一種S波段雷達-通信一體化數(shù)字陣列模塊的設(shè)計

畢　勝，張德智

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

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一種S波段雷達-通信一體化數(shù)字陣列模塊的設(shè)計

畢勝，張德智

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境的需要，多功能、一體化電子系統(tǒng)應(yīng)運而生。針對雷達-通信一體化的軍事需求，詳細介紹了一種S波段數(shù)字陣列模塊的設(shè)計。該模塊采用綜合射頻前端的方式，共用射頻收發(fā)和數(shù)字收發(fā)單元，將雷達和通信收發(fā)通道綜合起來進行一體化設(shè)計，為工程實現(xiàn)提供了依據(jù)。

數(shù)字陣列模塊；綜合射頻前端；雷達-通信一體化

0　引　言

長期以來，雷達系統(tǒng)和通信系統(tǒng)各自獨立縱向地發(fā)展。但是,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展雷達系統(tǒng)和通信系統(tǒng)之間的差別越來越小。雷達和通信系統(tǒng)的構(gòu)成原理相同，都是通過電磁波的發(fā)射和接收過程實現(xiàn)其功能。在系統(tǒng)組成上，兩者的子系統(tǒng)都包括諸如天線、發(fā)射機、接收機、信號處理器等類似設(shè)備。在信號特點上，兩者的信號已變得越來越趨于相同，頻率范圍互有重疊，而信號特征也不再明顯不同[1]。所以，兩者的硬件和軟件資源共享是可行的，而且將雷達和通信實現(xiàn)多功能一體化設(shè)計可極大地提高系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力，在實現(xiàn)雷達功能多樣化的同時使雷達的優(yōu)良性能為通信所用，提高通信的質(zhì)量[2-3]。

在實現(xiàn)方式上，隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)集成技術(shù)的飛速發(fā)展，多功能射頻綜合系統(tǒng)日益成為未來戰(zhàn)場電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[4]。對于雷達-通信一體化，此種多功能射頻綜合系統(tǒng)將基于綜合射頻前端這一共用的射頻硬件平臺，通過軟件編程、動態(tài)配置使系統(tǒng)具備雷達和通信等不同的功能[5]。簡而言之，雷達系統(tǒng)和通信系統(tǒng)可以通過硬件一體化，即共享天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的部分或全部[1]；也可以通過軟件一體化，即通信信號經(jīng)過擴頻處理后，加載到雷達信號上，通過雷達信號的發(fā)射傳輸進而實現(xiàn)雷達-通信一體化[6]。

1　面向DAR的雷達-通信一體化數(shù)字陣列模塊

數(shù)字陣列雷達(DAR)是一種在有源相控陣?yán)走_基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新體制雷達，具有大的動態(tài)范圍、容易實現(xiàn)多波束、可制造性強、系統(tǒng)任務(wù)可靠性高等優(yōu)點[7]。數(shù)字陣列模塊(Digital Array Module)，簡稱“DAM”，作為數(shù)字陣列雷達中的基本單元，是一種采用集成化和數(shù)字化技術(shù)將多個收發(fā)通道集成的數(shù)字化雷達前端模塊。

近年來，數(shù)字陣列模塊的研究日益深入廣泛。2008年，胡坤嬌介紹了米波段數(shù)字陣列雷達中應(yīng)用的一種米波段DAM[8]。2012年，劉曉政等介紹了一種C波段數(shù)字陣列模塊的設(shè)計與研究情況[9]。2014年，王才華等介紹了一種S波段數(shù)字陣列模塊的研制情況[10]。為滿足數(shù)字陣列雷達功能的應(yīng)用需求，上述文章主要論述了多個波段數(shù)字陣列模塊的成功研制情況。

