馬 珂，王 軒

(海軍裝備部駐揚(yáng)州地區(qū)軍代室，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

隨著相控陣技術(shù)、微電子技術(shù)、高速信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)入發(fā)展快車道，以美軍AN/SPY-6有源相控陣?yán)走_(dá)、泰勒斯有源相控陣(ARPA)雷達(dá)、TRS-4D雷達(dá)、日本OPS雷達(dá)、DBR等典型雷達(dá)裝備為代表。上述典型裝備體制和技術(shù)主要列裝主戰(zhàn)裝備，承擔(dān)多功能多任務(wù)使命。

隨著裝備競爭擇優(yōu)常態(tài)化實(shí)施，經(jīng)濟(jì)型相控陣?yán)走_(dá)將是未來裝備增強(qiáng)競爭能力的必然趨勢。中小型作戰(zhàn)艦艇、戰(zhàn)斗車輛、機(jī)載平臺(tái)等對(duì)雷達(dá)有嚴(yán)格效費(fèi)比、低功耗要求，針對(duì)該類需求需要尋求一種經(jīng)濟(jì)型相控陣?yán)走_(dá)體系結(jié)構(gòu)，嘗試新體制、新技術(shù)的組織運(yùn)用。

本文基于以上考慮，嘗試探索一種經(jīng)濟(jì)型相控陣?yán)走_(dá)架構(gòu)，后續(xù)將進(jìn)一步深化研究。

1 ONR經(jīng)濟(jì)型通用雷達(dá)架構(gòu)計(jì)劃

1.1 計(jì)劃背景

針對(duì)數(shù)字陣列、經(jīng)濟(jì)型可承受相控陣、通用雷達(dá)架構(gòu)等重點(diǎn)開展研究，本文重點(diǎn)分析ACRA計(jì)劃相關(guān)情況。

美國海軍及海軍陸戰(zhàn)隊(duì)列裝了大量AN/SPN-43、AN/SPS-48E、AN/TPS-75和AN/SPS-49雷達(dá)，該類型雷達(dá)服役時(shí)間長，技術(shù)體制落后，盡管海軍先后通過現(xiàn)代化升級(jí)、維修保障等提升雷達(dá)可用性，但是大量雷達(dá)已逐漸不能滿足作戰(zhàn)需求。

為了對(duì)艦艇上雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)代化改造達(dá)到可用的目的，ONR發(fā)起了經(jīng)濟(jì)型通用雷達(dá)架構(gòu)(ACRA)計(jì)劃[1]，如圖1所示。該計(jì)劃首個(gè)五年計(jì)劃為(2009～2013)，主要目標(biāo)是研究一種支撐雷達(dá)系統(tǒng)新技術(shù)應(yīng)用的可升級(jí)的通用架構(gòu)，ACRA計(jì)劃可滿足旋轉(zhuǎn)相控陣和固定相控陣需求，適配美國海軍各型作戰(zhàn)艦艇[2]。

圖1 ACRA計(jì)劃研究目標(biāo)

1.2 計(jì)劃內(nèi)容

ACRA計(jì)劃目的是探索經(jīng)濟(jì)型相控陣解決方案，研究一種支撐雷達(dá)系統(tǒng)新技術(shù)應(yīng)用的可升級(jí)、通用架構(gòu)，對(duì)老舊裝備實(shí)施經(jīng)濟(jì)性升級(jí)替換，主要能力提升出現(xiàn)在以下方面：

(1) 增強(qiáng)遠(yuǎn)距離大角度搜索能力；

(2) 提升對(duì)感興趣目標(biāo)的跟蹤數(shù)據(jù)率；

(3) 提升海雜波和大氣環(huán)境下的探測性能；

(4) 提升應(yīng)對(duì)有源干擾的能力。

ACRA采用了獨(dú)特的收發(fā)陣面分置的天線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具備潛在的降低系統(tǒng)成本的能力，后端處理沿用ONR數(shù)字陣列雷達(dá)項(xiàng)目(DAR)的開放式架構(gòu)成果，雷達(dá)組成如圖2所示。

