综合射频技术发展的国际经验

综合射频技术发展的国际经验

0问题的表现—引言现代海军对船运输系统的功能、性能和相互操作性提出了更高的要求。当前,雷达、电子战设备及通信系统融合程度不够,军舰上电子设备数目的增多也导致甲板及舰桥上天线的数量越来越多。从20世纪80年代到90年代10年间,美几型军舰上天线的数量增加了一倍,如图1所示。天线数目的增加导致一系列问题:遮挡、电磁干扰、军舰雷达反射面积增大、维护困难。先进的“宙斯盾”军舰并没有解决舰上天线林立的问题:以“伯克”级驱逐舰为例,其较新型号上已配备有108副天线,随着功能的扩展,天线的数量还要增加,但在舰上寻找合适的安装位置已非常困难,舰上电磁兼容问题日益突出。航空平台的情况类似:20世纪50年代,航空电子系统占飞机总成本的比例不超过10%,80年代已经达到30%;90年代后,这一比例继续攀升。而在整个航电设备中,传感器成本约占63%。经济可承受性是当今各国空军面临的普遍问题,而降低飞机成本的有效措施就是从传感器系统入手。综合射频传感器技术是一个有吸引力的方向:美国空军“宝石台”计划研究表明采用综合射频传感器系统可将射频电子部分的成本和重量降低50%。1综合射频技术长期以来,战斗机及军舰都采用大量分别独立开发的射频传感器并“松散”地综合在整个航空电子系统结构内,完成所需各种功能。这种分布式射频传感器结构的资源仅由专用功能利用,每个功能均由各自机箱、电源、处理机实现,模块化程度低,重量体积功耗大,成本高,可靠性差,改进困难,难以适应未来的信息化高技术战争的要求。用几个分布式宽带多功能孔径取代目前平台上为数众多的天线孔径,采用模块化、开放式、可重构的射频传感器系统体系架构,并结合功能控制与资源管理调度算法、软件,同时实现雷达、电子战与通信、导航、识别等多种射频功能,这就是综合射频技术。综合射频技术将“综合”推进到天线及射频前端,如图2所示,基于共用射频模块进行实时控制与资源共享、资源管理、资源分配,从而使系统设计师能用尽可能少的多功能射频模块构建出一个兼具任务规划,导航通信识别,态势感知、目标探测、跟踪、攻击能力的多功能一体化综合射频航空电子系统,而且使航空电子系统的成本、重量、功耗、失效率显著下降。由于采用共用孔径和通用模块实现多项功能,需要在多项不同甚至相互矛盾的要求间进行严谨的综合权衡。通常而言,雷达需要低旁瓣、高频谱纯度和低噪声系数;通信系统需要能够在可接受的误码率前提下优化数据链传输;电子战系统则需要有选择性地在雷达及通信设备的关键参数及带宽之间进行平衡,确保对于尽量多的信号类型获取尽量高的截获概率。从技术角度而言,综合射频技术需要综合权衡的参数、指标及架构,包括:频率规划,天线形式及子阵划分,RF/IF/LO/定时信号分配、电源、模块控制、射频功放、孔径接口单元形式,模块功能划分,集成架构等。为满足各种需求,综合射频系统需要解决的关键技术包括:大带宽、多极化、多子阵、多通道主动电扫天线阵面;宽带T/R组件;RF/IF开关网络、可编程多通道波形发生器及接收机;资源的动态规划、分配及调度算法等。2美国20世纪80年代以来的发展成就由于综合射频技术的优点,因而在全球范围内呈现出蓬勃的发展势头:美国自20世纪80年代以来通过持续不断的研究和发展,目前已经取得了引人瞩目的成绩。本节主要介绍美海军、空军及国防先进预研计划局(DARPA)在综合射频领域的研究项目、发展历程及动态。2.1研制并进行综合射频技术的应用美各大军种中,海军是最早进行综合射频技术研究的军种,从1985年起就资助一系列用于打击/战斗机的研究和发展项目。