星載通信-雷達-電子偵察射頻部分一體化概論

于長龍，李 軍

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安710100）

星載通信-雷達-電子偵察射頻部分一體化概論

于長龍，李 軍

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安710100）

基于提出一體化衛星理念與運行機制，給出一套一體化星星載射頻系統綜合方案的目的。采用對比星載雷達、通信、電子偵察系統的方法，確定一體化星的基本指標，一體化星的運行機制與可重構載荷原理。采用對比通信、雷達、電子偵察各自的接收機和發射機架構的方法，確定綜合系統接收機和發射機的設計原則與架構，確定相控陣綜合設計的原則和基于相控陣的綜合系統的架構。得出星載通信-雷達-電子偵察載荷系統射頻部分一體化初步綜合方案。該方案基于相控陣，可同時實現多種功能。

衛星多功能一體化；星載射頻部分一體化；可重構載荷；相控陣；綜合接收機；綜合發射機

當前國內外，空間系統建設基本上按功能劃分，如通信衛星、遙感衛星、偵察衛星等。隨著電子技術發展，表現出一些弊端：效費比低；可重構能力差；信息融合難度大。近年來衛星多功能一體化的概念悄然興起：在一顆衛星上同時實現雷達、通信、偵察等多種功能，并盡量簡化電路。一體化具有極大優勢：一星多能，效費比大大提高；可重構能力強，應用可重構電路，根據不同空間需求實時調整功能；不同功能互相配合，獲取的信息共享[1]。星載電子系統一體化經歷4個階段：分立式階段，單星單能；聯合式一體化，部分功能低程度一體化，多傳感器獲取的信息共享；綜合式一體化，以軟件星[2]的研究為代表，一體化重點放在信號處理和軟件研究上；先進的綜合式一體化，研究重點放在射頻部分綜合[3]。

現有研究基本滯留在綜合式一體化。衛星上的傳感器，其中射頻電路包括天線的重量占60%以上，且成本、體積、功耗遠遠高于信號處理部分，但射頻部分研究遠遠滯后。因此實現衛星多功能一體化的重點和難點在于星載射頻部分一體化 （即射頻收發通道、收發天線）[4]。2002年澳大利亞科學任務衛星FedSat搭載可重配置技術研制的 “高性能技術（HPC-I）”有效載荷。2006年中電36所采取天線共用技術[5]設計了一體化偵察體系架構[6]。 2010年上海微小衛星工程中心初步完成了一個可重構衛星通信系統地面測試原理樣機[7]。

1 系統綜合理念

根據3個系統各自的性能要求和參數配置來規劃綜合系統的配置。對比發現：1）頻率帶寬，偵察＞＞雷達≥通信。2）發射功率，雷達系統發射功率達千瓦量級，通信單個轉發器一般不超過百瓦。3）接收機靈敏度，通信、雷達、偵察系統對接收機靈敏度的要求依次增高。4）信號制式，通信一般為連續波，雷達一般為脈沖波，偵察系統接收信號多樣。5）方向圖覆蓋范圍，偵察系統最寬，雷達系統最窄，通信系統覆蓋范圍多樣。

系統需基于相控陣，對于綜合系統實現有很大的好處。第一，以陣元為單位，不同部分的陣元實現不同的功能和不同的頻段，可以同時實現雷達、通信、電子偵察3種功能。第二，使用相控陣，實現多個發射機輸出功率空間合成，使EIRP提高成百上千倍。第三，利用數字方式對每個陣元對應的收發信號進行處理，調整各個陣元收發信號的幅度和相位，進而調整收發波束的方向和形狀，實現相應的功能。

根據3個系統對比，偵察功能需要的帶寬遠大于通信雷達，將偵察單元單獨分離出來，綜合系統以相控陣為基礎分為兩個部分：第一部分是雷達與通信綜合部分，相控陣的大部分陣元用于雷達與通信綜合功能，對應的天線輻射單元與連接的接收機發射機由通信雷達功能共用。第二部分是超寬帶偵察接收部分，將用于偵察接收的超寬帶陣元間插在相控陣通信雷達窄帶陣元的縫隙中，包括超寬帶天線與超寬帶接收機。

2 基本指標確認

1）軌道高度與運行周期。

LEO低軌衛星軌道高度在500～1 500km，優點是：與地球距離近，時延小，衰減小，對衛星收發系統的增益要求低，設計難度小，特別對于Ku頻段，更具優勢；可進行衛星組網，通過星間鏈路在地球表面形成蜂窩狀服務小區。覆蓋范圍廣，通信容量大。因此決定將衛星軌道高度定在低軌500km。衛星運行周期公式：

