(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

為完成信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中的作戰(zhàn)任務(wù),作戰(zhàn)飛機(jī)、作戰(zhàn)艦艇等空間受限平臺(tái)都必不可少地裝備雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等各種信息系統(tǒng),且信息系統(tǒng)在機(jī)載、艦載平臺(tái)系統(tǒng)中的重要程度以及所占的成本、體積、重量比例日益擴(kuò)大。獨(dú)立信息系統(tǒng)的增加導(dǎo)致平臺(tái)上天線數(shù)目急劇增多,帶來一系列如遮擋、電磁兼容、RCS增大、維護(hù)困難等問題。同時(shí),為了提高等效輻射功率,往往還需要增大發(fā)射機(jī)的輸出功率和天線增益,導(dǎo)致了系統(tǒng)的尺寸、重量、功耗等方面急劇增加,嚴(yán)重限制了平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性能,增加了平臺(tái)的RCS,降低了其在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力。此外,多型信息系統(tǒng)各自獨(dú)立設(shè)計(jì),通用性、模塊化難以保證,保障、維護(hù)難度大,戰(zhàn)時(shí)需要大量的保障資源。

多功能綜合射頻系統(tǒng)采用共用設(shè)計(jì),可顯著降低機(jī)載、艦載平臺(tái)信息系統(tǒng)天線數(shù)目、體積重量、全壽命周期成本,提高系統(tǒng)可靠性,可動(dòng)態(tài)分配系統(tǒng)資源、快速應(yīng)對(duì)新的功能需求、大幅降低升級(jí)費(fèi)用。在軍事需求的強(qiáng)大推動(dòng)下,多功能綜合射頻系統(tǒng)的發(fā)展受到世界各國的廣泛重視,特別是美國空軍、海軍、DARPA等機(jī)構(gòu)開展了一系列研究[1-4]:美國空軍主要從后端處理逐步向綜合孔徑、一體化多功能邁進(jìn),不斷降低系統(tǒng)的體積、重量、成本,提高系統(tǒng)的可靠性;美國海軍則重點(diǎn)開展孔徑綜合、擾偵探通一體化多功能研究,解決孔徑增加帶來的問題;DARPA則主要致力于關(guān)鍵技術(shù)研究,如可重構(gòu)孔徑(RECAP)項(xiàng)目,通過MEMS技術(shù)對(duì)天線進(jìn)行重構(gòu),確保天線的超寬帶性能,同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬角掃描。

多功能綜合射頻系統(tǒng)的核心思想是用寬帶多功能綜合射頻孔徑代替平臺(tái)上數(shù)量眾多的、各種功能的天線孔徑,采用綜合的、開放式的射頻、信號(hào)處理、軟件體系架構(gòu),進(jìn)行靈活的資源調(diào)度和管理,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航、識(shí)別等多種射頻功能以及多源信息融合,以期利用一套硬件系統(tǒng),通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)所有的電子功能。系統(tǒng)規(guī)?？缮炜s、硬件平臺(tái)統(tǒng)一、軟件定義一切功能,滿足不同平臺(tái)的需求,實(shí)現(xiàn)擾、偵、探、通等多種功能,是多功能綜合射頻系統(tǒng)追求的目標(biāo),但受限于器件水平、系統(tǒng)成本等因素,多功能綜合射頻系統(tǒng)很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有功能的高性能。本文在分析多功能綜合射頻系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同的需求,對(duì)其體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

1 綜合射頻系統(tǒng)功能需求分析

現(xiàn)代化體系作戰(zhàn),要求作戰(zhàn)平臺(tái)特別是具有獨(dú)立作戰(zhàn)能力的機(jī)載、艦載平臺(tái)搭載的電子載荷應(yīng)具有雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信等多種射頻功能。為滿足體系作戰(zhàn)需求,多功能綜合射頻系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)威脅目標(biāo)(包括電磁靜默目標(biāo))預(yù)警探測(cè)、偵察識(shí)別、敵我判斷、電子干擾等多種作戰(zhàn)能力,通過統(tǒng)一的資源管理和調(diào)度,實(shí)現(xiàn)各種功能協(xié)調(diào)工作,并且利用有無源信息融合實(shí)現(xiàn)精確目標(biāo)識(shí)別,通過有無源相互引導(dǎo),實(shí)現(xiàn)先敵發(fā)現(xiàn)、先敵干擾、先敵摧毀。多功能綜合射頻系統(tǒng)具體應(yīng)包括以下功能:

1)雷達(dá)探測(cè)

自主工作或者在電子偵察及其他情報(bào)引導(dǎo)下對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行雷達(dá)探測(cè),掌握空情態(tài)勢(shì)。

2)電子偵察

自主工作或者在情報(bào)引導(dǎo)下對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行偵察,對(duì)頻段覆蓋范圍內(nèi)的雷達(dá)、通信、導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行一體化偵察分析,獲取輻射源情報(bào)和電子目標(biāo)情報(bào),掌握電磁態(tài)勢(shì)。根據(jù)偵察信息和有源探測(cè)信息,進(jìn)行輻射源識(shí)別和功能屬性推理,獲取戰(zhàn)術(shù)情報(bào)。

3)電子干擾

在有無源信息引導(dǎo)下,在空域、頻域、時(shí)域、調(diào)制域、能量域進(jìn)行干擾資源分配和管理,對(duì)目標(biāo)實(shí)施精確高效干擾。

4)通信系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)需要,完成己方目標(biāo)通信功能,發(fā)揮體系化作戰(zhàn)效能。

上述各種射頻功能,目前都由獨(dú)立的射頻系統(tǒng)完成,每個(gè)系統(tǒng)根據(jù)各種功能特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),在性能、成本以及體積重量方面幾乎達(dá)到最優(yōu)。綜合射頻系統(tǒng)采用綜合孔徑、綜合射頻和通用模塊實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能,可以有效降低系統(tǒng)的體積、重量、成本,提升系統(tǒng)的電磁兼容能力和可靠性。考慮到不同功能在頻段、工作帶寬、輻射功率、靈敏度、占空比、極化等方面有不同的要求(例如監(jiān)視雷達(dá)一般工作在L、S頻段,極化為水平極化或垂直極化,占空比為1%～20%;ESM一般要求有高靈敏度、寬頻域覆蓋,極化為45°斜極化或圓極化,占空比為100%;電子干擾一般要求有高等效輻射功率、寬頻域覆蓋,極化為45°斜極化或圓極化,占空比為100%;通信一般為全雙工工作,占空比為100%,極化為圓極化或垂直極化),為了有效發(fā)揮多功能綜合射頻系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能,在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要在各種功能多項(xiàng)不同甚至相互矛盾的要求間進(jìn)行綜合權(quán)衡和折中,各項(xiàng)功能對(duì)系統(tǒng)的要求如表1所示。

表1 不同功能對(duì)系統(tǒng)的要求

針對(duì)各項(xiàng)功能不同的要求,多功能綜合射頻系統(tǒng)需要綜合權(quán)衡技術(shù)體制、頻段劃分、綜合孔徑形式和劃分、綜合射頻架構(gòu)、高性能計(jì)算(綜合處理)架構(gòu)、一體化軟件架構(gòu)等因素。

2 綜合射頻系統(tǒng)體系架構(gòu)

綜合射頻系統(tǒng)的架構(gòu),已經(jīng)有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了探討[4-6],包括綜合孔徑、綜合射頻、綜合處理幾個(gè)部分,具備可擴(kuò)充、可重構(gòu)、開放式、可升級(jí)等特點(diǎn)。本節(jié)主要對(duì)綜合射頻系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要權(quán)衡的因素進(jìn)行分析探討。

1)技術(shù)體制

有源相控陣體制、波束形成和陣面劃分靈活、功能管理和資源調(diào)度方便,具備可擴(kuò)展、可重構(gòu)、可升級(jí)的能力,是目前綜合射頻系統(tǒng)普遍選擇的技術(shù)途徑。

