星載有源相控陣微波組件標(biāo)準(zhǔn)體系初探

孫寧 王祖兵

（中國電子科技集團(tuán)公司38所，合肥，230088）

星載雷達(dá)以衛(wèi)星作為探測平臺，可實現(xiàn)雷達(dá)成像、地面動目標(biāo)識別 （GMTI）和空中動目標(biāo)識別 （AMTI）等多種工作模式，能不受氣候和作戰(zhàn)環(huán)境的影響，不間斷地對陸、海、空、天目標(biāo)進(jìn)行全方位的實時偵察[1]。星載雷達(dá)作為獲取信息的核心裝備，在國家戰(zhàn)略防御預(yù)警系統(tǒng)中具有重要地位，現(xiàn)已成為當(dāng)今世界各航天軍事大國在發(fā)展空間平臺偵察系統(tǒng)方面的研究重點(diǎn)。

星載雷達(dá)任務(wù)要求高、系統(tǒng)復(fù)雜，采用有源相控陣體制，可實現(xiàn)靈活的波束形成以滿足星載雷達(dá)對波束寬度和波束指向的要求，且該體制下天線的可靠性極大的增強(qiáng)，尤其適應(yīng)空間環(huán)境的應(yīng)用。相控陣?yán)走_(dá)的星載應(yīng)用是大勢所趨。星載有源相控陣微波組件設(shè)備是決定星載有源相控陣?yán)走_(dá)性能的最重要、最復(fù)雜和最昂貴的子系統(tǒng)，確保其在軌可靠、正常工作是關(guān)系到整個飛行任務(wù)能否完成的關(guān)鍵。

1 星載有源相控陣微波組件組成

星載有源相控陣微波組件設(shè)備是決定星載有源相控陣?yán)走_(dá)性能的子系統(tǒng)，一般包括：有源數(shù)字陣列組件、分布式頻率源、有源綜合配電、高速數(shù)據(jù)傳輸接口和數(shù)字收發(fā)等組件。不同頻率的星載有源相控陣微波組件的設(shè)計方案、物理組成均不相同，因此星載有源相控陣微波組件多難以做到通用化，需根據(jù)不同雷達(dá)的使用需求進(jìn)行分別設(shè)計。

“有源數(shù)字陣列組件”是一種集成化和數(shù)字化技術(shù)，將射頻收發(fā)單元、本振功分單元、中頻數(shù)字收發(fā)單元、分布式電源、集中式電源、分布式參考源等電路整合并一體化設(shè)計，完成雷達(dá)數(shù)字化收發(fā)、數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)傳輸功能的新型多通道收發(fā)模塊。有源數(shù)字陣列組件具有雷達(dá)多通道射頻回波數(shù)字化接收和發(fā)射信號數(shù)字化產(chǎn)生的功能[2]。

“分布式頻率源”是在原先集中式頻率源的基礎(chǔ)上提出的一種新型微波部件，將頻率源分布到各收發(fā)單元，有效提高了航天任務(wù)的可靠性。頻率源是各種電子設(shè)備的基礎(chǔ)，是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備。在雷達(dá)、制導(dǎo)武器、電子對抗、電子測量儀器和移動通信等電子系統(tǒng)都對頻率源提出了越來越高的要求。越來越多的收發(fā)分置及收發(fā)共用裝置應(yīng)用在雷達(dá)、通信和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域，對頻率源的穩(wěn)定性要求大大提高。

基于多功能板的 “有源綜合配電”在有源相控陣?yán)走_(dá)中起著信號中樞的作用。多功能板一般采用微波、數(shù)字復(fù)合基板，實現(xiàn)了集寬帶多通道射頻功分/合成網(wǎng)絡(luò)、波控電路、電源轉(zhuǎn)換供給等集多種電路于一體的功能。有源綜合配電具有高集成度、高可靠性、小型化等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于中型及大規(guī)模相控陣?yán)走_(dá)中。

在有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是其重要的組成部分。由于有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)具有信息量大、實時性要求高等特點(diǎn)，所以數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中采用何種高速數(shù)據(jù)傳輸接口技術(shù)至關(guān)重要，高性能的數(shù)據(jù)傳輸接口技術(shù)對實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸、提高整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能具有重要意義。

有源相控陣?yán)走_(dá)的核心是接收和發(fā)射波束均在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，其基本原理是發(fā)射波束利用DDS（直接數(shù)字合成）器件的高精度幅相控制能力，將波形產(chǎn)生和發(fā)射信號幅相控制融為一體設(shè)計，通過控制數(shù)字波形的相位和幅度來實現(xiàn)發(fā)射波束的空間調(diào)控；接收波束則是在中頻回波數(shù)字化之后，進(jìn)行數(shù)字I/Q變換，形成基帶數(shù)字I/Q信號，然后在數(shù)字域進(jìn)行幅相加權(quán)，具有幅相控制精度高、能夠全空域同時收發(fā)多波束、自適應(yīng)零點(diǎn)形成等特點(diǎn)。