但是，縱觀信息化戰(zhàn)爭的發(fā)展趨勢，作戰(zhàn)飛機、作戰(zhàn)艦艇等平臺正在逐步裝備雷達、通信和電子戰(zhàn)等多種信息系統(tǒng)。這在對數(shù)字陣列雷達提出新要求的同時也對數(shù)字陣列模塊提出了新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合雷達-通信功能一體化的應(yīng)用需求，面向數(shù)字陣列雷達，將綜合射頻前端設(shè)計方式引入數(shù)字陣列模塊的設(shè)計，在實現(xiàn)雷達系統(tǒng)-通信系統(tǒng)硬件一體化的基礎(chǔ)上介紹一種雷達-通信一體化設(shè)計的數(shù)字陣列模塊。

2　雷達-通信一體化數(shù)字陣列模塊的實現(xiàn)

雷達-通信一體化數(shù)字陣列模塊是基于分時體制用以實現(xiàn)雷達數(shù)字化收發(fā)和通信數(shù)字化收發(fā)功能的，即由數(shù)字陣列模塊完成雷達和通信發(fā)射通道的數(shù)字波形產(chǎn)生、變頻、濾波和功率放大，以及雷達和通信接收通道的低噪聲放大、濾波、變頻和數(shù)字化接收等功能。其功能組成框圖如圖1所示。

圖1　一體化DAM功能組成框圖

2.1綜合射頻前端

綜合射頻前端的設(shè)計方式，指在頻域上通過收發(fā)通道的共用，實現(xiàn)多個不同收發(fā)頻段的覆蓋，有效地降低重量和成本；在時域上通過時序的合理調(diào)配或輔以相應(yīng)的電磁兼容設(shè)計，完成同時或分時多種任務(wù)和多種角色的切換；在空域上通過天線的共孔徑或?qū)拵Ъ夹g(shù)，完成射頻孔徑的完全或局部綜合，在提升天線孔徑利用率的同時支撐多功能系統(tǒng)的實現(xiàn)。

在本文中，為了實現(xiàn)雷達-通信一體化，引入綜合射頻前端的設(shè)計方式，在綜合考慮時間分配、電磁兼容、工作帶寬及交調(diào)抑制等的基礎(chǔ)上，盡可能多地共用硬件和軟件資源，構(gòu)建數(shù)字陣列模塊這一數(shù)字陣列雷達的基本單元。綜合射頻前端實現(xiàn)的主要功能包括雷達和通信的多通道接收、多通道中頻信號的數(shù)字化及預(yù)處理，以及雷達和通信的多通道波形產(chǎn)生等。

2.2一體化DAM的組成

雷達-通信一體化數(shù)字陣列模塊采用中頻采樣方式，其內(nèi)部主要由如下單元組成：

(1) 一體化射頻收發(fā)單元：完成雷達和通信射頻信號的模擬接收和發(fā)射；

(2) 一體化數(shù)字收發(fā)單元：完成雷達和通信兩種模式下接收中頻信號的模/數(shù)變換和解調(diào)，發(fā)射中頻激勵信號的產(chǎn)生，并完成DAM和整機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；

(3) 一體化本振功分單元：完成雷達和通信收發(fā)所需本振信號的多路功分，并送至各一體化射頻收發(fā)單元的本振輸入口；

(4) DC/DC電源模塊：完成一體化射頻收發(fā)單元和一體化數(shù)字收發(fā)單元的供電。

3　雷達-通信一體化數(shù)字陣列模塊的設(shè)計

3.1一體化射頻收發(fā)單元

文中的一體化DAM中共集成了8個一體化射頻收發(fā)單元，其功能組成框圖如圖2所示，包括限幅低噪聲放大器、功率放大器、變頻電路、環(huán)行器和濾波器組等模塊。此種單元主要完成雷達和通信發(fā)射激勵信號的頻率變換、功率放大，并完成雷達回波信號和通信信號的低噪聲接收、頻率變換等功能。

