李 旭，肇 格

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036;2.戰(zhàn)略支援部隊 航天系統(tǒng)部裝備項目管理中心，北京 100094)

0 引 言

相控陣測控系統(tǒng)是在同一時刻將不同通道的信號進行幅度、相位加權(quán)，從而實現(xiàn)信號在天線遠場形成波束精確指向的功能[1]。為了實現(xiàn)這一目的，需要有兩個前提條件:第一，所有通道信號必須同一時刻在同一工作時鐘下由同一觸發(fā)信號進行觸發(fā)加權(quán)，這就涉及到不同通道的時頻信號傳輸設(shè)計；第二，所有通道必須精確地進行幅度和相位加權(quán)，所以相控陣測控系統(tǒng)必須進行所有通道的幅度、相位精確標校，這就涉及到不同通道的標校信號傳輸設(shè)計問題[2]。

為了獲得足夠大的天線增益和作用距離，相控陣測控系統(tǒng)的一個最重要形態(tài)特點是信號通道規(guī)模巨大，直徑數(shù)米的相控陣測控系統(tǒng)通道數(shù)目通?？蛇_成千上萬個。性能良好的時頻及標校信號傳輸網(wǎng)絡(luò)既是相控陣測控系統(tǒng)設(shè)計中的難點，也是相控陣測控系統(tǒng)設(shè)計中的核心，一個性能優(yōu)異的相控陣測控系統(tǒng)必須要有一個性能可靠、設(shè)計合理、維修使用方便的時頻及標校網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。隨著相控陣測控系統(tǒng)的集成度越來越高、通道數(shù)越來越多，高集成度時頻標校分發(fā)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計也顯得越來越迫切。

在相控陣測控系統(tǒng)的設(shè)計中，一般將幾十個通道合并為一個小規(guī)模子陣進行信號處理，所以時頻及標校信號傳輸一般以子陣為單位進行傳輸設(shè)計，這樣可以大大減少時頻及標校網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，也可以有效提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。本文以一個1 344通道規(guī)模的相控陣測控系統(tǒng)為例進行說明。在該相控陣測控系統(tǒng)中以12個通道作為一個子陣單元，共有112子陣，所以需要設(shè)計一個112條鏈路的時頻及標校鏈路傳輸網(wǎng)絡(luò)[3]。

1 傳統(tǒng)相控陣測控系統(tǒng)時頻信號傳輸設(shè)計

相控陣測控系統(tǒng)的時頻信號一般由系統(tǒng)工作時鐘信號和同步觸發(fā)信號兩個信號組成，工作時鐘信號為標準的正弦波信號，頻率一般為90 MHz、240 MHz、500 MHz或者更高；同步觸發(fā)信號一般是頻率為10 Hz、100 Hz、1 MHz的周期脈沖信號，脈寬一般為10 ns、100 ns等。本節(jié)以一個工作時鐘信號頻率為240 MHz、同步觸發(fā)信號為10 Hz的相控陣測控系統(tǒng)為例來說明時頻信號分發(fā)傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

在傳統(tǒng)的相控陣測控系統(tǒng)中，工作時鐘信號和同步觸發(fā)信號分發(fā)網(wǎng)絡(luò)需要分別進行設(shè)計。

一種典型的112路時鐘信號分發(fā)網(wǎng)絡(luò)如圖 1所示，該時鐘分發(fā)網(wǎng)絡(luò)由多個功分器和傳輸線纜組成，主要包括14個八路功分器和配套的126根穩(wěn)相電纜組件。八路功分器用于240 MHz時頻信號的分配，14個功分器分別將240 MHz時鐘插箱輸出的14路240 MHz信號等相位地分配到112個天線子陣。典型的同步觸發(fā)信號分發(fā)一般通過多片現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)進行低電壓正電源射極耦合邏輯(Low Voltage Positive Power Emitter Coupling Logic,LVPECL)電平形式的信號分發(fā)，然后再通過112根穩(wěn)相差分線纜將同步觸發(fā)信號分發(fā)到112個天線子陣。

圖1 時鐘信號分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的時頻分配網(wǎng)絡(luò)的主要缺點在于設(shè)備組成復(fù)雜，線纜繁多，多個功分器不便于安裝，相位一致性難以保證，后期設(shè)備的維護性較差。

2 傳統(tǒng)相控陣測控系統(tǒng)標校信號傳輸設(shè)計

相控陣測控系統(tǒng)的標校信號由接收鏈路的下行標校信號和發(fā)射鏈路的上行標校信號兩個信號組成，在傳統(tǒng)的相控陣測控系統(tǒng)中上下行標校信號傳輸網(wǎng)絡(luò)需要分別進行設(shè)計。上行標校信號傳輸網(wǎng)絡(luò)用于發(fā)射鏈路校準，接收發(fā)射通道耦合回來的射頻信號，濾波放大后經(jīng)過開關(guān)選擇輸出給后端處理設(shè)備和參考信號做幅度相位比較。下行標校信號傳輸網(wǎng)絡(luò)用于接收鏈路校準，接收后端處理設(shè)備輸出的下行射頻信號，經(jīng)過開關(guān)選擇輸出給接收鏈路的耦合通道，再通過接收鏈路接收以后和后端處理設(shè)備的參考信號做幅度相位比較[4-7]。