相對(duì)于有源相控陣體制,數(shù)字陣列體制是相控陣技術(shù)的最新發(fā)展[7],其通過數(shù)字方式產(chǎn)生各天線單元激勵(lì)電流的幅度與相位分布,代替模擬移相器、衰減器以及復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò),通過綜合運(yùn)用直接數(shù)字合成(DDS)和數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù),在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)收發(fā)波束形成。接收DBF:每個(gè)陣列單元所接收到的信號(hào)不失真地放大、下變頻至中頻,經(jīng)高速模數(shù)變換轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào),在數(shù)字域?qū)⒉煌嚵袉卧男盘?hào)乘以加權(quán)因子,可以同時(shí)形成多個(gè)不同指向、波束寬度、副瓣特性的接收波束。發(fā)射DBF:根據(jù)不同功能(雷達(dá)、干擾、通信)對(duì)發(fā)射信號(hào)波形的要求,并考慮發(fā)射波束數(shù)目、波束寬度、副瓣特性所需的幅相加權(quán)因子以及系統(tǒng)幅相誤差修正因子,在數(shù)字域產(chǎn)生所需頻率、帶寬和調(diào)制樣式的激勵(lì)信號(hào),通過數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻變換至射頻波段,經(jīng)功率放大器后輸出至天線,在空間合成所需的發(fā)射波束。收發(fā)DBF原理如圖1所示。

圖1 收發(fā)DBF原理框圖

數(shù)字陣列技術(shù)把每個(gè)陣列單元的信息在數(shù)字域進(jìn)行獨(dú)立接收和發(fā)射控制,具備以下特點(diǎn):

① 資源分配和管理更靈活。每個(gè)單元獨(dú)立可控,陣面劃分可以靈活組合,波束形成靈活,波束的寬度、指向、數(shù)目均靈活可變,相對(duì)于有源相控陣預(yù)先設(shè)計(jì)好的固定波束形成網(wǎng)絡(luò)形式,數(shù)字陣列陣面資源分配能力更靈活;自適應(yīng)功率管理,功率和時(shí)間資源靈活可控。

② 幅相控制精度高,易于實(shí)現(xiàn)超低副瓣。雷達(dá)的天線副瓣越低,越有利于強(qiáng)雜波環(huán)境下的目標(biāo)檢測(cè);天線副瓣越低,從副瓣進(jìn)入的干擾越容易被“濾除”,也提高了雷達(dá)的抗干擾性能;數(shù)字陣列有利于提高雷達(dá)探測(cè)性能。

③ 具有空域稀釋和濾波能力,空間自由度高,在多個(gè)干擾方向上形成零點(diǎn),抗干擾能力強(qiáng);可以在己方信息系統(tǒng)所在方向空域陷波,電磁兼容性能好。

④ 模塊化、積木式、可重構(gòu)、可升級(jí)。

⑤ 軟件化、一體化(雷達(dá)、通信、導(dǎo)航一體化偵察),軟件定義一切功能。

從以上分析可以看出,數(shù)字陣列資源分配和管理靈活、空間自由度大、加權(quán)精度高,模塊化、積木式、可重構(gòu)、可升級(jí)能力與生俱來,可滿足綜合射頻系統(tǒng)對(duì)多功能的需求,提升系統(tǒng)的可靠性,是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)綜合射頻系統(tǒng)的最佳技術(shù)體制。

未來隨著技術(shù)進(jìn)步,光控陣列技術(shù)將走向工程應(yīng)用,可有效解決超寬帶陣列波束形成問題,是未來超寬帶多功能綜合射頻系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

2)工作頻段

多功能綜合射頻系統(tǒng)是否滿足軍事需求是衡量多功能綜合射頻系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。工作頻段的選擇應(yīng)該緊緊圍繞軍事需求、作戰(zhàn)應(yīng)用和工程實(shí)現(xiàn)。理論上多功能綜合射頻系統(tǒng)工作頻段覆蓋范圍越寬,可實(shí)現(xiàn)更多功能的集成,但在系統(tǒng)成本、系統(tǒng)資源管理、天線效率、高效率大功率射頻輸出、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等方面帶來一系列工程問題,現(xiàn)階段以及未來一段時(shí)期內(nèi)很難進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧。文獻(xiàn)[8]針對(duì)艦載對(duì)空監(jiān)視、抗干擾和ESM等應(yīng)用,指出0.5～18 GHz超寬帶的多功能綜合射頻系統(tǒng)將導(dǎo)致成本急劇增加,引起部分射頻功能的性能受限,以致無益于戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)。