2 星載有源相控陣微波組件標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析

隨著基于有源相控陣的星載雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，微波組件的重要性越來越凸顯出來。星載雷達(dá)同地面雷達(dá)相比，會遇到更加復(fù)雜的環(huán)境問題，需要將傳統(tǒng)的有源微波組件技術(shù)針對空間環(huán)境開展更多適應(yīng)性研究。衛(wèi)星的發(fā)射成本巨大，星載有源相控陣微波組件的造價也非常高，上天以后，一旦出現(xiàn)故障無法維修，只能報廢。因此，對星載有源相控陣微波組件的可靠性要求十分苛刻。有源相控陣微波組件的星載應(yīng)用相比地面和航空，需要具備更強(qiáng)的生存能力、更好的溫度特性，抗輻照、抗震動能力及輕型化等方面要求很高，同時具有很高的可靠性，并且能夠在沒有人工干預(yù)的情況下長期工作。在星載有源相控陣微波組件技術(shù)飛速發(fā)展和深化應(yīng)用的過程中，越來越迫切要求我們開展標(biāo)準(zhǔn)體系研究工作，制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而支撐星載有源相控陣微波組件技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。

“型號研制，標(biāo)準(zhǔn)先行”。在國家的大力支持下，多家單位相繼開展了星載有源相控陣?yán)走_(dá)的研制，為規(guī)范星載有源相控陣?yán)走_(dá)的研制，早日實現(xiàn)工程應(yīng)用。因此，筆者認(rèn)為我國有必要針對星載有源相控陣微波組件標(biāo)準(zhǔn)缺失問題，面向有源數(shù)字陣列組件、分布式頻率源、有源綜合配電、高速數(shù)據(jù)傳輸接口和數(shù)字收發(fā)等核心有源微波組件，開展標(biāo)準(zhǔn)體系研究工作，形成覆蓋設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試和試驗等全壽命周期的、較完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.1 通用規(guī)范

“通用規(guī)范”作為訂購方與承制方簽訂合同、交付驗收的依據(jù)，通常規(guī)定訂購對象的功能要求、性能要求、指標(biāo)體系和測試方法等內(nèi)容。目前，我國有源相控陣微波組件相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)多為通用規(guī)范。我國有源相控陣微波組件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)多適用于多平臺，專門針對星載平臺編制的標(biāo)準(zhǔn)較少。目前共搜集有源相控陣微波組件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)5項，見表1。針對星載有源綜合配電和高速數(shù)據(jù)傳輸接口，目前尚沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。

2.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

星載有源相控陣微波組件的設(shè)計過程是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括系統(tǒng)設(shè)計、各組件設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計等內(nèi)容。而這些設(shè)計內(nèi)容的具體設(shè)計過程和實現(xiàn)方式由 “設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定。 “設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”是研制單位進(jìn)行型號設(shè)計的經(jīng)驗總結(jié)，有的甚至是企業(yè)付出巨大代價才取得的經(jīng)驗。國家有必要在行業(yè)內(nèi)開展相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，規(guī)定星載有源相控陣微波組件各功能模塊的設(shè)計流程、設(shè)計原則、設(shè)計驗證和產(chǎn)品保證等，使行業(yè)內(nèi)各單位的研制經(jīng)驗上升到國家或行業(yè)高度，提高整個行業(yè)的設(shè)計水平，避免行業(yè)內(nèi)不同單位重復(fù)犯相同錯誤造成的國家資源浪費(fèi)。

目前，我國針對星載有源相控陣微波組件的設(shè)計規(guī)范非常少，共搜集到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)3項，見表2。我國尚沒有發(fā)布針對星載有源相控陣微波核心組件的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

表1 通用規(guī)范

表2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

2.3 試驗標(biāo)準(zhǔn)

研制方在進(jìn)行設(shè)計驗證和訂購方進(jìn)行驗收時，均需按照任務(wù)書規(guī)定的所有性能指標(biāo)進(jìn)行測試，這需要相應(yīng) “測試標(biāo)準(zhǔn)”對測試方法進(jìn)行統(tǒng)一和規(guī)范。除了與性能指標(biāo)相關(guān)的測試試驗外，星載有源相控陣微波組件還應(yīng)進(jìn)行相關(guān)環(huán)境適應(yīng)性試驗。另外，在衛(wèi)星發(fā)射后，星載有源相控陣微波組件還應(yīng)與衛(wèi)星其它系統(tǒng)一起進(jìn)行必要的在軌測試，作為用戶最后整體驗收的重要環(huán)節(jié)。目前，我國沒有星載有源相控陣微波組件專門的測試標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)測試方法在表1所列的通用規(guī)范中規(guī)定。環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)通常執(zhí)行國軍標(biāo)GJB150A-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》、GJB1027A-2005《運(yùn)載器、上面級和航天器試驗要求》和航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ12329《電子設(shè)備環(huán)境試驗條件和方法》、QJ2630《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》等標(biāo)準(zhǔn)，見表3。具體可由訂購方確定執(zhí)行哪些標(biāo)準(zhǔn)。我國尚未發(fā)布相關(guān)星載雷達(dá)在軌測試標(biāo)準(zhǔn)。

