試析相控陣雷達多功能射頻與微波設計

田耕 鄧桂福

摘要：隨著我國高科技技術水平的不斷提升，計算機網絡技術、半導體技術以及射頻、微波技術得到長足發展，并逐年予以改進、創新，取得了豐碩的研究成果。與此同時，相控陣雷達系統所處的工作電磁環境也變的日益復雜化，射頻與微波設計也受到嚴峻考驗。

關鍵詞：相控陣雷達；多功能射頻；微波設計

相控陣雷達即相位控制電子掃描陣列雷達，它被廣泛應用于軍事作戰當中，它的工作原理主要是依靠于大量個別控制的小型天線組件排列成一個陣面，而每一個天線單元都是由獨立的開關進行控制。相控陣雷達技術在我國到九十代末才被在戰斗機與艦載系統中使用。隨著新型戰場對戰雙方形勢的改變以及各種新工藝、新器件、新材料的實際應用，作戰平臺所面臨的挑戰與威脅也逐步增多，導致相控陣雷達的工作環境變得復雜，為了節約成本、提高突防率，各個作戰平臺相應的配備了多種新式電子設備，進而使平臺的各個組件得到進一步優化。

一、相控陣雷達的優勢

相控陣可以分為主動有源式與被動無源式，而被動無源式技術于上世紀八十年代中期就已經形成了較為純熟的系統，并被廣泛應用于小型戰斗機上面。而主動有源式技術隨著時間的推移，直到九十年代末才逐漸在作戰機上使用[1]。

相控陣雷達與傳統的機械掃描雷達相比，優勢較為明顯，它有效的解決了機械掃描雷達各種先天不足問題，大相一致的孔徑與操作波長下，相控陣的多目標追蹤能力、自身分辨率、反應速度、電子反對抗能力都遠遠強于傳統雷達，不過采用這種技術，需要投入大量的經費，科技技術含量高，對技術人員的專業技能要求高。因此，這種相控陣技術大多用于軍事作戰用途。比較典型的有源相控雷達的應用例子是中國的O52D型驅逐艦。

二、多功能射頻的定義

多功能射頻技術是采用開放式、模塊化、可重組的射頻傳感器系統體系構架，它的工作原理是用寬帶多功能孔徑代替作戰平上數量較少的天線孔徑，結合計算信息技術當中先進的資源管理調度算法及功能控制軟件，與此同時，有效實現電子作戰、通信、導航、自動識別等多種實用的射頻功能。多功能射頻技術使雷達自身的反射面積變小，彼此間的干擾也相對減小，使各種武器裝備的實戰水平提升，此外，采用這種技術還可以有效的降低投入成本，功能消耗相對較小。

發射機、信號處理機及信號接收機通過與多功能射頻系統資源共享，使各個系統功能的優勢逐步顯現出來。多功能射頻大致包括射頻開關矩陣、時間基準、天線、頻率變換、頻率綜合器、處理器等多個功能型模塊。而其中的天線設計盡可能減少孔徑，以確保作戰需要。未來，多功能射頻技術必然朝著開放式、寬頻帶與多功能的集于一身的方向發展，而這項技術也將在我國的軍事作戰中發揮至關重要的戰略作用[2]。

三、開放式系統架構的分析

開放式系統架構即依據標準化原則建立附屬的子系統以及相關系統裝備，在射頻與微波技術領域，通常采取模塊化與標準化的方法來建立相關組件，以此滿足軍事作戰的多個平臺的應用所需。而對于單獨的個體，其模塊化的定義是明確的，同時可拓展的組織架構也可以大大提高設計技術的透明度，進而使科研單位及時改進設計思路、創新技術類型，以縮短研發周期，同時，通過對雷達與電子戰共性的分析，也可以減少研發成本。

開放式架構的相控陣雷達系統可以滿足未來作戰的需要，其功能涉及到雷達、通信及電子戰多個領域，加之設計研發周期的縮短，使其適應能力得到有效提高，同時自身的重量、體積以及功率消耗也得到最大限度的優化。開放式系統架構技術的研發與設計，提出的時間較短，如何科學合理劃分子系統以及集成設計是當前射頻與微波設計人員亟需面對和解決的問題。