多功能綜合射頻系統(tǒng)工作頻段的選擇需結(jié)合雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)常用工作頻段特點(diǎn),重點(diǎn)考慮作戰(zhàn)應(yīng)用和工程實(shí)現(xiàn)。通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)常用的工作頻段如圖2所示[9]。從圖中可以看出,0.8～2 GHz頻段涵蓋了L波段預(yù)警雷達(dá)、CNI、電子干擾等眾多電子設(shè)備,是體系作戰(zhàn)的重點(diǎn)頻段,可將該頻段的電子系統(tǒng)進(jìn)行綜合化、一體化設(shè)計(jì),以電子對(duì)抗能力為主,滿足作戰(zhàn)響應(yīng)速度快、電磁兼容能力好、陣地適應(yīng)能力強(qiáng)、立即發(fā)現(xiàn)立即干擾等需求,提升作戰(zhàn)裝備的體系對(duì)抗能力。此外,從圖2中還可以看出,6～18 GHz頻段是火控雷達(dá)、雷達(dá)告警器和自衛(wèi)干擾設(shè)備等廣泛使用的頻段,使得該頻段的控制權(quán)直接關(guān)系到武器作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。6～18 GHz頻段的多功能綜合射頻系統(tǒng)可以將火控雷達(dá)、雷達(dá)告警器、自衛(wèi)干擾等設(shè)備進(jìn)行整合,以火控雷達(dá)能力為主,可有效降低電子設(shè)備的體積、重量、功耗、成本,提升電子系統(tǒng)的可靠性,為載荷搭載能力受限平臺(tái)的作戰(zhàn)效能發(fā)揮、解決電磁兼容問題提供有力支撐。結(jié)合以上分析可以看出,0.8～2 GHz和6～18 GHz頻段是多功能綜合射頻系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)頻段。

需要指出的是,美國空軍的綜合傳感器系統(tǒng)(ISS)演示驗(yàn)證項(xiàng)目結(jié)合空軍應(yīng)用,提出在2～400 MHz,0.5～2 GHz和2～18 GHz進(jìn)行多功能綜合設(shè)計(jì)[9]。

圖2 常用射頻傳感器所占工作頻段

3)陣面選擇

多功能綜合射頻系統(tǒng)普遍采用陣列體制,需在分陣面體制和共陣面體制中進(jìn)行合理選擇,典型的陣面體制如圖3所示。

圖3 典型的陣面體制

收發(fā)共陣面體制具有共用機(jī)械支持結(jié)構(gòu)、電源、制冷的優(yōu)點(diǎn),可有效降低系統(tǒng)的體積、重量。但是,共陣面的一個(gè)主要缺點(diǎn)是對(duì)收發(fā)同時(shí)工作的限制,每單元收發(fā)功能的隔離度有限。隔離度可通過增大收發(fā)切換裝置的隔離度、降低發(fā)射功率來實(shí)現(xiàn)。但是收發(fā)切換裝置的隔離度是有限的,且寬帶大隔離度將帶來系統(tǒng)體積、重量的增加,甚至難于工程實(shí)現(xiàn);過低的單元發(fā)射功率將導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模急劇增加,很難在工程中應(yīng)用。此外,對(duì)于具有全雙工工作的通信設(shè)備,采用收發(fā)共陣面將需要采用超過20%相對(duì)帶寬的T/R組件,寬角掃描時(shí)很難使用廉價(jià)的印刷陣列技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。典型的雙工工作通信頻段如表2所示[10]。

表2 用于通信的頻段和相對(duì)帶寬

收發(fā)分陣面體制可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)同時(shí)工作,而且可以得到60 dB甚至更大的隔離度。它允許使用高占空比的波形(高達(dá)100%)并可在脈沖級(jí)實(shí)現(xiàn)不同RF功能的時(shí)間復(fù)用。除此之外,分離的收發(fā)陣列對(duì)于收發(fā)單元可分別采取不同的技術(shù)。此外,在電子對(duì)抗應(yīng)用中,相比于收發(fā)共陣面,收發(fā)分陣面具有如下優(yōu)點(diǎn):

① 干擾效率高 收發(fā)分陣面僅增加了成本低的天線陣,但降低了收發(fā)切換引入的損耗,干擾效率高,提高了效費(fèi)比;

