相控陣雷達多功能射頻與微波設計

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著戰場對抗形勢的變化以及新材料、新器件、新工藝技術的發展，各種作戰裝備、平臺面臨的威脅日益增多，其工作的電磁環境也逐漸復雜。為提高生存率和突防率，作戰裝備不得不配備越來越多的電子設備,特別是機動平臺，如戰機、戰艦、導彈等常常需要同時裝備雷達、光電、通信和電子戰等電子設備。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的整體作戰效能。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、更低成本的方向發展[1-4]。多功能綜合射頻采用異構集成技術[5]，將GaN，InP，SiGe，AlN等復合材料進行微系統高密度集成，設計包含雷達、通信、電子戰、導航、識別等功能的綜合多功能射頻系統，提高了系統性能的同時，減小了體積，降低了系統成本。另外，為了進一步降低系統成本、縮短系統研制周期，多功能綜合射頻系統的射頻/微波電路設計將采用開放式架構，同時系統場景架構仿真設計為精確評估多功能系統性能，降低測試成本，以及仿真復雜電磁環境與近似實戰環境下的系統性能提供了解決途徑。多功能綜合射頻、開放式架構是相控陣雷達系統的發展趨勢，異構集成、系統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、異構集成、系統場景架構仿真幾個方面的內容對包含雷達、通信、電子戰等多功能綜合射頻系統的設計進行敘述，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眾多的天線孔徑, 采用模塊化、開放式、可重構的射頻傳感器系統體系架構, 并結合功能控制與資源管理調度算法、軟件, 同時實現雷達、電子戰、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。多功能綜合射頻技術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效能，而且其優勢在于可以在有限的空間中實現更多的功能，并有效控制功耗，降低成本，具體體現如下：

1)功能拓展，全面提升整體戰技性能；

2)高度重用，可靠性、可維護性高；

3)降低系統功耗、體積、重量；

4)功能動態重構、高度靈活、提升容錯性；

5)開放式體系架構，便于后續升級改型，降低維護成本；

6)綜合利用數據信息，提升態勢感知和對抗能力。

美國是最早研究多功能綜合射頻的國家，如AMRFC(Advanced Multifunction Radio Frequency Concept)是由美國海軍研究署(Office of Naval Research, ONR)資助的項目[6]，主要是為了解決美國海軍艦艇頂部天線數量不斷增長等問題。AMRFC計劃力求為雷達、電子戰和通信功能提供一種通用寬帶有源陣列天線體系結構，這種天線體系結構能夠同時收發多個雷達、電子戰和通信的獨立波束。為驗證這個新概念的可行性，美國海軍開發了AMRFC試驗臺[7]，用以研究系統的一體化并進行試驗。

20世紀80年代，為了給航空電子系統提出一個統一的模塊化、開放式、具有良好容錯性并且高度靈活的結構設計規范，“寶石柱”(Pave Pillar)計劃應運而生[8]，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飛機航空電子系統的一體化。美國F-22戰機即是采用該設計規范定義的一體化航空電子系統結構。“寶石柱”計劃的設計規范中還使用了系統實時動態重構技術，該技術是一項綜合電子系統的關鍵技術，可以使系統的性能和成本都得到很大的改進，甚至達到最優系統結構。

20世紀90年代，美國提出了“寶石臺(Pave Pace)”計劃[9]。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、性能更為優良、綜合程度更高。

多功能綜合射頻通過射頻系統集成，共享接收機、發射機和信號處理機等方式，使用盡可能少的多功能模塊構建出兼具任務規劃的多功能綜合系統。多功能綜合射頻可以分為天線、射頻開關矩陣、頻率變換、DAC、ADC、頻率綜合器、波形產生、時間基準、數據開關矩陣、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雷達、通信及電子戰等功能；射頻開關矩陣模塊實現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、濾波及數字化；頻率綜合器、波形產生、時間基準模塊完成系統基準時鐘產生、各種功能波形產生及系統時序產生等功能；數據開關矩陣、處理器模塊完成不同功能數據處理模塊間的切換及各種功能的數字信號處理等功能。每個功能模塊可以按照標準化、開放式的架構進行研發與設計，典型的多功能綜合射頻架構圖如圖1所示，未來多功能綜合射頻技術向寬頻帶、可重構、開放式、多功能方向發展。

圖1 多功能綜合射頻架構圖

2 開放式系統架構

開放式系統架構即采用標準化的方法構建子系統或系統裝備，對射頻/微波技術而言就是采用標準化、模塊化的方法構建集成微波組件(IMAs-Integrated Microwave Assemblies)，滿足多個平臺使用需求。一個模塊化的、定義明確的、可擴展的架構可以提高技術透明度，讓多家研發單位進行研發、設計與更新，可以加速技術推進，縮短產品研發周期，最大限度發掘不同系統(如雷達、電子戰等)之間的共性之處，大大減少系統全周期壽命成本。