在1990年至1994年间,开展先进共用孔径(ASAP)项目;1996年,海军研究局(ONR)启动先进多功能射频系统(MARFS)项目,后演变成为先进多功能射频概念(AMRFC);2004年,海军研究实验室(NRL)完成对AMRFC平台的测试;之后ONR启动综合上层建筑(InTop)项目,进一步推动综合射频技术的发展。美海军的DDG-1000驱逐舰项目的双频段雷达(DBR)方案部分吸收了以上概念研究及演示的成果。2.1.1asap的热容量设计1990年至1994年,美海军资助TI公司防务系统及电子部(现已并入Raytheon公司)负责ASAP项目研制。ASAP研究带宽覆盖C～Ku频段的阵列,确保同时实现雷达、ECM、ESM、通信功能,以更小的重量和造价为载机带来更强的任务灵活性、更强的效能和对抗能力、增强的生存性。ASAP项目根据战术飞机前视雷达功能需求确定天线增益及发射功率等指标,同时实现电子战及通信功能。阵列被分成16个子阵,如图3所示,在同时实现数个功能的同时确保天线口径尺寸满足需求。阵列侧面和上部的线阵用于宽波束功能(如干涉仪),线阵中包括数个阵元用于旁瓣对消或作为保护天线,由于仅利用少部分阵列实现这些功能,孔径的RCS特性满足要求。这样的孔径设计可满足战术飞机在高频段的多功能需求,通过发展低频段组件和阵列,ASAP概念可扩展到UHF甚至更低的频段。采用共用孔径设计可大幅减小重量和功耗要求,且总采购及全寿命周期成本低于目前的多个单功能孔径的方案,共用口径还可确保自卫ECM及高定向微波数据链等功能实用化。该项目的难点包括宽带辐射孔径,T/R组件、波束分配网络及时间资源调度等。ASAP辐射孔径需要具备宽带(C～Ku)、多极化、宽角波束扫描、低RCS特性。每个阵元位置放置一对体积小、具有宽带特性的喇叭状辐射槽,水平向和垂直向正交放置可实现垂直、水平和圆极化辐射;为确保无栅瓣宽角扫描,阵元之间间隔小于0.4″。阵面的RCS特性由孔径栅格,阵列边缘处理、单元阻抗匹配、孔径内匹配特性变化、阵元位置,以及其他公差决定。为实现天线隐身设计,采取的措施包括:合理设置孔径栅格以确保散射栅瓣的有效抑制;在阵列的周边设置传导率渐变的“边缘板”实现孔径和地之间平缓过渡以降低RCS模式项旁瓣。孔径反射系数的随机误差影响RCS模式项噪声电平,反射系数受多个参数影响,具体与阵元和阵面馈电设计相关。允许的RCS模式项噪声电平以及阵元参数的影响决定了阵元所容许的最大公差。所测试阵列的阵元位置公差约为±0.004″。阵面后的阻抗公差由宽带环流器控制;阵元位置公差则由集成于孔径地板上用于固定槽形辐射阵元的铝制件控制。ASAP项目制造并测试了两个测试阵面,如图4所示:具有8个T/R组件、10×10阵元的主动扫描阵列,37×37双极化负载阵元的被动阵列。前者用于测量扫描波束特性,后者用于测量RCS特性;实际测试性能与预测能够很好吻合。ASAP于年研制出的宽带T/R组件,如图5所示。在整个工作频段内的平均输出功率超过2.75W,中心频率附近的输出功率超过4W,发射增益高于35dB,占空比为45%时组件效率为5%～10%。小规模测试阵及组件演示项目表明基于当时技术可研制出多倍频程天线阵列。共用孔径与先进航电架构的组合:将天线数量减少到原来的1/4,从致RCS的减小,减小整个航电系统的尺寸、重量、功耗和造价;提高应用效能;减少专用飞机的数量;功能变化及提升更加容易。2.1.2amrfs测试平台ONR于1996年启动先进多功能射频系统(AMRFS)项目,意在应对海军提高舰船上层建筑射频功能、同时减少舰船信号辐射的需求。AMRFS是原理演示项目,主要通过共用、低信号特征孔径同时实现雷达、电子战及通信等功能。