得到軌道周期約為95分鐘。

2）綜合系統收發機頻率與帶寬。

Ku波段是衛星通信常用波段，技術成熟，具有帶寬大、地面干擾少、波長短、天線可做小等優點。為降低難度、復雜度和成本，通信雷達綜合的頻段定在Ku波段。兩者用一個微帶天線和一路接收機發射機實現。根據通信、雷達各自的頻帶特點，簡化綜合收發機的設計，將通信下行發射頻段定為12～12.9 GHz，通信上行接收頻段定為13.1～14 GHz，雷達中心定為13 GHz。綜合收發機單次收發帶寬為80 MHz，保護帶寬為20 MHz。為降低設計難度，電子偵察頻段初步定為2～8 GHz。

3）發射功率。

根據對比，初步將通信總的EIRP定在100 W到1 kW之間，將雷達總的峰值EIRP定為1～4 kW之間。采用相控陣天線進行功率的空間合成，假設空間合成增益為3 dB，當單個發射機功放輸出功率達5 W時，啟用10到100個發射陣元可實現通信功能所要求EIRP，啟用100到400個發射陣元可以實現雷達功能所要求EIRP。

4）波束掃描角。

當地面站仰角過低時，天線噪聲溫度會急劇增加，對于Ku波段要求地面仰角最好不低于20°。對于低軌衛星，衛星波束掃描角θ與地面對衛星仰角α關系為α≈90o-θ，對于低軌衛星只要掃描角小于70°就完全滿足仰角條件。考慮到掃描角過大對天線性能的惡化，以及傳輸路徑增大引起傳輸損耗的增大，將掃描角定為θ≤45o。

5）雷達脈沖重復頻率與脈沖寬度。

對常規雷達而言，脈沖重復頻率決定于所要求的最大作用距離Rmax，顯然脈沖重復頻率要小于C/2Rmax，一般取Fr=0.4C/Rmax根據計算，將雷達脈沖重復頻率定為150 Hz。

脈沖寬度越大，雷達作用距離越遠，同時相鄰目標分辨能力（即目標間最小可分辨距離ΔSmin）越差。為了能分辨相距為ΔSmin的兩個目標，τ應滿足：

ΔSmin定為10 m，根據公式，τ＜0.07 μs。

3 一體化星運行機制

為了對一體化衛星載荷系統的射頻部分進行設計，必須明確衛星的運行機制。衛星除了設立用于通信雷達偵察功能的用戶鏈路，還要有用于地面測控站對衛星測控的饋電鏈路以及星間傳輸的星間鏈路[8]。可以由8顆一體化衛星在一個極軌道形成星間鏈路，對于通信功能，如果兩個用戶位于同一衛星覆蓋區內，則兩者之間可通過星上處理和交換實現相互之間的直接通信；如果兩用戶在不同衛星覆蓋區則通過星間鏈路實現兩者通信[9]。

圖1 可重構載荷結構圖

可重構載荷如圖1所示，由地面控制站通過上行饋電鏈路給出控制指令，星載計算機接收指令控制星上可重構載荷完成重構準備動作，可重構控制電路引導完成數字基帶部分的重構，再由數字基帶部分指導射頻、天線單元完成重構，實現頻段選擇、模式切換的目的。其中偵察系統全天候開機偵察接收，通信雷達系統由地面控制站控制功能切換、波束數目、波束形狀、波束方向[10]。主要信號處理單元由數字基帶部分完成，基帶部分進行零中頻數字信號處理，同時也負責射頻、天線單元的重構控制。基帶可重構部分采用性能優越的FPGA作主體，DSP輔助處理的架構，FPGA負責解碼擴碼、調制解調。采用數字波束形成 （DBF）方式，包括接收DBF和發射DBF，使用波束參數上載，改變波束幅度、相位參數配置來實現波束形狀和指向的更改。

采用有源相控陣技術，能夠有效提高發射的EIRP和接收的G/T值，并能夠減小天線體積和重量，基于DBF技術，容易實現多波束，實現靈活的波束指向控制以及波束凝視。近年，國內已經研究出了DBF原理樣機。多功能載荷系統的收發共用相控陣如圖2所示，由地面控制站根據應用需求確定收發的信號類型、波束形狀、波束方向，進而產生對應的控制參數Cf、Cph、Ca，將控制參數上傳到星載計算機，并由星載計算機通過上述方式控制各個數字基帶部分和射頻前端T/R部分的重構，產生期望的信號及波束。

圖2 多功能系統的收發共用相控陣

4 射頻綜合方案

首先分析接收機綜合，圖3分別給出通信、雷達、電子偵察3個系統各自單獨的接收機簡易框圖可以看出三者射頻通道的主要部分基本相同，都包括接收天線、低噪放、預選濾波器、下變頻器、本振、中頻濾波器，這些部分可以實現共用。將這些基本模塊共用，得到一個綜合的接收機框圖[11]。

