功能綜合射頻架構(gòu)圖如圖 １ 所示，未來多功能綜合射頻技術(shù)向?qū)掝l帶、可重構(gòu)、開放式、多功能方向發(fā)展。

圖 １　 多功能綜合射頻架構(gòu)圖

２.開放式系統(tǒng)架構(gòu)

開放式系統(tǒng)架構(gòu)即采用標準化的方法構(gòu)建子系統(tǒng)或系統(tǒng)裝備，對射頻／微波技術(shù)而言就是采用標準化、模塊化的方法構(gòu)建集成微波組件 （ＩＭＡｓ －Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ?。停椋悖颍铮鳎幔觯濉。粒螅螅澹恚猓欤椋澹?），滿足多個平臺使用需求。一個模塊化的、定義明確的、可擴展的架構(gòu)可以提高技術(shù)透明度，讓多家研發(fā)單位進行研發(fā)、設計與更新，可以加速技術(shù)推進，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，最大限度發(fā)掘不同系統(tǒng)（如雷達、電子戰(zhàn)等）之間的共性之處，大大減少系統(tǒng)全周期壽命成本。

２０１３年，美國國防部（ ＤｏＤ ）提出了發(fā)展開放式系統(tǒng)架構(gòu)（ ＯＳＡ ）的電子戰(zhàn)系統(tǒng) ，旨在有效利用頻譜資源，提高武器系統(tǒng)的靈活性和自適應能力。開放式架構(gòu)從數(shù)字子系統(tǒng)的 ＯｐｅｎＶＰＸ 向微 波 射 頻 子 系 統(tǒng) 的 ＯｐｅｎＲＦＭ 發(fā) 展 。ＯｐｅｎＲＦＭ 允許集成高頻接收機、發(fā)射機、本振與功率放大器以及 ＡＤＣ 與 ＤＡＣ 等，唯一限制是滿足 ＶＩＴＡ 標準的功耗。圖 ２、圖３ 為美國 ＭｅｒｃｕｒｙＳｙｓｔｅｍｓ 公司開發(fā)的 ３Ｕ 與 ６Ｕ ＯｐｅｎＲＦＭ 模塊外形結(jié)構(gòu)圖。

圖２　３Ｕ ＯｐｅｎＲＦＭ 模塊

圖３?。叮?ＯｐｅｎＲＦＭ 模塊

采用開放式架構(gòu)的相控陣雷達系統(tǒng)可以適應未來集雷達、通信及電子戰(zhàn)等多功能綜合射頻系統(tǒng)的發(fā)展需求，并大大縮短系統(tǒng)的研發(fā)周期，提高系統(tǒng)的靈活性和自適應能力，減少系統(tǒng)的體積、重量與功耗。開放式系統(tǒng)架構(gòu)提出的時間尚短，如何合理劃分模塊、子系統(tǒng)、系統(tǒng)及其集成設計是射頻／微波與相控陣雷達系統(tǒng)設計人員長期進行探索的問題。

３.異構(gòu)集成

在復合半導體材料中，ＩｎＰ晶體管的 ｆｍａｘ 超過１ＴＨｚ ，適合應用于超高速混合電路；如表１所示，ＧａＮ 具有高的擊穿電壓，適用于高功率 ＲＦ 器件；ＳｉＣ 具有強的導熱性，適用于高功率開關(guān)；ＡｌＮ 可應用于頻率選擇濾波器和時鐘參考源電路。然而硅基ＣＭＯＳ電路的集成度高、成本低，尤其在數(shù)字集成 電 路 方 面 具 有 極 大 的 技 術(shù) 優(yōu) 勢，隨 著 ＲＦＣＭＯＳ與ＳｉＧｅＨＢＴ技術(shù)的發(fā)展，其電路使用頻率可以達到 １００ＧＨｚ 以上，擊穿電壓及線性度也越來越好，所以未來硅基異構(gòu)集成將發(fā)揮不同材料的優(yōu)點，實現(xiàn)高性能、低成本、低功率耗散的綜合多功能系統(tǒng)。

表 １　 不同半導體材料特性參數(shù)表

美國國防部高級研究計劃局（ ＤＡＲＰＡ ）的微系統(tǒng)辦公室（ ＭＴＯ ）正在研發(fā)革新材料、器件與集成技術(shù)，滿足先進射頻和微波系統(tǒng)需求，其中２００７年 開 始 的 ＣＯＳＭＯＳ （ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ?。樱澹恚椋悖铮睿洌酰悖簦铮颍停幔簦澹颍椋幔欤蟆。铮睢。樱椋欤椋悖铮?）工程重點在硅基ＣＭＯＳ集成及復合半導體技術(shù)，并獲得前所未有的電路特性水平。繼 續(xù) ＣＯＳＭＯＳ 工 程 的 ＤＡＨＩ（ ＤｉｖｅｒｓｅＡｃｃｅｓｓｉｂｌｅ?。龋澹簦澹颍铮纾澹睿澹铮酰蟆。桑睿簦澹纾颍幔簦椋铮?）工程，發(fā)展異構(gòu)集成，集成新興材料與器件，并應用于下一代射頻／微波系統(tǒng)。ＣＯＳＭＯＳ工程包括應用射頻與混合信號的ＩｎＰＢｉＣＭＯＳ集成電路技術(shù)、ＩｎＰ?。龋拢裕笈c亞微米ＳｉＣＭＯＳ技術(shù)，如采用ＩｎＰＢｉＣＭＯＳ異構(gòu)集成技術(shù)的 ＡＤＣ 集成約１０００ＩｎＰＨＢＴｓ，１６０００ＳｉＨＢＴｓ和２５００ＳｉＭＯＳＦＥＴｓ ，包含１８００個ＩｎＰＨＢＴ與硅基芯片之間的異構(gòu)互連， ＡＤＣ 芯片顯微圖如圖 ４所示。