圖2　一體化射頻收發(fā)單元組成框圖

一體化射頻收發(fā)單元基于完全相同的模擬收發(fā)通道，在共用寬帶低噪聲放大器、寬帶功率放大器、變頻電路和濾波器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)雷達和通信收發(fā)功能的一體化。在設(shè)計中，由于雷達和通信電子系統(tǒng)對各自信號指標(biāo)的要求不同，發(fā)射時在滿足雷達飽和大功率輸出的同時對于通信進行回退，基于通道增益的合理分配，使得功率放大器工作在線性區(qū)，保證了通信所需的較高線性度。對于變頻電路，一體化DAM采用有源混頻方式，收發(fā)增益控制電路也集成于其中；相對無源混頻，集成度和可靠性均得以提高。此外，由于一體化DAM采用中頻采樣方式，雷達和通信的中頻選取保持一致，以利于中頻濾波器的設(shè)計和共用。

3.2一體化數(shù)字收發(fā)單元

一體化數(shù)字收發(fā)單元包括一體化數(shù)字接收機、數(shù)字波形產(chǎn)生和光電轉(zhuǎn)換模塊，集成在一塊數(shù)字電路板中，實現(xiàn)8通道雷達和通信中頻激勵信號的數(shù)字波形產(chǎn)生、8通道雷達回波信號和通信信號的數(shù)字接收下變頻、數(shù)據(jù)的高速傳輸功能。其功能組成框圖如圖3所示。

圖3　一體化數(shù)字收發(fā)單元組成框圖

軟件無線電( SDR)是指一種全部可軟件編程并具有最大靈活性無線電平臺的無線電，在盡可能靠近天線的地方通過寬帶模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換器完成信號的數(shù)字化，然后用軟件定義并實現(xiàn)無線設(shè)備的功能。一體化數(shù)字接收機的設(shè)計正是基于軟件無線電思想。它采用中頻數(shù)字化、數(shù)字解調(diào)產(chǎn)生基帶I/Q信號的方案，即中頻信號首先在ADC中進行模數(shù)變換，再由FPGA在數(shù)字域完成濾波、抽取和IQ分離等處理，其基本實現(xiàn)框圖如圖4所示?；诶走_信號和通信信號的功率和帶寬有所區(qū)別。根據(jù)信號樣式和具體工作模式，采用基于可重配置多相濾波器組的通用架構(gòu)，實現(xiàn)濾波器系數(shù)的動態(tài)重加載以及抽取比的可變，最大化共用硬件處理資源。關(guān)于一體化數(shù)字接收機的架構(gòu)，存在兩種方式：一種是雷達和通信接收中頻信號送各自獨立的A/D進行處理，另一種是雷達和通信接收共用A/D。綜合考慮通信信號的中頻頻率、帶寬、系統(tǒng)指標(biāo)及A/D芯片指標(biāo)，本文選擇雷達接收和通信接收共用A/D的方式。

圖4　一體化數(shù)字接收機實現(xiàn)框圖

由于DDS難以產(chǎn)生復(fù)雜的通信波形信號，雷達和通信中頻激勵信號的產(chǎn)生只能采用基于DAC的任意波形產(chǎn)生方式，在數(shù)字域分別產(chǎn)生雷達波形和通信調(diào)制波形，同時可實現(xiàn)幅度、相位和時延的高精度實時調(diào)制。雷達-通信一體化波形產(chǎn)生的基本原理如圖5所示。對于常規(guī)雷達波形產(chǎn)生，基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)的基本原理，以數(shù)控振蕩器(NCO)為核心固件，較易產(chǎn)生脈沖點頻、線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻及相位編碼等中頻調(diào)制信號。對于通信信號，基于軟件無線電基本架構(gòu)，采用數(shù)字正交調(diào)制方式，在數(shù)字域中完成編碼、成型濾波和數(shù)字上變頻等處理，理論上可以產(chǎn)生任意復(fù)雜的中頻通信信號。

圖5一體化波形產(chǎn)生實現(xiàn)框圖

為了實現(xiàn)快速、實時、可靠的數(shù)據(jù)交互，一體化DAM與系統(tǒng)之間采用光纖進行連接，即通過集成在一體化數(shù)字收發(fā)單元的光電轉(zhuǎn)換模塊完成大容量數(shù)據(jù)的高速傳輸。雷達和通信發(fā)射時，對應(yīng)各射頻單元的幅相控制字、模式工作字及信源數(shù)據(jù)等由系統(tǒng)送入一體化DAM。雷達和通信接收時，各射頻單元的數(shù)字正交回波信號在預(yù)處理后由一體化DAM送入后端信號處理系統(tǒng)。此種基于光纖的連接方式不僅極大地簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，而且在抗干擾和穩(wěn)定性方面都具有不可比擬的優(yōu)勢。