圖3 雷達、通信、電子偵察單獨與綜合的接收機框圖

對于接收機要重點考慮以下幾點：

1）參數指標適應性。3個系統具有不同的指標要求，比如頻率、帶寬、接收和發射增益、輸出功率、噪聲系數等等，要兼顧3個系統進行考慮，滿足各自的指標要求。

2）模塊的可調性。實現模塊參數的可調諧，針對不同功能，改變各個模塊的參數讓模塊實時的去適應功能的變化。

3）多通道設計。通信系統轉發器是多通道的，目的是將一個大的帶寬進行分割，提高單位帶寬的收發功率，有利于頻分復用的實現。簡單地劃分兩個接收通道，各取一定帶寬。兩個通道的切換要用多工器和射頻開關實現。

4）開關型接收機。射頻通道的帶寬在設計時不需要因為超大帶寬要求取太大，可通過可調諧本振來實現掃頻的功能，即改變本振頻率，對應于不同頻段的接收頻率，中頻總是在固定帶寬范圍內。

5）分時實現。對于單個接收機發射機，基于分時主動切換，要實現通信、雷達還是偵察功能，由測控人員決定，給衛星上傳命令來實現。

偵察系統不需要發射部分，發射機的射頻通道綜合只需要綜合通信和雷達功能。圖4給出兩個系統各自單獨的發射機簡易框圖。可以看出兩者射頻通道的主要部分基本相同，都包括發射天線、射頻功率放大器、上變頻器、穩定本振，這些部分可以實現共用。將這些基本模塊共用，得到一個綜合的發射機。

圖4 雷達、通信單獨與綜合的發射機框圖

與接收機類似，對于發射機的綜合我們要重點考慮：1）參數指標適應性。2）模塊可調性。3）多通道設計。4）分時實現。

不同于接收機，對于發射機機還要考慮功放的設計。發射機功放一體化難度大，通信和雷達兩個系統使用的功放類型不同，雷達系統要求對進入功放的信號進行脈沖調制，而通信系統發射的則是連續波，考慮兩者使用同一個功放，對于雷達功能加入脈沖調制器。

天線與收發射頻信道的整體系統的綜合，綜合設計原則[12]：

1）收發共用。收發通道連接一個天線陣元，天線陣元與收發信道之間連接一個雙工器。對于通信，收發頻率不同，對收發進行隔離；對于雷達，收發時間錯開，不會產生干擾。

2）信道隔離。用相控陣天線來實現3個系統共享孔徑，使用包含400（20×20）個陣元的天線陣，每個陣元對應收發兩路信道，兩路信道又各自包含兩路射頻通道（即兩路的T/R組件）。使用多工器和射頻開關在兩路射頻通道間進行切換。相當于每個陣元對應四路射頻通道，使用兩次雙工器對四路信道進行隔離。

3）共享孔徑[13]。相控陣天線采用共享孔徑技術，針對不同功能啟用不同部分和數量陣元，并且實時改變波束的方向以滿足功能的需求。由通信切換到雷達功能時，由于雷達收發功率較通信高很多，因此啟用更多陣元；且雷達波束的方向性更強，因此調整天線陣元的波束方向和形狀。采用分時分區的思想，可以省去龐大復雜的饋電網絡并使得波束控制變得簡單。即一個陣元連接一路收發通道，一路收發通道傳輸一路信號，通過數字方式控制每路信號的相位、幅度并且控制每路射頻通道切換相應的功能、頻段。這樣可以在同一時間將陣列分成兩個或者多個部分，每個部分實現相應功能、相應頻段、相應波束方向、相應波束形狀的收發；也可以在某一時間整個陣列實現一個頻段的一個波束的收發，在另一時間通過切換實現另一頻段另一波束的收發。前者是同時分區，后者是分時同區，前者適合多功能多波束的情況，后者適合需要得到一個大功率窄波束的情況。

4）陣元分類[14]。由于偵察功能需要的帶寬遠大于通信雷達所用的帶寬，如果將3種功能完全綜合于每個陣元以及連接的接收機，勢必增加設計難度，并對于通信雷達功能產生不必要的浪費。因此將偵察功能從大的系統中分離，即將整個相控陣用于雷達和通信，而在大的陣列中插入幾個超寬帶陣元或子陣用于偵察功能。

圖5 相控陣陣面布局

相控陣陣面布局如圖5所示，白色陣元為通信雷達共用Ku波段陣元，8個黑色陣元間插在整個相控陣中，按照L形排列，作為偵察接收用超寬帶陣元。偵察不賦形，通信雷達需賦形，由地面控制站實時切換調整各個共用陣元的功能、頻段以及相位、幅度，來實現相應數量、形狀、方向的波形。偵察需24小時開機，控制站只需控制偵察波束的掃描方向。

