試析相控陣雷達多功能射頻與微波設(shè)計

田耕 鄧桂福

摘要：隨著我國高科技技術(shù)水平的不斷提升，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、半導體技術(shù)以及射頻、微波技術(shù)得到長足發(fā)展，并逐年予以改進、創(chuàng)新，取得了豐碩的研究成果。與此同時，相控陣雷達系統(tǒng)所處的工作電磁環(huán)境也變的日益復雜化，射頻與微波設(shè)計也受到嚴峻考驗。

關(guān)鍵詞：相控陣雷達；多功能射頻；微波設(shè)計

相控陣雷達即相位控制電子掃描陣列雷達，它被廣泛應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)當中，它的工作原理主要是依靠于大量個別控制的小型天線組件排列成一個陣面，而每一個天線單元都是由獨立的開關(guān)進行控制。相控陣雷達技術(shù)在我國到九十代末才被在戰(zhàn)斗機與艦載系統(tǒng)中使用。隨著新型戰(zhàn)場對戰(zhàn)雙方形勢的改變以及各種新工藝、新器件、新材料的實際應(yīng)用，作戰(zhàn)平臺所面臨的挑戰(zhàn)與威脅也逐步增多，導致相控陣雷達的工作環(huán)境變得復雜，為了節(jié)約成本、提高突防率，各個作戰(zhàn)平臺相應(yīng)的配備了多種新式電子設(shè)備，進而使平臺的各個組件得到進一步優(yōu)化。

一、相控陣雷達的優(yōu)勢

相控陣可以分為主動有源式與被動無源式，而被動無源式技術(shù)于上世紀八十年代中期就已經(jīng)形成了較為純熟的系統(tǒng)，并被廣泛應(yīng)用于小型戰(zhàn)斗機上面。而主動有源式技術(shù)隨著時間的推移，直到九十年代末才逐漸在作戰(zhàn)機上使用[1]。

相控陣雷達與傳統(tǒng)的機械掃描雷達相比，優(yōu)勢較為明顯，它有效的解決了機械掃描雷達各種先天不足問題，大相一致的孔徑與操作波長下，相控陣的多目標追蹤能力、自身分辨率、反應(yīng)速度、電子反對抗能力都遠遠強于傳統(tǒng)雷達，不過采用這種技術(shù)，需要投入大量的經(jīng)費，科技技術(shù)含量高，對技術(shù)人員的專業(yè)技能要求高。因此，這種相控陣技術(shù)大多用于軍事作戰(zhàn)用途。比較典型的有源相控雷達的應(yīng)用例子是中國的O52D型驅(qū)逐艦。

二、多功能射頻的定義

多功能射頻技術(shù)是采用開放式、模塊化、可重組的射頻傳感器系統(tǒng)體系構(gòu)架，它的工作原理是用寬帶多功能孔徑代替作戰(zhàn)平上數(shù)量較少的天線孔徑，結(jié)合計算信息技術(shù)當中先進的資源管理調(diào)度算法及功能控制軟件，與此同時，有效實現(xiàn)電子作戰(zhàn)、通信、導航、自動識別等多種實用的射頻功能。多功能射頻技術(shù)使雷達自身的反射面積變小，彼此間的干擾也相對減小，使各種武器裝備的實戰(zhàn)水平提升，此外，采用這種技術(shù)還可以有效的降低投入成本，功能消耗相對較小。

發(fā)射機、信號處理機及信號接收機通過與多功能射頻系統(tǒng)資源共享，使各個系統(tǒng)功能的優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)出來。多功能射頻大致包括射頻開關(guān)矩陣、時間基準、天線、頻率變換、頻率綜合器、處理器等多個功能型模塊。而其中的天線設(shè)計盡可能減少孔徑，以確保作戰(zhàn)需要。未來，多功能射頻技術(shù)必然朝著開放式、寬頻帶與多功能的集于一身的方向發(fā)展，而這項技術(shù)也將在我國的軍事作戰(zhàn)中發(fā)揮至關(guān)重要的戰(zhàn)略作用[2]。

三、開放式系統(tǒng)架構(gòu)的分析

開放式系統(tǒng)架構(gòu)即依據(jù)標準化原則建立附屬的子系統(tǒng)以及相關(guān)系統(tǒng)裝備，在射頻與微波技術(shù)領(lǐng)域，通常采取模塊化與標準化的方法來建立相關(guān)組件，以此滿足軍事作戰(zhàn)的多個平臺的應(yīng)用所需。而對于單獨的個體，其模塊化的定義是明確的，同時可拓展的組織架構(gòu)也可以大大提高設(shè)計技術(shù)的透明度，進而使科研單位及時改進設(shè)計思路、創(chuàng)新技術(shù)類型，以縮短研發(fā)周期，同時，通過對雷達與電子戰(zhàn)共性的分析，也可以減少研發(fā)成本。

開放式架構(gòu)的相控陣雷達系統(tǒng)可以滿足未來作戰(zhàn)的需要，其功能涉及到雷達、通信及電子戰(zhàn)多個領(lǐng)域，加之設(shè)計研發(fā)周期的縮短，使其適應(yīng)能力得到有效提高，同時自身的重量、體積以及功率消耗也得到最大限度的優(yōu)化。開放式系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)的研發(fā)與設(shè)計，提出的時間較短，如何科學合理劃分子系統(tǒng)以及集成設(shè)計是當前射頻與微波設(shè)計人員亟需面對和解決的問題。

四、異構(gòu)集成方式

在復合型半導體的材料中，inp晶本管的最大負荷如果超過1THz，就適合應(yīng)用于超高速的混合電路。然而GaN的擊穿電壓相對較高，因此它的適用也具有一定的局限性，只適用于RF這種高功率的器件，而SiC器件的導熱性非常好，通常情況下適用于功率較高的開關(guān)；AIN則可應(yīng)用于頻率選擇濾波器與時鐘參考源電路，其功效較為顯著。