② 一致性好 波束形成對(duì)通道一致性要求較高,收發(fā)分陣面減小了寬帶大功率輸出至天線之間的環(huán)節(jié),可提高寬帶通道間的一致性。但是當(dāng)收發(fā)隔離度要求較高時(shí),需要兩個(gè)陣面大距離拉開,將增大系統(tǒng)的體積、重量,同時(shí)帶來收發(fā)同步、安裝布局等問題。

在陣面體制選擇時(shí),需要針對(duì)不同的應(yīng)用,例如以雷達(dá)探測(cè)為主或者以電子干擾為主等,進(jìn)行分析、比較,在滿足既定功能和性能的前提下,充分比較系統(tǒng)成本、安裝空間、體積重量,支持方案選擇。以雷達(dá)、電子對(duì)抗一體化系統(tǒng)為例,一體化系統(tǒng)需要在同時(shí)滿足干擾、雷達(dá)等功能需求的基礎(chǔ)上,最小化系統(tǒng)成本。

根據(jù)干擾方程,干擾等效輻射功率為

式中,Kj為壓制系數(shù),Pt1為被干擾雷達(dá)發(fā)射功率,Gt1為被干擾雷達(dá)發(fā)射天線增益,Rj為干擾機(jī)與被干擾雷達(dá)之間的距離,σ1為被掩護(hù)目標(biāo)的雷達(dá)截面積,Rt1為被干擾雷達(dá)與其探測(cè)目標(biāo)之間的距離,Gsl為在干擾機(jī)方向被干擾雷達(dá)的相對(duì)副瓣增益,γj為極化損失。

根據(jù)雷達(dá)方程,對(duì)于目標(biāo)距離為Rt,雷達(dá)截面積為σ,監(jiān)視雷達(dá)的信噪比(SNR)為

式中,Pt為一體化系統(tǒng)發(fā)射峰值功率,δ為占空比,Are為接收天線陣的有效面積,ts為搜索空域的掃描時(shí)間,k為玻耳茲曼常數(shù),Ts為系統(tǒng)噪聲溫度,Ls為系統(tǒng)損耗,La為大氣衰減,Rt為雷達(dá)探測(cè)距離,Ω為監(jiān)視空域。

不失一般性,假設(shè)發(fā)射單元的成本為1,接收單元的成本為r,收發(fā)單元的成本為p,則收發(fā)組件的成本為

式中,Ntx,Nty分別為發(fā)射天線陣橫向和縱向單元數(shù)目,Nrx,Nry分別為接收天線陣橫向和縱向單元數(shù)目,Ntr為T/R組件的數(shù)目。

考慮到收發(fā)組件成本為主要的系統(tǒng)成本,則一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足

式中,ERP0,SNR0分別為干擾功能需要的最小等效輻射功率和雷達(dá)功能需要的最小信噪比。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在式(4)約束下,進(jìn)行系統(tǒng)各功能的指標(biāo)和陣面形式(收發(fā)共陣面還是分陣面)、單元數(shù)目等方面進(jìn)行權(quán)衡和設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[10]基于對(duì)監(jiān)視雷達(dá)功能和專用跟蹤雷達(dá)功能的深入分析,進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)成本評(píng)估方面的分析和研究。

空軍和海軍作戰(zhàn)平臺(tái)體積重量受限、電磁兼容問題嚴(yán)重,是多功能綜合射頻系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向。機(jī)載平臺(tái)體積重量要求高,普遍采用收發(fā)共陣面的體制;艦載平臺(tái)雖然在重量方面的要求有所降低,但是艦載平臺(tái)空間仍然緊張,加之對(duì)電磁兼容性的要求高,艦載平臺(tái)也傾向于采用收發(fā)共陣面的體制,如美國海軍由AMRFS的收發(fā)分陣面發(fā)展為AMRFC的收發(fā)共陣面,進(jìn)而將電子系統(tǒng)的一體化推向更高的水平。

4)綜合射頻系統(tǒng)架構(gòu)