该项目可极大压缩舰船上层建筑射频系统孔径的数目,同时增加有效功能和带宽,且减小整个舰船的RCS。AMRFS通过软件的调度实现多种功能,除原理演示外,AMRFS还发展新的组件技术以确保廉价、有效的设计架构。大带宽天线可减少满足频带覆盖所需的天线数目,天线需具有4∶1～5∶1的倍频程。收发合一的天线为确保高收发隔离度不能同时实现收发功能。真正的多功能雷达可能会有长接收时间的需求,这导致天线发射功能受限;而电子攻击(EA)及通信等功能甚至需要连续的发射和接收,这就使得接收(或发射)的时间受到极大限制。收发分离体制可使发射和接收功能更为灵活地规划,具有压缩射频孔径的潜力,因而AMRFS选择了收发分离天线体制。AMRFS测试平台的方案是采用4部低频段和高频段收发阵列孔径:将1～20GHz频率覆盖范围分为1～5GHz和4～18GHz两个频段。每个接收阵列均包括接收阵列子系统、RF下变频子系统、数字接收机、支持同时及分时多功能接收的处理及控制系统。每个发射子系统均包括发射阵列、RF上变频、波形产生合成、支持同时及时分多功能发射的处理及控制系统。1997年,工业界提供了包括宽带雷达、宽带电子战、宽带通信等在内的支持AMRFS的技术资料。AMRFS后进一步发展成为AMRFC项目,相对于初始方案,AMRFC设计进行了简化,发射和接收均采用单部天线,频段覆盖范围也相应调整为6～18GHz。AMRFC功能框图,如图6所示。三家主要承包商(LockheedMartin、NorthropGrumman和Raytheon)分别提供接收天线、发射天线和数字接收机,另一家公司(GeneralDynamics)提供了中间层以及软件支持设备。宽带多功能发射阵列包括分布于四个象限中的1024个多极化辐射元,每个象限再进一步分成四个子阵,每个子阵由16个射频输入端中的一个单独驱动。接收天线包括天线阵元、接收模块和为实现同时多波束必需的射频合成器。接收天线包括1152个阵元和相应的接收模块,分9个子阵,每个子阵具有128个双极化阵元。收发天线设计使系统具有同时形成4个发射波束和36个接收波束的能力,具有强大的资源重组能力(如图7所示)。测试和评估工作于2004年在NRL的Chesapeake湾测试基地实施,海军提供的硬件和软件被集成到测试平台(如图8所示)上,在测试过程中,海军还从海军水面战中心(NSWCDD)和海军空战中心飞机分部(NAWCAD)派出了重要人员。演示功能包括:X频段国防卫星通信系统(DSCS)链路通信;Ku频段战术通用数据量(TCDL)通信;采用7～16GHz频段实现雷达探测功能;同时对抗4个导引头和3部雷达的电子攻击能力;天线极化分集;对P-3、船只及Tilghmann上导航雷达辐射信号的电子侦收等。AMRFC作为原理演示项目验证了采用收发分离的多波束、多功能天线同时支持电子战、通信和雷达功能的可行性。AMRFC还在单元之间接口明确定义的基础上提供了模块化架构。然而ONR不满足于此,于2008年推出InTop计划,目的是在AMRFC原理演示项目的基础上发展支持多级军舰和平台的可扩展电子战、雷达和通信功能,采用模块化/开放式设计以利于技术升级。该项目针对实际应用,发展愿景是统治射频频谱、采用射频开放式架构、适装于不同平台的可扩展、可承担系统。InTop将由研究部门、采购部门及工业部门共同定义射频的形式、功能及接口,研究不同的阵面形式、利用部件技术的发展降低阵面的成本。ONR已与工业部门进行了接洽,并要求后者提供InTop概念及模块化、开放式、可扩展模块途径。