一種典型的112路標校信號分發(fā)網(wǎng)絡(luò)如圖 2所示，該標校信號分發(fā)網(wǎng)絡(luò)由多個開關(guān)和傳輸線纜組成，主要包括2個一選二開關(guān)、14個一選八開關(guān)和配套的131根穩(wěn)相電纜組件。在該標校網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)射校準和接收校準分時工作，每個發(fā)射鏈路或接收鏈路也是通過多極開關(guān)組合分時進行工作。上行發(fā)射鏈路校準時，通過系統(tǒng)監(jiān)控將某一路的發(fā)射耦合信號通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)送到后端處理設(shè)備進行信號處理。下行接收鏈路標校是上行發(fā)射鏈路標校的反向流程，后端處理設(shè)備通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)分時將接收校準信號送到陣面上的112個天線子陣。

圖2 標校信號分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的標校信號分配網(wǎng)絡(luò)的主要缺點在于設(shè)備組成復(fù)雜，線纜繁多，多路選擇開關(guān)不便于安裝，相位一致性難以保證，后期設(shè)備的維護性較差。

3 新型相控陣測控系統(tǒng)時頻及標校信號一體化光傳輸設(shè)計

為了解決傳統(tǒng)的相控陣測控系統(tǒng)時頻及標校信號分配傳輸網(wǎng)絡(luò)存在的上述問題，在新一代相控陣測控系統(tǒng)中提出了時頻及標校信號一體化光傳輸?shù)脑O(shè)計方案。采用光纖及光學(xué)器件完成時頻和標校信號的傳輸及分發(fā)，由于待傳輸?shù)臅r頻信號為電信號，因此首先需要對其中的各路電信號進行電光轉(zhuǎn)換，將電信號調(diào)制到光載波上，完成信號的加載，采用波分復(fù)用技術(shù)合為一路后利用單模單芯光纖和光分路器完成光信號的多路分配，將時頻及標校信號分發(fā)到不同的天線子陣。

3.1 一體化光傳輸框架設(shè)計

如前文所述，相控陣測控系統(tǒng)中的時頻信號主要由分發(fā)到各個子陣的系統(tǒng)時鐘信號(Clock Signal，CLK)和同步觸發(fā)信號(Synchronization Signal，SYNC)兩個信號組成，標校信號主要由分發(fā)到各個子陣的接收通道標校射頻信號(Radio Frequency,RF)RF1和由各個子陣發(fā)射通道耦合輸出的發(fā)射標校射頻信號RF2組成。新型時頻及標校信號一體化光傳輸設(shè)備組成框圖如圖 3所示，主要實現(xiàn)方式是通過一根光纖復(fù)用傳輸完成對四路信號(RF1、RF2、CLK、SYNC、)的雙向分配和傳輸，其中時鐘信號CLK、同步觸發(fā)信號SYNC和接收鏈路標校信號RF1是從后端設(shè)備分配傳輸?shù)较嗫仃嚋y控系統(tǒng)陣面上的每個子陣，發(fā)射鏈路標校信號RF2是從相控陣測控系統(tǒng)陣面上的每個子陣反向傳輸?shù)胶蠖嗽O(shè)備。

圖3 時頻光分發(fā)及傳輸設(shè)備組成示意圖

如圖3所示，光發(fā)射插箱將上行三路時頻及標校信號進行電-光轉(zhuǎn)換,調(diào)制為三路光信號。三路光信號先通過密集波分復(fù)用(Dense Wave Length Division Multiplexing,DWDM)為一根光纖，由光放大器進行光功率放大，再經(jīng)稀疏波分復(fù)用(Coarse Wave Length Division Multiplexing,CWDM)器與反向傳輸?shù)陌l(fā)射鏈路標校光信號復(fù)用為單根光纖傳輸。波分復(fù)用器解出單根光纖中的發(fā)射標校光信號RF2，經(jīng)光放大器進行光功率放大，最后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后輸出一路下行發(fā)射標校電信號[8]。下行的發(fā)射標校信號是時隙工作模式，即在同一時刻有且僅有一路RF2信號從某個子陣的光接收處理模塊發(fā)出。CWDM復(fù)用技術(shù)原理示意圖及四路光信號典型復(fù)用的光波長分配如圖4所示。

圖4 波分復(fù)用單芯光纜傳輸方案原理框圖

在一些更為復(fù)雜的相控陣測控系統(tǒng)中，除了上下行的時頻和標校信號外可能還需要傳輸更多的其他信號，如圖3所示的一體化光傳輸框架擴展性強，可以支持多路光信號的上下行同時傳輸，經(jīng)過簡單的擴展即可增加光傳輸鏈路規(guī)模，該框架可滿足小中大各種規(guī)模相控陣測控系統(tǒng)的上下行信號一體化傳輸要求。