四、異構集成方式

在復合型半導體的材料中，inp晶本管的最大負荷如果超過1THz，就適合應用于超高速的混合電路。然而GaN的擊穿電壓相對較高，因此它的適用也具有一定的局限性，只適用于RF這種高功率的器件，而SiC器件的導熱性非常好，通常情況下適用于功率較高的開關；AIN則可應用于頻率選擇濾波器與時鐘參考源電路，其功效較為顯著。

而目前，大多數科研人員為了追求成本低、適用性強的原則，著力探尋新型的材料和器件，比如硅基CMOS電路，這種電路所需的成本投入小、集成度高，尤其在數字集成電路方面顯現出極大的優勢。隨著高科技領域不斷掀起的技術革新高潮，高性能、低功率消耗、低成本的綜合型多功能系統也相繼被研發出來，并被應用于實戰領域。

五、系統場景的架構模擬仿真

為了適應多功能射頻系統的需求，射頻及微波設計人員也突破了原有的單純技術層面，同時也力求超越傳統的、簡單的電路及附屬子系統的模擬仿真，設計師充分考慮實戰需要，對雷達、電子戰、偵察性能、識別原理等諸多因素進行綜合分析與評測，進而為建立模擬實戰技術奠定堅實的基礎[3]。

系統場景架構就是基于以上因素而形成的仿真模式，射頻與微波設計師創設的這種場景架構可以真實準確的測定雷達系統的性能，使投入成本大大降低，同時提高了精確度，設計風險也比較小，這種方法對機載與星載等運動平臺的雷達系統的簡約化設計以及性能評估具有重要的現實意義。

設計師所創設的場景架構可以分為三個層次，即無線層、信號層與軌跡層，當系統場景架構建立以后，設計師就可以依據雷達方及相關的雜波特征，結合計算模型，對不同場景下的雷達系統性能進行模擬仿真分析。在分析過程中，必須滿足于虛警率，并將計算雷達探測概率作為基本參數，綜合評定雷達系統性能，這種系統場景模擬仿真技術的檢測過程使電路、附屬子系統以及系統性參數得到最優化，進而使檢測的信噪比與探測概率達到最佳值。

六、射頻與微波設計的難度

隨著我國軍事實戰能力的提升，多功能射頻與微波技術已在實踐當中得到普遍應用，而對于設計人員來說，所面臨的設計瓶頸也日益凸顯出來。比如有些設計人員將射頻電路嵌入其他設計人員的電路當中，由于他們彼此的設計理念與設計格式各不相同，因此使設計效果差強人意，設計效率大打折扣。

由于模擬仿真通常在射頻電路中進行，因此，可能會出現遺漏電路板對射頻電路產生的巨大影響，這就為整個設計過程增加了難度，給諸多設計人員帶來困擾。隨著射頻內容的逐步充實，射頻技術的多元化發展，射頻及微波設計人員為了縮短設計周期，提高生產率與產品質量，往往親力親為，在自己的設計工具內自行應對射頻的設計挑戰，但是結果不盡如人意。

在使用射頻仿真器對電路建模后，一旦達到所需的電氣性能，仿真器就會自行產生該電路的銅箔形狀。在這一過程中，設計人員無法正確轉換DXF檔而無法轉換成銅箔形狀。這時，就需要設計人員采取手動的方式對整個系統進行操作，使DXF檔安全導入，進而形成銅箔形狀。由于人為因素的介入，使得銅箔的形狀尺寸出現較大的偏差，最終導致整個射頻電路失去功效。

結束語：

專業成就夢想，理念決定創意，射頻與微波技術人員想要進一步完善射頻與微波技術，拓展應用渠道，就必須夯實專業知識基礎，以創新的理念適應新時代、新形勢下的新型技術領域，并通過自身的不懈努力，實現我國多功能射頻與微波技術新的飛躍。

參考文獻：

[1]胡善祥，高菡，張德智.相控陣雷達多功能射頻與微波設計[J].雷達科學與技術，2018，16（1）：108-112，118.

[2]李弋鵬，姜曉斐.基于相控陣雷達的超視距傳輸技術探討[J].通訊世界，2015（14）：37-38.

[3]王君，白華珍，邵雷.多功能綜合射頻系統共用信號分辨性能研究[J].火力與指揮控制，2018，43（8）：151-155.

作者簡介：田耕，男（1984.7.8），漢族，重慶巫山人，本科，工程師，研究方向：雷達射頻微波方向，科研項目管理

作者簡介：鄧桂福，男（1983.1.10），漢族，四川遂寧人，碩士，工程師，研究方向：雷達系統/雷達信號處理