傳統的通信衛星包含十幾路轉發器，每路轉發器帶寬幾十兆赫茲。這里的綜合系統，對于通信雷達共用的接收機發射機分別有1 GHz帶寬，為了盡量簡化系統僅僅設計兩路收發信機，每路實現500 MHz帶寬的收發，相對傳統轉發器帶寬大一個量級，要在一路收發信機實現這么大帶寬的收發，采取掃頻接收掃頻發射的方式，將大的帶寬以分時的方式在一路收發信機中選頻實現[15]。

給出整個綜合系統的簡易原理框圖。如圖6所示，相控陣天線包含20×20個陣元，每個陣元（除用于偵察的超寬帶陣元）通過兩組雙工器與兩個接收通道和兩個發射通道連接。頻帶為a的接收通道1負責接收a1頻帶的通信信號、a0頻帶的雷達信號（a0?a a1?a）；頻帶為b的接收通道2負責接收頻帶b的通信信號；頻帶為c的發射通道1負責發射c1頻帶的通信信號、c0頻帶的雷達信號 （c0?c c1?c）；頻帶為d的發射通道2負責發射d頻帶的通信信號。其中c頻帶或者d頻帶內的通信發射信號由a頻帶或者b頻帶的的通信接收信號經過變頻和數字信號處理得來，帶寬相同，但頻率不同，調制方式、信號類型也可能不同。具體頻率，信號類型根據應用需求，地面控制站遙控調節。由于收發頻率不同，收發信道可共用一個天線陣。

接收信號時，首先通過信號處理部分用數字方式調整對應部分陣元的相位和幅度產生相應方向和形狀的接收波束，信號通過接收波束送到對應的各陣元，相應陣元將信號傳送到收發雙工器，進入接收通道，根據接收信號頻率的不同通過選頻雙工器分配到接收通道1或通道2，在接收通道中進行相應的處理（主要是下變頻），再經過A/D采樣，送到數字信號處理部分進行處理。

發射信號時，對于通信功能，接收信號經數字信號處理解調并重新調制，經過D/A變換送到對應的發射通道1或2。對于雷達功能直接由雷達射頻信號源產生雷達信號并送到對應的發射通道。通信或雷達信號經發射通道的相應處理，送到選頻雙工器，再經收發雙工器送到對應的相控陣單元，通過信號處理部分用數字方式調整對應部分陣元的相位和幅度來調整發射波束的方向和形狀，由天線陣將信號發射出去。對于雷達功能，需要在天線陣和T/R組件之間需要連接T/R開關。T/R開關控制電平為低時，發射波門打開，接收通道斷開。當T/R開關控制電平為高時，系統工作于接收狀態，同時A/D波門打開，開始數據采集。

圖6 基于相控陣的綜合系統的原理框圖

5 結 論

文中提出了一體化星的理念與運行機制，給出了一套一體化星載射頻系統綜合方案。通過對比通信、雷達、電子偵察系統，確定了一體化星的基本指標、一體化星的運行機制。通過對比通信、雷達、電子偵察各自的接收機和發射機架構，確定綜合系統接收機和發射機的設計原則與架構。根據通信、雷達、電子偵察各自特點最終確定相控陣綜合設計的原則和基于相控陣的綜合系統的架構。最終得到了星載通信-雷達-電子偵察載荷系統一體化的初步綜合方案。

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Spaceborne communication-radar-electronic reconnaissance RF integration

YU Chang-long，LI Jun
（China Academy of Space Technology（Xi'an），Xi'an 710100，China）

A concept and operation mechanism of satellite integration were proposed， and a set of integrated program of spaceborne RF system of integrated satellite was given.The basic indicators of integrated satellite is determined， by contrasting spaceborneradar， communications， electronic reconnaissance systems.And the operating mechanism ofintegrated satellite and reconfigurable payload principle are determined.The design principles and architecture of the receiver and transmitter of integrated system are determined， by contrasting architecture ofthe receiversand transmitters of communication，radar，electronic reconnaissance systems.The principle of phased array integrated design and the architecture ofintegrated system based on phased array are determined，according to the respective characteristics of communication，radar，electronic reconnaissance systems.Finally， the integrated program of spaceborne communications-radar-electronic reconnaissance payload system integration was gotten.The program is based on phased array，which can achieve multi-function.

satellite muti-function integration；spaceborne RF integration；reconfigurable payload；phased array；integrated receiver；integrated transmitter

TN927+.22

：A

：1674－6236（2017）05-0092-05

2016-02-25稿件編號：201602143

于長龍（1990—），男，山東青島人，碩士研究生。研究方向：空間微波技術。