3.3一體化本振功分單元

一體化DAM中，射頻模擬信號的頻率變換均采用一次有源混頻予以實現(xiàn)，故須將雷達和通信各自所需的本振信號功分至8個一體化射頻收發(fā)單元使用。此功能由一體化本振功分單元予以實現(xiàn)。

在設(shè)計中，雷達和通信的本振功率分配網(wǎng)絡(luò)使用微波帶狀線結(jié)構(gòu)，并采用多層微帶板電路取代傳統(tǒng)的單層微帶板電路，兩個功分網(wǎng)絡(luò)立體層壓成一體，提高數(shù)字陣列模塊的集成度、穩(wěn)定性和可靠性。

3.4電源實現(xiàn)

對于供電，一體化DAM采用高電壓直流輸入，內(nèi)部集成DC/DC電源模塊，變換至各射頻收發(fā)和數(shù)字收發(fā)單元所需直流電壓的方式。此種供電方式簡化了接口，減少了傳輸損耗，有助于提高整個系統(tǒng)的效率。

在設(shè)計中，為了獲得良好的電磁兼容特性，DC/DC電源模塊采取模擬、數(shù)字收發(fā)電源輸出隔離的方式。對于文中的一體化DAM，8個一體化射頻收發(fā)單元和8個一體化數(shù)字收發(fā)單元分別由一個獨立的DC/DC電源模塊進行供電。

3.5電磁兼容設(shè)計

對于雷達-通信一體化數(shù)字陣列模塊，電磁環(huán)境比較復(fù)雜，呈現(xiàn)空域縱橫交錯、頻域密集交疊的特點。在設(shè)計中，一方面設(shè)置大功率器件等干擾源的對外屏蔽、敏感源的保護及各通道之間的相互隔離，做好電磁屏蔽；另一方面，對各種干擾頻譜成份進行抑制，包括針對雷達、通信本振信號及可能產(chǎn)生的相互交調(diào)信號，做好干擾濾波抑制。

3.6設(shè)計指標(biāo)

本文設(shè)計的S波段雷達-通信一體化數(shù)字陣列模塊所達到的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1　一體化模塊的設(shè)計實現(xiàn)指標(biāo)

4　結(jié)束語

隨著高新武器技術(shù)的發(fā)展，多功能、多任務(wù)、綜合化日益成為武器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文結(jié)合雷達-通信兩種不同功能的軍事需求，基于綜合射頻前端的方式，介紹了一種雷達-通信一體化數(shù)字陣列模塊的設(shè)計實現(xiàn)方法，為多功能射頻收發(fā)模塊的設(shè)計分析和工程實現(xiàn)提供參考。

[1]張明友.雷達-電子戰(zhàn)-通信一體化概論[M].北京：國防工業(yè)出版社,2010:30-32.

[2]鄒廣超,劉以安,等. 雷達-通信一體化系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機仿真,2011,28(8):1-4.

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Design of an S-band digital array module with radar and communication integration

BI Sheng, ZHANG De-zhi

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

In order to meet the requirements of modern warfare environment, a number of multifunctional integrated electronic systems emerge. According to the military demands of the integration of radar and communication systems, an S-band digital array module (DAM) is introduced in detail. The module adopts the integrated RF front end with common RF and digital TR units. The integrated design is made by integrating transmit and receive channels of radar and communication, providing the basis for engineering implementation.

DAM; integrated RF front end; radar and communication integration

2016-04-12；

2016-04-30

畢勝(1979-)，男，工程師，博士，研究方向：雷達微波系統(tǒng)及DAM；張德智(1970-)，男，研究員，研究方向：雷達微波系統(tǒng)及DAM。

TN957

A

1009-0401(2016)03-0001-04