2.1.3扩展的sdg1和spy-4与ASAP及AMRFC不同,DBR是面向DDG1000级驱逐舰研制的实际装备的雷达,其方案相对比较保守,未采用AMRFC中的超宽带阵列和收发分离天线设计。DBR由LockheedMartin公司的SPY-4体搜索雷达(VSR)和Raytheon公司的SPY-3多功能雷达(MFR)综合而成,两部雷达的后端综合由Raytheon公司负责。SPY-3和SPY-4均采用有源相控阵体制,分别工作于X频段和S频段。双频段设计可提高多径及不规则传输条件下的检测能力。此外,当一个频率被用于特定功能(如为多枚导弹提供照射)时,另一个频率可用于分担负荷,许多搜索及跟踪功能可由单个频率或同时两个频率实现。DBR可代替原来舰上5～10部雷达的功能,通常SPY-3用于海面/低空搜索、潜望镜/水雷检测、数据链、电子保护、导弹跟踪及目标照射等,SPY-4则用于大空域连续搜索(如图9所示)。雷达功能的一体化使得军舰天线数目减少,利于军舰的隐身设计,因而DDG1000的RCS比CG47和DDG-51明显减小(如图10所示)。SPY-3型X波段雷达已于2008年秋季完成了海上测试,首批2套SPY-3雷达阵列目前正在装配之中,Raytheon公司于6月开始对首批雷达阵列进行测试。LockheedMartin公司开发的SPY-4型S波段雷达甲板下的组件部分已进入全速生产阶段,用于DDG1000驱逐舰和“Ford”号航母的6套雷达合同也已签订。2.2综合射频探测系统架构美空军的先进战术战斗机(ATF,其成果是F-22战斗机)基于“宝石柱”计划发展了综合式航电架构,实现了信号和数据处理模块的模块化、开放式设计,然而其传感器孔径及射频电路仍是分立的。联合攻击机(JSF,成果为F-35)项目在航电方面比ATF获得进一步的提升,其航电架构基于更加先进的“宝石台”计划。1997年9月JSF办公室经过3年系统方案定义和演示,公布了2.0版“JSF航空电子系统结构定义(JAAD)”,主要内容包括:总层次划分、航空电子系统网络、综合核心处理、座舱人机接口、综合射频探测及综合光电探测、机械和电气接口、软件等。“宝石台”航电系统架构如图11所示。综合射频探测部分主要分析了综合射频传感器系统和射频孔径划分问题。射频孔径划分主要原则是采用尽量少天线孔径满足雷达、电子战、敌我识别和CNI等任务。天线孔径的类型选择和排布(如图12所示)需考虑到战斗机的潜在功能需求。传感器频段覆盖2MHz～18GHz。JSF将天线孔径压缩为21部,后进一步减为13部。对于综合传感器系统,JSF项目的目标是发展完全综合的射频支持设备(IRSE),基于飞机的射频孔径与收发射频开关相连,任何形式的天线都可通过“定制”射频开关相连。此外,射频开关可设计成为一个单独的单元或分布式排布于载机的不同位置,分布式布置对于机翼或尾部的传感器更加有利。用于特定频带的射频转换模块可将射频下变频为中频或将中频上变频为射频。频率转换模块的类型和数量由MMIC技术的成熟程度及射频开关与频率转换器之间的接口决定。中频转换器同样会随着MMIC、微型滤波器、声光设备以及ADC技术的发展而进步。未来,模块的类型和数量都会大幅减少。为降低射频探测功能区的技术风险,JSF项目办公室在其技术风险减缩研究计划中包括了综合传感器系统(ISS)计划和多功能综合射频系统(MIRFS)计划。2.2.1平台结构的选择ISS计划是美国空军研究实验室(AFRL)和JSF计划联合资助的一项3400万美元的技术风险减缩研究计划。基于“宝石台”第一阶段项目,美国空军决定提高传感器射频设备的通用性和综合性。