圖2 通用經(jīng)濟(jì)型雷達(dá)組成圖

按照ONR設(shè)想，經(jīng)濟(jì)型通用雷達(dá)架構(gòu)組成如圖2所示，由位于天線座的接收陣面、發(fā)射陣面和位于甲板下的數(shù)字波束合成器、信號(hào)處理機(jī)、發(fā)射機(jī)等組成。該體系架構(gòu)主要技術(shù)特點(diǎn)有：

(1) 通用模塊化

該架構(gòu)所采用的數(shù)字接收機(jī)、波形產(chǎn)生器、波束合成器、數(shù)據(jù)處理機(jī)為模塊化、可升級(jí)、商用化的模塊，接收陣面采用低成本微帶電路設(shè)計(jì)，采用商用模塊減輕硬件升級(jí)、新增功能、技術(shù)插入的壓力。

(2) 寬空域覆蓋

發(fā)射陣面與接收陣面分開，發(fā)射寬波束，接收數(shù)字形成同時(shí)多波束覆蓋，滿足遠(yuǎn)中近程探測對(duì)空域覆蓋的要求。

(3) 高升級(jí)性能

接收陣列較大，采用低成本微帶電路設(shè)計(jì)，可由48×48升級(jí)到96×96；小型有源發(fā)射陣列，收發(fā)陣面分開,可隨時(shí)實(shí)施技術(shù)升級(jí)；總體采用開放式架構(gòu)，后端處理軟件化設(shè)計(jì)，易升級(jí)。

(4) 高可靠性

發(fā)射陣面采用無源集中發(fā)射技術(shù)，接收陣面采用風(fēng)冷低功耗微帶印制電路技術(shù)，發(fā)射機(jī)、數(shù)字波束合成、信號(hào)處理等均位于甲板下。天線陣面功耗低，易損件均位于甲板下，維修便利。

(5) 體制技術(shù)先進(jìn)

延續(xù)DAR項(xiàng)目數(shù)字陣列及開放式架構(gòu)相關(guān)成果，采用了全數(shù)字接收、二維有源相掃、瓦片陣列等技術(shù)，具備多功能一體特征。

1.3 后續(xù)發(fā)展

根據(jù)ONR研究計(jì)劃，2012年應(yīng)用到退役的SPS-48雷達(dá)，2014年應(yīng)用到SPS-49、SPS-74、SPQ-9B等現(xiàn)役雷達(dá)改造。

2 啟示與思考

目前美軍基本按照該框架進(jìn)行裝備研制，航母、巡洋艦、驅(qū)逐艦等大型平臺(tái)，如CVN79、DDG1000、新一代驅(qū)逐艦等搭載固定陣，兩棲登陸艦、濱海戰(zhàn)斗艦、軍輔船等搭載旋轉(zhuǎn)相控陣。從ACRA體系架構(gòu)來看，有幾個(gè)點(diǎn)可供參考：

2.1 收發(fā)分置架構(gòu)

其發(fā)射陣面與接收陣面分置較為獨(dú)特，據(jù)介紹是為了接收陣面升級(jí)需要，發(fā)射陣面采用大功率固態(tài)/行波管集中發(fā)射，發(fā)射機(jī)位于艙室內(nèi)部，通過波導(dǎo)把高功率信號(hào)饋送到發(fā)射天線。

天線陣面上采用風(fēng)冷設(shè)計(jì)，減輕了陣面重量和散熱復(fù)雜度。泰勒斯公司的M3R雷達(dá)承擔(dān)炮位偵校、搜索跟蹤等功能，如圖3所示，采用了收發(fā)陣面分置方案。ACRA與M3R均采用收發(fā)陣面分置方案，分置不是為了提升隔離度，而是為了滿足技術(shù)升級(jí)要求(接收陣面升級(jí)機(jī)會(huì)更多)。

圖3 M3R雷達(dá)組成圖

采用大功率集中發(fā)射、收發(fā)陣面分置、接收數(shù)字多波束的方案，整個(gè)天線陣面功耗低，利于提升可靠性與降低復(fù)雜度。

2.2 通用數(shù)字軟件化

基于開放式架構(gòu)明確了模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的界面關(guān)系，后端信息處理硬件平臺(tái)通用化，數(shù)字接收機(jī)、數(shù)字波束合成器等預(yù)處理部分采用通用標(biāo)準(zhǔn)模塊，信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理等采用軟件化設(shè)計(jì)，可根據(jù)需求實(shí)施軟升級(jí)。