表3 試驗標(biāo)準(zhǔn)

3 星載有源相控陣微波組件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

針對星載有源相控陣微波組件發(fā)展需求，開展有源相控陣微波組件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究工作，并給出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的初步建議。

3.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)目標(biāo)

建設(shè) “規(guī)范化、平臺化、創(chuàng)新性”的星載有源相控陣微波組件標(biāo)準(zhǔn)體系，重點(diǎn)梳理星載有源相控陣微波組件在設(shè)計、試驗、檢驗和調(diào)試等過程應(yīng)符合哪些標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，并按邏輯關(guān)系和全面覆蓋的要求進(jìn)行研究，形成星載有源微波組件的標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范星載有源相控陣微波組件的研發(fā)過程。

3.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框圖

標(biāo)準(zhǔn)體系可以有效規(guī)范裝備的研制，是整個國家軟實力的體現(xiàn)。從國家和行業(yè)角度，建立星載有源相控陣微波組件標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注微波組件的組件設(shè)計、設(shè)計驗證和產(chǎn)品測試等與其它星載設(shè)備差異性較大的內(nèi)容，而對于產(chǎn)品實現(xiàn)的工藝標(biāo)準(zhǔn)，可與其它星載設(shè)備通用，可暫不考慮。

星載有源相控陣微波組件技術(shù)體系框圖如圖1所示，主要包含三類：通用規(guī)范、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和試驗標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 星載有源相控陣微波組件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框圖

“通用規(guī)范”是軍方進(jìn)行星載有源相控陣微波組件進(jìn)行訂貨和驗收的依據(jù)，研制單位根據(jù)通用規(guī)范的要求進(jìn)行研制、測試和交貨準(zhǔn)備。星載有源相控陣微波組件的各核心組件均應(yīng)制定相應(yīng)通用規(guī)范。

“設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”是指導(dǎo)星載有源相控陣微波組件設(shè)計的關(guān)鍵，是標(biāo)準(zhǔn)體系的核心組成部分，主要包含基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、組件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、熱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等。 “組件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”包含星載有源相控陣微波組件的核心組件，主要規(guī)定組件的指標(biāo)體系、設(shè)計輸入、設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計過程、設(shè)計驗證等內(nèi)容。另外，組件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)還可向下細(xì)分各功能電路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。 “熱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”等為各組件設(shè)計通用的標(biāo)準(zhǔn)。 “基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)”包括一些元器件、原材料的選用標(biāo)準(zhǔn)、板級電路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等。

“試驗標(biāo)準(zhǔn)”主要包括三類：性能測試、環(huán)境適應(yīng)性試驗和在軌測試。性能測試和環(huán)境適應(yīng)性試驗均在地面完成。性能測試是對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計驗證的重要環(huán)節(jié)，同時也是產(chǎn)品驗收的必要環(huán)節(jié)。性能測試針對研制任務(wù)規(guī)定的所有性能指標(biāo)進(jìn)行測試，需要相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)對測試過程和方法進(jìn)行規(guī)范，測試標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定測試系統(tǒng)組成、測試方法和測試結(jié)果處理等。星載有源相控陣微波組件應(yīng)與星載雷達(dá)一起做相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性試驗，一般包括抗輻照試驗、電磁兼容性試驗、熱真空試驗、力學(xué)試驗等。在衛(wèi)星發(fā)射升空后，星載有源相控陣微波組件還應(yīng)與衛(wèi)星一起接收在軌測試，通過衛(wèi)星返回的數(shù)據(jù)判斷各組件的關(guān)鍵指標(biāo)項。

綜上所述，我國建立星載有源相控陣微波組件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，需根據(jù)圖1所示的體系框圖補(bǔ)充現(xiàn)有可直接執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，新制定暫時空缺的標(biāo)準(zhǔn)，修訂暫不適用于星載平臺的標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及到產(chǎn)品研制的全壽命周期，且體系內(nèi)各個標(biāo)準(zhǔn)之間相互關(guān)聯(lián)、相互協(xié)調(diào)配套；必須在宏觀層面開展好頂層設(shè)計，做好標(biāo)準(zhǔn)體系的研究與構(gòu)建工作，研究透各標(biāo)準(zhǔn)之間的層次關(guān)系、協(xié)調(diào)技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用的關(guān)系，才能更好的規(guī)范和指導(dǎo)我國星載有源相控陣微波組件的發(fā)展。本文根據(jù)星載有源相控陣微波組件發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了星載有源相控陣微波組件的核心組成，并嘗試性的給出了體系建設(shè)的一些建議。

表4 星載有源相控陣微波組件標(biāo)準(zhǔn)