圖４?。茫希樱停希庸こ?ＡＤＣ顯微圖

２０１３ 年， ＤＡＨＩ工程應運而生， ＤＡＨＩ工程目標是通過成熟、可靠的異構(gòu)集成技術(shù)能夠讓微系統(tǒng)設計者選擇合適晶體管或電路模塊構(gòu)造先進的微系統(tǒng)。這不僅推進了軍用微系統(tǒng)的發(fā)展，也大大促進了商用微系統(tǒng)的發(fā)展。圖５為采用０．２５ μ ｍＩｎＰＨＢＴｓ ， ０．２ μ ｍ?。牵幔危龋牛停裕?和 ６５ｎｍ?。樱椋茫停希?的多工程晶圓顯微圖 。

圖 ５?。模粒龋晒こ叹A顯微圖

２０１５ 年，美國 ＤＡＲＰＡ 繼續(xù)推進可重復使用器件級異構(gòu)集成知識產(chǎn)權(quán)策略，旨在減少設計周期、降低設計成本，并將異構(gòu)集成技術(shù)推向更廣泛的應用。

４.系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真

隨著多功能綜合射頻系統(tǒng)的發(fā)展與需求，射頻／微波設計師面臨的挑戰(zhàn)已超越單純的技術(shù)層面，也超越了簡單的電路及子系統(tǒng)的仿真，設計師需要權(quán)衡雷達、通信、電子戰(zhàn)、偵察、識別等諸多因素，包括模擬實戰(zhàn)情況下的電路性能。系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真可以通過軟件定義雷達系統(tǒng)硬件及平臺模型參數(shù)，仿真雜波、干擾等環(huán)境下電路及子系統(tǒng)性能，以及復雜電磁環(huán)境下雷達系統(tǒng)性能評估，大大節(jié)約了系統(tǒng)測試成本，提高了準確度，降低了系統(tǒng)設計風險。設計師可以根據(jù)場景架構(gòu)仿真結(jié)果指導射頻／微波子系統(tǒng)與系統(tǒng)電路設計，特別是對機載或星載等運動平臺的雷達系統(tǒng)簡化設計與性能評估具有重大的意義。

場景架構(gòu)分為３層：軌跡層、天線層和信號層，架構(gòu)圖如圖 ６ 所示。軌跡層在三維立體空間內(nèi)定義所有接收與發(fā)射系統(tǒng)的位置、速度與加速度，通過雷達平臺模型與目標軌跡模型計算雷達與目標的軌跡；天線層通過建立天線實際工作場景下的波束寬度，波束指向及目標位置計算最終的天線增益；信號層通過軟件定義方式產(chǎn)生雷達發(fā)射激勵波形，通過發(fā)射鏈路及天線輻射，接收雷達系統(tǒng)目標回波及雜波信號。

圖 ６　系統(tǒng)場景仿真架構(gòu)圖

系統(tǒng)場景仿真３層架構(gòu)層建立后就可以根據(jù)雷達方程及相關(guān)雜波特性，并利用下述計算模型，對不同場景下雷達系統(tǒng)性能的場景進行仿真分析，并在一定的虛警率情況下計算雷達探測概率，評估雷達系統(tǒng)性能，通過場景仿真結(jié)果優(yōu)化電路、子系統(tǒng)及系統(tǒng)性能參數(shù)，確定系統(tǒng)最佳可檢測信噪比及最大探測概率。

雷達檢測信噪比是由多方面的因素綜合決定，其中包括目標回波功率、干擾功率、雜波功率以及噪聲功等，計算公式為

式中：

為雷達檢測信噪比；Ｐｒ為目標回波功率；

Ｐｉｎ 為噪聲功率；Ｐｃｓ 為雜波功率；Ｐｒｊ為干擾功率。

對于探測概率，典型的線性檢波雷達探測概率計算模型可以近似為

式中：ＰＤ 為探測概率；Ｐｆａ 為虛警概率；

為雷達檢測信噪比；


為互補誤差函數(shù)。

系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真最大的優(yōu)點是可以評估近似實戰(zhàn)環(huán)境下雷達系統(tǒng)的 ＭＴＩ 與 ＭＴＤ 性能，了解系統(tǒng)的電子干擾與反電子干擾的能力，優(yōu)化系統(tǒng)設計的同時，大大降低系統(tǒng)的測試與調(diào)試成本。

５.結(jié)束語

多功能綜合射頻用寬帶多功能孔徑實現(xiàn)雷達、通信、電子戰(zhàn)等多種功能，是未來相控陣雷達系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，也是解決復雜電磁環(huán)境下實現(xiàn)雷達、通信與電子戰(zhàn)等多功能一體化的主要手段；開放式系統(tǒng)架構(gòu)利用標準化、模塊化的方式，通過軟件定義開發(fā)射頻／微波模塊與子系統(tǒng)，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低了系統(tǒng)的全周期壽命成本；異構(gòu)集成可以充分發(fā)揮不同半導體材料的技術(shù)優(yōu)勢，提高系統(tǒng)集成度的同時，使模塊與子系統(tǒng)的性能達到最佳；通過系統(tǒng)場景架構(gòu)仿真可以指導復雜電路及系統(tǒng)的設計，評估實戰(zhàn)情況下的系統(tǒng)性能，節(jié)約了系統(tǒng)測試的時間，大大降低了系統(tǒng)設計風險及系統(tǒng)成本。

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