采用商用10G網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)承擔(dān)數(shù)據(jù)交換和控制分發(fā)任務(wù)，采用商用刀片處理器用于脈沖壓縮、恒虛警率(CFAR)、動(dòng)目標(biāo)檢測(MTD)處理等信號(hào)處理任務(wù)。

3 經(jīng)濟(jì)型相控陣新架構(gòu)

3.1 概述

參考ACRA計(jì)劃的基本思路，以旋轉(zhuǎn)相控陣為構(gòu)想，以低功耗硅基微系統(tǒng)、大間距相控陣、海量數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)傳輸、通用處理平臺(tái)構(gòu)建開放式雷達(dá)體系架構(gòu)，減少定制化設(shè)計(jì)，適應(yīng)平臺(tái)對(duì)低功耗、高效費(fèi)比、輕量化的需求。

3.2 體系架構(gòu)

圖4所示為一種經(jīng)濟(jì)型相控陣?yán)走_(dá)體系架構(gòu)框圖，分為天線系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、艙室系統(tǒng)三部分。整體上采用發(fā)射陣面與接收陣面分開布局，“寬發(fā)窄收”形式，發(fā)射二維寬波束，接收數(shù)字波束形成(DBF)二維多波束覆蓋，如圖5所示。

圖4 經(jīng)濟(jì)型相控陣架構(gòu)

圖5 二維波束瞬時(shí)覆蓋

后端采用基于通用處理平臺(tái)、高速光纖通信的開放式架構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的通用化，便于簡化維修保障配置，實(shí)現(xiàn)備件互換互通和擴(kuò)展升級(jí)。

接收陣面為全數(shù)字二維多波束接收體制，接收回波信號(hào)，經(jīng)數(shù)字化后通過多通道光鉸鏈下行傳輸，進(jìn)入艙室內(nèi)的數(shù)字波束合成器，根據(jù)工作模式形成不同規(guī)模的并發(fā)波束。

3.2.1 天線系統(tǒng)

天線系統(tǒng)由發(fā)射陣列、接收陣面以及伺服驅(qū)動(dòng)組成，其中發(fā)射陣列可采用波導(dǎo)裂縫陣列，具備耐大功率特點(diǎn),采用無源集中發(fā)射，固態(tài)/行波管集中發(fā)射機(jī)產(chǎn)生大功率射頻信號(hào),由射頻鉸鏈上行傳輸進(jìn)入發(fā)射陣面輻射出去。

接收陣面采用模塊化設(shè)計(jì)理念，接收子陣為瓦片式基本組成單元，可根據(jù)需求二維擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模和靈敏度的雷達(dá)陣面。

為滿足接收子陣二維電掃描需求，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)型，本文提出3種可能的接收子陣方案。

方案一：超大間距可重構(gòu)相控陣

常規(guī)相控陣根據(jù)電掃描范圍，在無柵瓣出現(xiàn)前提下設(shè)計(jì)陣元間距，單元間距一般在0.5倍波長左右，若單元間距擴(kuò)大到1個(gè)波長以上同時(shí)采取措施抑制柵瓣，則二維相控陣陣元數(shù)目可降低到原來的1/4，顯著降低射頻系統(tǒng)成本。

利用陣面方向圖為單元方向圖與陣因子乘積的特點(diǎn)，對(duì)單元方向圖進(jìn)行重構(gòu)，柵瓣區(qū)形成“零限”從而抑制柵瓣。圖6為間距是1.2倍波長的陣列及其方向圖，可見陣列方向圖副瓣被抑制掉。

圖6 1.2倍波長間距陣列及方向圖(未加權(quán))

方案二：基于鐵氧體的異質(zhì)混合小型收發(fā)組件

相控陣系統(tǒng)60%的成本集中在微波收發(fā)模塊上，現(xiàn)有相控陣收發(fā)模塊一般采用8合1、4合1等形式，每個(gè)模塊內(nèi)部包含8個(gè)、4個(gè)TR組件，陣元數(shù)有多少，TR組件通道就有多少，限制了相控陣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型的實(shí)現(xiàn)。