基于以上分析,本節(jié)給出了基于數(shù)字陣列體制的收發(fā)共陣面多功能綜合射頻系統(tǒng)架構(gòu)(如圖4所示),其主要由綜合孔徑、綜合射頻和高性能計(jì)算三部分組成。該系統(tǒng)架構(gòu)基于開放式體系結(jié)構(gòu),按層次劃分,各層次之間采用標(biāo)準(zhǔn)的接口,便于不同系統(tǒng)部件之間的互聯(lián)互通和互操作,便于系統(tǒng)硬件共用、軟件移植,軟件定義功能,便于系統(tǒng)功能的增強(qiáng)和擴(kuò)展,具有系統(tǒng)資源分配和管理靈活、空間自由度大、模塊化、積木式、可重構(gòu)、可升級(jí)等特點(diǎn)。

圖4 基于數(shù)字陣列體制的綜合射頻系統(tǒng)架構(gòu)

需要特別指出的是,由于AD、大功率功放等器件的限制,多功能綜合射頻系統(tǒng)很難同時(shí)在多個(gè)功能中同時(shí)達(dá)到高性能。例如數(shù)字陣列在電子對(duì)抗應(yīng)用中,為實(shí)現(xiàn)寬的瞬時(shí)帶寬截獲,需要具有高速采樣能力的AD。但高采樣速率AD的有效位數(shù)有限,高的采樣速率往往會(huì)限制接收通道的動(dòng)態(tài),進(jìn)而影響雷達(dá)的改善因子;再例如雷達(dá)普遍采用高效率、大功率的脈沖功放,而電子對(duì)抗普遍采用寬帶連續(xù)波功放。多功能綜合射頻系統(tǒng)采用脈沖功放將大大減少電子干擾的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用方式,而采用寬帶連續(xù)波功放,為達(dá)到雷達(dá)在采用脈沖功放時(shí)的探測(cè)性能,需要擴(kuò)大系統(tǒng)規(guī)模,以彌補(bǔ)寬帶功放輸出功率的降低,但規(guī)模的增加將給系統(tǒng)的體積、重量、散熱、供電能力、成本等帶來壓力。因此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)前應(yīng)根據(jù)作戰(zhàn)應(yīng)用準(zhǔn)確定位主、次功能,在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分結(jié)合多功能綜合射頻系統(tǒng)的主功能開展設(shè)計(jì)工作,在保證主功能的情況,最優(yōu)化其他功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

1)綜合孔徑技術(shù)

綜合孔徑技術(shù)是綜合一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵之一,它將滿足多種功能的多個(gè)天線綜合到一個(gè)射頻孔徑中。要求綜合天線孔徑能以不同波束形狀工作,在不同任務(wù)下,能夠靈活地重構(gòu)和分配,滿足各種工作模式的需求。要綜合考慮天線波束掃描、波束寬度、天線增益、天線副瓣、極化、互耦等問題。

多功能共享孔徑,體現(xiàn)在對(duì)孔徑資源的靈活分配,更體現(xiàn)在波束的自適應(yīng)形成和靈活控制。不同的功能任務(wù)對(duì)波束形狀、掃描特性等有不同的要求,如何實(shí)現(xiàn)靈活的波束生成和控制滿足系統(tǒng)多功能的要求,對(duì)天線分子陣工作和全口徑工作模式,以及根據(jù)不同功能要求進(jìn)行天線重構(gòu)等問題需要研究。對(duì)于寬帶陣列,相控陣天線孔徑渡越限制,波導(dǎo)傳輸具有色散性,通道濾波器具有相位非線性,這些微波前端都帶來了失真,而這些失真在波束合成后無法依靠基帶信號(hào)處理來解決,因此,超寬帶綜合射頻孔徑還需要解決寬帶通道的色散問題和不一致性補(bǔ)償問題。

此外,輕小型高效率寬帶寬角掃描天線陣可滿足不同平臺(tái)對(duì)綜合孔徑的需求,也是綜合孔徑的一個(gè)重要研究方向。

2)綜合射頻技術(shù)