3.2 性能指標對比

時頻及標校信號一體化光傳輸設(shè)計方案和傳統(tǒng)的電纜分配網(wǎng)絡(luò)相比，除了具有設(shè)備簡單以外，在具體的電性能、經(jīng)濟成本和安裝維護便捷性上也具有優(yōu)異的表現(xiàn)。

3.2.1 相位溫度穩(wěn)定性

相控陣測控系統(tǒng)對于傳輸?shù)臅r頻和標校信號的溫度相位一致性有很高要求，如果傳輸信號隨溫度變化導(dǎo)致相位變化則會直接影響相控陣測控系統(tǒng)的合成增益。我們對比測試了傳統(tǒng)的電纜分配傳輸方案和新型的光纜一體化傳輸方案在S頻段(以2 590 MHz為例)溫度相位穩(wěn)定性，測試數(shù)據(jù)如圖5和圖 6所示。

圖5 溫度相位一致性變化曲線

如圖5所示，橫坐標“溫度值_測試次數(shù)”表示在該溫度下電纜或者光纜的第幾次測量相位值，如“40 ℃_2”表示在40 ℃下電纜或者光纜的第2次測量相位值。為了增加測量數(shù)據(jù)的可信度，在每個溫度點均對各線纜進行了兩個溫度測量。

如圖6所示，在15 ℃～45 ℃的環(huán)境范圍內(nèi)，采用穩(wěn)相光纜傳輸?shù)姆桨赶辔粶囟确€(wěn)定性遠遠高于傳統(tǒng)的線纜傳輸方案。

圖6 不同溫度范圍相位變化量比較

3.2.2 成本經(jīng)濟型

以上文討論的112個子陣規(guī)模的相控陣測控系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)的電纜分配傳輸和新型光纖一體化傳輸方案的成本比較如表 1所示，可見新型的相控陣測控系統(tǒng)視頻和標校一體化傳輸方案經(jīng)濟成本可以節(jié)約30%～40%，隨著相控陣測控系統(tǒng)規(guī)模的增大，成本優(yōu)勢將更加明顯。

表1 光纜傳輸和電纜傳輸成本比較

表1(續(xù))

3.2.3 安裝及維護性

光纜與電纜材質(zhì)不同，光纜以玻璃質(zhì)纖維為導(dǎo)體，電纜以金屬材質(zhì)(大多為銅)為導(dǎo)體，它們的主要參數(shù)如表2所示。

表2 穩(wěn)相光纜與穩(wěn)相電纜主要參數(shù)比較

由表2可知，穩(wěn)相光纜的質(zhì)量和外徑均小于穩(wěn)相線纜，質(zhì)量的減小帶來的直接好處就是可以減少天線陣面的重力負荷，便于施工及后續(xù)維護。以10 m的傳輸距離來看，1根穩(wěn)相電纜質(zhì)量約1 kg，電纜時頻及標校傳輸方案的總線纜質(zhì)量約為369 kg，一根穩(wěn)相光纜的質(zhì)量約為0.3 kg，整個光纜傳輸?shù)木€纜總質(zhì)量僅為33.6 kg，約為電纜傳輸線纜總質(zhì)量的1/10。

現(xiàn)在的相控陣測控系統(tǒng)集成度越來越高，帶來的問題就是內(nèi)部的走線空間越來越小，所以穩(wěn)相光纜還有一個巨大的優(yōu)勢就是其外徑小，材質(zhì)柔軟，穩(wěn)相光纜的彎曲半徑遠小于穩(wěn)相線纜，這就為施工、設(shè)計、維護帶來了巨大的操作方便性[9]。

4 結(jié) 論

本文針對相控陣測控系統(tǒng)時頻和標校信號傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計需求，分析了傳統(tǒng)相控陣測控系統(tǒng)時頻及標校信號傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計存在的相位一致性差、安裝復(fù)雜、價格高昂、后期維護性較差等問題，設(shè)計了一種新型相控陣測控系統(tǒng)時頻及標校信號一體化光傳輸網(wǎng)絡(luò)。實驗測試數(shù)據(jù)分析和工程實例表明該新型光傳輸網(wǎng)絡(luò)在性能、成本、可擴展性以及安裝維護等方面均比傳統(tǒng)設(shè)計有明顯提升。時頻及標校信號一體化光傳輸設(shè)計除了上述優(yōu)點外還具有抗電磁干擾能力強、傳輸損耗小等一系列優(yōu)點。

隨著相控陣測控系統(tǒng)的口徑越來越大，通道數(shù)越來越多，集成度越來越高，時頻及標校信號的傳輸路徑也越來越長。目前一些大型相控陣測控系統(tǒng)的時頻標校信號傳輸路徑已達幾十米到一百米，一體化光纜傳輸?shù)膬?yōu)勢也就越來越明顯，尤其隨著現(xiàn)在各種曲面賦形相控陣測控系統(tǒng)的發(fā)展，極小空間內(nèi)的時頻標校信號傳輸設(shè)計需求也越來越迫切。本文提出的時頻及標校信號一體化光傳輸設(shè)計能夠為新型相控陣測控系統(tǒng)的工程設(shè)計提供參考。