圖7為現(xiàn)有和經(jīng)濟(jì)型相控陣收發(fā)模塊對(duì)照，本項(xiàng)目采用鐵氧體移相衰減器與TR組件一體混合集成方案，相同收發(fā)通道下，TR組件只需要1個(gè)。需要解決鐵氧體與半導(dǎo)體異質(zhì)混合集成、小型化超低損耗鐵氧體移相衰減技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

圖7 相控陣收發(fā)模塊對(duì)照

方案三：硅基片式系統(tǒng)陣列技術(shù)

為了滿足小型化、低成本相控陣天線需求，采用硅基+化合物的異質(zhì)集成SoC芯片技術(shù)/多層混壓印制板(PCB)工藝技術(shù)/瓦片式結(jié)構(gòu)，大幅降低收發(fā)組件生產(chǎn)成本。X波段以上的高頻信號(hào)受制于A/D采樣位數(shù)，暫無法直接射頻直采，擬采用Zynq UltraScale+RF SoC的商用解決方案，與波束合成芯片聯(lián)合，支持6 GHz射頻直接采樣，承擔(dān)A/D采樣、數(shù)字下變頻、波束合成功能，實(shí)現(xiàn)商用化經(jīng)濟(jì)型片上系統(tǒng)。

基于多層混壓埋阻技術(shù)和高密度垂直互聯(lián)技術(shù)PCB工藝，將微帶天線陣列、射頻電路、控制電路和供電電路集成在同一張PCB板中,整個(gè)陣面由多層微波板混壓而成,CMOS相控陣芯片通道射頻端通過垂直互連結(jié)構(gòu)與天線單元饋電端連接,互連方式由金屬化過孔替代了傳統(tǒng)的連接器,既省去了連接器成本,又提高了相控陣天線的集成度，利用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)相控陣天線的低成本、低剖面和輕量化。

3.2.2 傳輸系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)采用射光電集成鉸鏈來實(shí)現(xiàn)，射頻鉸鏈和匯流電環(huán)較為成熟，其中光鉸鏈為多通道光旋轉(zhuǎn)連接器。傳輸系統(tǒng)承擔(dān)發(fā)射大功率射頻信號(hào)上行傳輸、控制信號(hào)雙向傳輸、海量數(shù)字化回波信號(hào)的下行傳輸功能，最大難點(diǎn)是海量數(shù)據(jù)下行傳輸，直接決定著方案的可行性。經(jīng)過調(diào)研，目前國內(nèi)光旋連接器已可設(shè)計(jì)60個(gè)通道，結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)可滿足全陣面海量數(shù)據(jù)下行傳輸。

3.2.3 艙室系統(tǒng)

艙室系統(tǒng)主要包括發(fā)射機(jī)、數(shù)字波束合成器、通用處理平臺(tái)(部署信號(hào)處理軟件等)、顯示終端等。數(shù)字波束合成器采用基于Virtex-7系列現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片的成熟通用硬件板卡。

通用信息處理平臺(tái)應(yīng)基于標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、自主可控的軟硬件模塊，按層次化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)架構(gòu)共融、資源共享。平臺(tái)硬件系統(tǒng)支持集中式或分布式放置，且在集中式或分布式的形態(tài)下應(yīng)支持各軟件(包括信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、資源調(diào)度)的統(tǒng)一部署。計(jì)算體系架構(gòu)支持基于國產(chǎn)化、高性能處理器的并行計(jì)算體系，具有高性能、易擴(kuò)展、易升級(jí)和自主可控等特點(diǎn)。

通用信息處理插箱由通用計(jì)算刀片、高速網(wǎng)絡(luò)交換刀片、VPX背板、監(jiān)控模塊、電源刀片、存儲(chǔ)刀片等組成。

3.2.4 冷卻系統(tǒng)

相控陣系統(tǒng)的冷卻散熱較為關(guān)鍵，現(xiàn)階段主要包括液冷散熱、風(fēng)冷散熱、均溫冷卻、相變儲(chǔ)能、熱管技術(shù)等經(jīng)典散熱方式。冷卻系統(tǒng)可靠性與復(fù)雜度在一定程度上影響了設(shè)備的可靠性。