2013年，美國國防部(DoD)提出了發展開放式系統架構(OSA)的電子戰系統[10]，旨在有效利用頻譜資源，提高武器系統的靈活性和自適應能力。開放式架構從數字子系統的OpenVPX向微波射頻子系統的OpenRFM發展[11]。OpenRFM允許集成高頻接收機、發射機、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Mercury Systems公司開發的3U與6U OpenRFM模塊外形結構圖。

圖2 3U OpenRFM模塊

圖3 6U OpenRFM模塊

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

3 異構集成

在復合半導體材料中，InP晶體管的fmax超過1 THz，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；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，尤其在數字集成電路方面具有極大的技術優勢，隨著RF CMOS與SiGe HBT技術的發展，其電路使用頻率可以達到100 GHz以上，擊穿電壓及線性度也越來越好，所以未來硅基異構集成將發揮不同材料的優點，實現高性能、低成本、低功率耗散的綜合多功能系統。

表1 不同半導體材料特性參數表

美國國防部高級研究計劃局(DARPA)的微系統辦公室(MTO)正在研發革新材料、器件與集成技術，滿足先進射頻和微波系統需求，其中2007年開始的COSMOS(Compound Semiconductor Materials on Silicon)工程重點在硅基CMOS集成及復合半導體技術，并獲得前所未有的電路特性水平。繼續COSMOS工程的DAHI(Diverse Accessible Heterogeneous Integration)工程，發展異構集成，集成新興材料與器件，并應用于下一代射頻/微波系統。

COSMOS工程包括應用射頻與混合信號的InPBiCMOS集成電路技術、InP HBTs與亞微米SiCMOS技術，如采用InPBiCMOS異構集成技術的ADC[12]集成約1 000 InP HBTs，16 000 Si HBTs和2 500 Si MOSFETs，包含1 800個InP HBT與硅基芯片之間的異構互連，ADC芯片顯微圖如圖4所示。

圖4 COSMOS工程ADC顯微圖

2013年，DAHI工程應運而生，DAHI工程目標是通過成熟、可靠的異構集成技術能夠讓微系統設計者選擇合適晶體管或電路模塊構造先進的微系統。這不僅推進了軍用微系統的發展，也大大促進了商用微系統的發展。圖5為采用0.25 μm InP HBTs，0.2 μm GaN HEMTs和65 nm Si CMOS的多工程晶圓顯微圖[13]。

圖5 DAHI工程晶圓顯微圖

2015年，美國DARPA繼續推進可重復使用器件級異構集成知識產權策略，旨在減少設計周期、降低設計成本，并將異構集成技術推向更廣泛的應用。

4 系統場景架構仿真

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

場景架構分為3層：軌跡層、天線層和信號層，架構圖如圖6所示。軌跡層在三維立體空間內定義所有接收與發射系統的位置、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生雷達發射激勵波形，通過發射鏈路及天線輻射，接收雷達系統目標回波及雜波信號。

圖6 系統場景仿真架構圖

系統場景仿真3層架構層建立后就可以根據雷達方程及相關雜波特性，并利用下述計算模型，對不同場景下雷達系統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，評估雷達系統性能，通過場景仿真結果優化電路、子系統及系統性能參數，確定系統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率等，計算公式[14]為

(1)

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

(2)

系統場景架構仿真最大的優點是可以評估近似實戰環境下雷達系統的MTI與MTD性能，了解系統的電子干擾與反電子干擾的能力，優化系統設計的同時，大大降低系統的測試與調試成本。

5 結束語

多功能綜合射頻用寬帶多功能孔徑實現雷達、通信、電子戰等多種功能，是未來相控陣雷達系統發展的主要方向，也是解決復雜電磁環境下實現雷達、通信與電子戰等多功能一體化的主要手段；開放式系統架構利用標準化、模塊化的方式，通過軟件定義開發射頻/微波模塊與子系統，大大縮短了產品的研發周期，降低了系統的全周期壽命成本；異構集成可以充分發揮不同半導體材料的技術優勢，提高系統集成度的同時，使模塊與子系統的性能達到最佳；通過系統場景架構仿真可以指導復雜電路及系統的設計，評估實戰情況下的系統性能，節約了系統測試的時間，大大降低了系統設計風險及系統成本。

本文結合國外發展情況，從集成方式、系統架構、系統仿真等幾個方面對射頻/微波的設計提出了先進的設計理念與設計手段。多功能綜合射頻、開放式架構是相控陣雷達系統的發展趨勢，異構集成、系統場景架構仿真是新的設計手段，每一個方面都值得從事射頻/微波以及雷達系統設計人員進行深入研究。利用先進的設計理念與設計手段，設計最優的多功能綜合射頻系統是設計人員面臨的機遇與挑戰，也是從事該領域的設計人員繼續探索的課題。

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