因为“宝石台”项目研究结果表明:在传感器领域采用通用模块、资源共享及重构设计概念后,航电系统的造价和重量减少一半,可靠性变为原来的三倍。ISS由LockheedMartin和Boeing公司领导的两个小组在4年内完成,目标是采用相对较少的开放式射频模块类型构成综合的、可重构的射频处理结构。两个小组的专家认为,ISS的研制工作不是由技术推动,而是由经济可承受性推动,他们只需要重新组合现有的功能,来达到尺寸、重量、体积和费用目标。Boeing公司小组估计在以资源共享为特征的ISS结构中,采用1998年的技术可以花费相当于F-22飞机的50%～60%的费用,而达到与F-22飞机相同的射频功能。ISS焦点是减少总寿命周期成本而不是实现平台设计的最优,虽然经济可承受性是进行ISS研制的主要推动力,通过故障重构增强任务的可靠性、通过信号及发射装置的综合控制获得较好的电磁兼容性也是非常重要的。ISS的主要研究范畴如图13所示。图13表明,ISS架构由具有标准接口的功能块组成,RF信号通过共用口径进行收发,RF开关允许各孔径间共用频率转换模块,频率转换功能块实现RF信号和IF信号的转换。IF开关进一步提高了系统的可重构性。接口是单独定义的,确保提供一定程度的设计灵活性以利于平台实现。ISS不是用于装机的综合射频航电系统,而是为可承担综合射频航电发展提供框架:基于经过验证的互连和控制策略实现标准系统设计;资源共享的综合多功能策略;COTS技术的综合;针对多平台的应用;通用模块的竞争购买思想。作为比较,F-22的雷达、电子战及CNI的专用射频模块种类分别为20、21、22,ISS计划将JSF专用射频模块的种类压缩到20,减少了2/3。2.2.2无线发射apg-77无论从造价,重量还是从飞机总体设计角度分析,一个可根据需要实现雷达、电子侦听和电子干扰功能的综合射频孔径都是有吸引力的。MIRFS演示项目就是针对此领域开展技术攻关。MIRFS于1996年2月启动,合同总额为1.1亿美元,承包商包括Hugh公司(后并入Raytheon公司)和NorthropGrumman公司。要求两家公司在5年时间内完成雷达系统的研制和试飞演示。根据合同要求,新的有源多功能阵列(MFA)可支持雷达、通信和电子战功能,且将JSF航电系统成本减少30%、重量减少50%。NorthropGrumman公司在研制过程中充分借鉴了APG-76、APG-77的技术,雷达由先进的AESA天线、高性能的接收机/激励器及商业化处理器组成。AESA技术的创新使得系统造价和重量大幅下降、可靠性和效能大幅提升。比如,NorthropGrumman的T/R组件相对于上一代产品具有更少的组成和更少的连接器,AESA的集成也大幅简化。在MIRFS项目中,NorthropGrumman公司实现了T/R组件100%的自动化生产;且美海军的单独测试也验证了T/R组件性能和可靠性。雷达于1998年12月起开始在BAC-11航电试验飞机平台上进行飞行测试(图14),测试项目包括空空、合成孔径、动目标检测、电子战等。2004年12月,AFRL完成对MIRFS/MFA天线的测试;2005年8月,工程发展型的MIRFS/MFA(APG-81)完成了在BAC-11上的首飞,并计划到2009年完成120个架次的试飞。在阿拉斯加举行的美空军“北方利刃2009”演习中,APG-81展示了其电子保护功能。在演习中,雷达可同时应对多种类型的先进干扰机。依靠在MIRFS项目中的技术积累,NorthropGrumman公司在APG-77雷达中集成了通信功能,发送速率达548MB/s,接收速率达1GB/s。2.3recap方