前期國內(nèi)各單位采用的均為收發(fā)共陣面的方案，要滿足輻射功率要求，TR組件等大功率有源模塊需采用水冷散熱，液冷散熱效果好，但管路和走線復(fù)雜。

本項(xiàng)目采用了大功率集中發(fā)射(位于艙室，可風(fēng)冷或液冷散熱)、分布式接收的方案，接收系統(tǒng)功耗相對(duì)較低，陣面采用風(fēng)冷散熱即可滿足需求。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 基于射頻片上系統(tǒng)的低功耗前端技術(shù)

經(jīng)濟(jì)型相控陣的前提是優(yōu)化射頻系統(tǒng)方案，降低微波部分經(jīng)費(fèi)占比。Xilinx公司于2017年推出第1代、第2代和第3代RF SOC產(chǎn)品，第3代全面支持對(duì)6 GHz以下的頻段直接射頻采樣，并支持拓展的毫米波接口，為5G無線通信系統(tǒng)和相控陣?yán)走_(dá)、汽車?yán)走_(dá)、微信通信等應(yīng)用提供解決方案。美國大規(guī)模多功能相控陣?yán)走_(dá)(MPAR)系統(tǒng)基于RF SOC開發(fā)了通用化微波模塊。

與常規(guī)分離式、多功能芯片相比，RF SOC集成度更高，功耗更低，尺寸更小，基于RF SOC構(gòu)建的接收子陣即為單片雷達(dá)，基于RF SOC優(yōu)化射頻系統(tǒng)架構(gòu)降低功耗還需要深入研究。

3.3.2 多通道海量數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)傳輸技術(shù)

旋轉(zhuǎn)相控陣可靠性、維修性提升的關(guān)鍵是易損件、易維件置于艙室內(nèi)部，現(xiàn)有產(chǎn)品采用波分復(fù)用技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)少量波束數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下行傳輸，數(shù)字波束合成功能只能置于陣面內(nèi)，不滿足本架構(gòu)需求。

隨著光旋轉(zhuǎn)連接器技術(shù)的發(fā)展，多通道光旋轉(zhuǎn)連接器從單通道逐漸擴(kuò)展到60路甚至更多，結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全陣200個(gè)通道以上A/D數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。目前尚未用到如此多通道光旋，60個(gè)通道間旋轉(zhuǎn)幅度的差異可能較大，客觀上影響光接收靈敏度。后續(xù)需要組織驗(yàn)證該技術(shù)。

3.3.3 智能軟件化處理技術(shù)

軟件化處理為未來雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的主趨勢，未來系統(tǒng)呈現(xiàn)模擬最小化、數(shù)字最大化的狀態(tài)，系統(tǒng)功能只取決于運(yùn)行在處理平臺(tái)上的應(yīng)用軟件，運(yùn)行雷達(dá)軟件就是雷達(dá)設(shè)備，運(yùn)行對(duì)抗軟件就是對(duì)抗設(shè)備。

智能軟件化處理平臺(tái)可通過軟件獨(dú)立升級(jí)實(shí)現(xiàn)裝備升級(jí)，具備在線網(wǎng)絡(luò)加載實(shí)現(xiàn)功能動(dòng)態(tài)重組功能，提高裝備任務(wù)可靠性。軟件化雷達(dá)系統(tǒng)的軟件定義以及架構(gòu)統(tǒng)型還需要探討，現(xiàn)階段尚無標(biāo)準(zhǔn)格式。

智能化也是未來發(fā)展趨勢之一，人工智能在雷達(dá)中如何落地、提升哪些性能、實(shí)時(shí)處理應(yīng)用等問題還需要進(jìn)一步探討。

4 結(jié)束語

本文以探索經(jīng)濟(jì)型相控陣為目標(biāo)，首先分析了ONR的經(jīng)濟(jì)型通用雷達(dá)架構(gòu)，然后針對(duì)經(jīng)濟(jì)型需求，提出了一種經(jīng)濟(jì)型相控陣?yán)走_(dá)架構(gòu)，對(duì)各個(gè)組成進(jìn)行了簡要介紹，重點(diǎn)提出3種經(jīng)濟(jì)型微波系統(tǒng)解決方案，最后對(duì)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。