而目前，大多數(shù)科研人員為了追求成本低、適用性強的原則，著力探尋新型的材料和器件，比如硅基CMOS電路，這種電路所需的成本投入小、集成度高，尤其在數(shù)字集成電路方面顯現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。隨著高科技領(lǐng)域不斷掀起的技術(shù)革新高潮，高性能、低功率消耗、低成本的綜合型多功能系統(tǒng)也相繼被研發(fā)出來，并被應(yīng)用于實戰(zhàn)領(lǐng)域。

五、系統(tǒng)場景的架構(gòu)模擬仿真

為了適應(yīng)多功能射頻系統(tǒng)的需求，射頻及微波設(shè)計人員也突破了原有的單純技術(shù)層面，同時也力求超越傳統(tǒng)的、簡單的電路及附屬子系統(tǒng)的模擬仿真，設(shè)計師充分考慮實戰(zhàn)需要，對雷達、電子戰(zhàn)、偵察性能、識別原理等諸多因素進行綜合分析與評測，進而為建立模擬實戰(zhàn)技術(shù)奠定堅實的基礎(chǔ)[3]。

系統(tǒng)場景架構(gòu)就是基于以上因素而形成的仿真模式，射頻與微波設(shè)計師創(chuàng)設(shè)的這種場景架構(gòu)可以真實準確的測定雷達系統(tǒng)的性能，使投入成本大大降低，同時提高了精確度，設(shè)計風險也比較小，這種方法對機載與星載等運動平臺的雷達系統(tǒng)的簡約化設(shè)計以及性能評估具有重要的現(xiàn)實意義。

設(shè)計師所創(chuàng)設(shè)的場景架構(gòu)可以分為三個層次，即無線層、信號層與軌跡層，當系統(tǒng)場景架構(gòu)建立以后，設(shè)計師就可以依據(jù)雷達方及相關(guān)的雜波特征，結(jié)合計算模型，對不同場景下的雷達系統(tǒng)性能進行模擬仿真分析。在分析過程中，必須滿足于虛警率，并將計算雷達探測概率作為基本參數(shù)，綜合評定雷達系統(tǒng)性能，這種系統(tǒng)場景模擬仿真技術(shù)的檢測過程使電路、附屬子系統(tǒng)以及系統(tǒng)性參數(shù)得到最優(yōu)化，進而使檢測的信噪比與探測概率達到最佳值。

六、射頻與微波設(shè)計的難度

隨著我國軍事實戰(zhàn)能力的提升，多功能射頻與微波技術(shù)已在實踐當中得到普遍應(yīng)用，而對于設(shè)計人員來說，所面臨的設(shè)計瓶頸也日益凸顯出來。比如有些設(shè)計人員將射頻電路嵌入其他設(shè)計人員的電路當中，由于他們彼此的設(shè)計理念與設(shè)計格式各不相同，因此使設(shè)計效果差強人意，設(shè)計效率大打折扣。

由于模擬仿真通常在射頻電路中進行，因此，可能會出現(xiàn)遺漏電路板對射頻電路產(chǎn)生的巨大影響，這就為整個設(shè)計過程增加了難度，給諸多設(shè)計人員帶來困擾。隨著射頻內(nèi)容的逐步充實，射頻技術(shù)的多元化發(fā)展，射頻及微波設(shè)計人員為了縮短設(shè)計周期，提高生產(chǎn)率與產(chǎn)品質(zhì)量，往往親力親為，在自己的設(shè)計工具內(nèi)自行應(yīng)對射頻的設(shè)計挑戰(zhàn)，但是結(jié)果不盡如人意。

在使用射頻仿真器對電路建模后，一旦達到所需的電氣性能，仿真器就會自行產(chǎn)生該電路的銅箔形狀。在這一過程中，設(shè)計人員無法正確轉(zhuǎn)換DXF檔而無法轉(zhuǎn)換成銅箔形狀。這時，就需要設(shè)計人員采取手動的方式對整個系統(tǒng)進行操作，使DXF檔安全導入，進而形成銅箔形狀。由于人為因素的介入，使得銅箔的形狀尺寸出現(xiàn)較大的偏差，最終導致整個射頻電路失去功效。

結(jié)束語：

專業(yè)成就夢想，理念決定創(chuàng)意，射頻與微波技術(shù)人員想要進一步完善射頻與微波技術(shù)，拓展應(yīng)用渠道，就必須夯實專業(yè)知識基礎(chǔ)，以創(chuàng)新的理念適應(yīng)新時代、新形勢下的新型技術(shù)領(lǐng)域，并通過自身的不懈努力，實現(xiàn)我國多功能射頻與微波技術(shù)新的飛躍。

參考文獻：

[1]胡善祥，高菡，張德智.相控陣雷達多功能射頻與微波設(shè)計[J].雷達科學與技術(shù)，2018，16（1）：108-112，118.

[2]李弋鵬，姜曉斐.基于相控陣雷達的超視距傳輸技術(shù)探討[J].通訊世界，2015（14）：37-38.

[3]王君，白華珍，邵雷.多功能綜合射頻系統(tǒng)共用信號分辨性能研究[J].火力與指揮控制，2018，43（8）：151-155.

作者簡介：田耕，男（1984.7.8），漢族，重慶巫山人，本科，工程師，研究方向：雷達射頻微波方向，科研項目管理

作者簡介：鄧桂福，男（1983.1.10），漢族，四川遂寧人，碩士，工程師，研究方向：雷達系統(tǒng)/雷達信號處理