綜合射頻通道主要完成射頻信號(hào)的接收和發(fā)射,是實(shí)現(xiàn)孔徑綜合、孔徑共享的核心,也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可擴(kuò)充、可升級(jí)的關(guān)鍵之一。射頻部分不同組件之間的集成對(duì)系統(tǒng)的性能、成本和重量等指標(biāo)有不同的影響,需要解決多種功能模式對(duì)帶寬、動(dòng)態(tài)范圍、改善因子的綜合要求,解決模擬電路和高速數(shù)字電路集成問題,同時(shí)減小體積和重量,綜合考慮模塊劃分和集成方式應(yīng)具備可重構(gòu)、可擴(kuò)展能力,同時(shí)兼顧考慮冗余度和靈活性之間的矛盾。

目前,為解決不同功能對(duì)綜合射頻的需求,普遍采用獨(dú)立設(shè)計(jì)的通道來滿足不同功能的需求,如電子戰(zhàn)采用寬帶射頻通道,而雷達(dá)采用具有大動(dòng)態(tài)、高有效位數(shù)的窄帶通道,不僅增加了系統(tǒng)的體積、重量、成本,也增加了系統(tǒng)的模塊種類,降低了可維護(hù)性?；谀壳暗钠骷?應(yīng)根據(jù)作戰(zhàn)應(yīng)用合理定位系統(tǒng)的主次功能,進(jìn)而開展系統(tǒng)設(shè)計(jì),滿足高效費(fèi)比的設(shè)計(jì)理念。此外,為有效減少系統(tǒng)的模塊種類,真正實(shí)現(xiàn)綜合射頻一體化設(shè)計(jì),需要采用統(tǒng)一的通道設(shè)計(jì)來滿足系統(tǒng)不同功能的需求,采用基于微波光子學(xué)的光通道、光采樣等技術(shù)有望解決這一問題。

3)高性能計(jì)算技術(shù)

數(shù)字化靠近射頻最前端,系統(tǒng)功能通過軟件實(shí)現(xiàn),雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)多功能一體化;計(jì)算資源模塊化設(shè)計(jì),并行計(jì)算,可靈活實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力擴(kuò)展;系統(tǒng)功能軟件化,遠(yuǎn)程加載,可靈活實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能升級(jí)。此外,多功能綜合射頻系統(tǒng)需要極高的吞吐率來滿足系統(tǒng)大瞬時(shí)帶寬的要求,同時(shí)可根據(jù)不同的任務(wù)進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分發(fā),因此,需要在高性能計(jì)算中開展大吞吐率數(shù)據(jù)的分發(fā)、轉(zhuǎn)換和處理等方面的研究。

4)綜合一體化可重構(gòu)軟件體系架構(gòu)

系統(tǒng)功能主要由軟件來定義,軟件方案應(yīng)支持系統(tǒng)各種功能實(shí)現(xiàn)所需的存儲(chǔ)、輸入/輸出、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理能力,系統(tǒng)在需要完成新任務(wù)或需要增加新功能時(shí),只要當(dāng)前硬件資源足以完成這項(xiàng)工作,那么只需要加裝新的軟件組件即可,在資源升級(jí)或增加新資源時(shí),不需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)或改寫大量軟件。

為了保證程序的可靠性,提高軟件的可維護(hù)性和可移植性,有必要將應(yīng)用軟件與基礎(chǔ)軟件間的接口標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,使基礎(chǔ)軟件(操作系統(tǒng))與應(yīng)用軟件相對(duì)隔離,系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能軟件隔離,實(shí)現(xiàn)軟件的模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)應(yīng)采用開放式軟件架構(gòu),采用分層形式,包括模塊支持層(MSL)、操作系統(tǒng)層(OS)、中間件層和應(yīng)用軟件層,通過系統(tǒng)藍(lán)圖進(jìn)行配置和管理。

4 結(jié)束語

在軍事需求的有力推動(dòng)下,多功能綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)已成為降低機(jī)載、艦載等受限平臺(tái)中信息系統(tǒng)體積、重量、成本,提高信息系統(tǒng)電磁兼容性、可靠性的主要發(fā)展方向。本文結(jié)合軍事應(yīng)用和工程實(shí)現(xiàn),深入分析了多功能綜合射頻系統(tǒng)的技術(shù)體制、工作頻段、陣面體制、系統(tǒng)架構(gòu),提出了在作戰(zhàn)應(yīng)用和工程實(shí)現(xiàn)方面更具可行性的系統(tǒng)架構(gòu),并對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析探討,為多功能綜合射頻系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)提供參考。

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