相控阵雷达多功能射频与微波设计

相控阵雷达多功能射频与微波设计

侯玥 马艳君

陕西黄河集团有限公司 陕西省西安市 710043

摘要：随着经济和各行各业的快速发展，有源相控阵雷达天线分为模拟有源相控阵天线和数字有源相控阵天线，前者采用移相器、馈线等模拟器件，波束合成在阵面完成，后者采用接收机前移的方式使用DDS移相来产生信号的相移。数字相控阵天线虽是前沿的高新技术，但其成本高且可靠性低，所以模拟相控阵天线仍是军用雷达发展和应用的主流。模拟相控阵天线经过多年的发展，电气及结构基础技术已基本成熟，后续高集成、小体积和易维护将是主要发展方向，也是本文的研究重点。

关键词：多功能综合射频；异构集成；开放式架构；相控阵雷达

引言

随着半导体技术、射频与微波技术、计算机技术的发展及相控阵雷达系统面临复杂的工作电磁环境，相控阵雷达射频与微波设计面临新的机遇与挑战。为了适应相控阵雷达系统多功能、高集成、高性能、低成本的发展需求，结合国外发展现状，从多功能综合射频、异构集成、开放式架构及系统场景仿真等方面对射频与微波设计技术进行叙述。多功能综合射频、开放式架构是相控阵雷达系统的发展趋势，异构集成、系统场景仿真是新的设计手段；利用先进的设计理念与设计手段，缩短相控阵雷达多功能综合射频系统的研制周期，减少系统设计风险，降低系统成本。

1多功能综合射频

用宽带多功能孔径取代目前平台上为数众多的天线孔径，采用模块化、开放式、可重构的射频传感器系统体系架构，并结合功能控制与资源管理调度算法、软件，同时实现雷达、电子战、通信、导航、识别等多种射频功能，这就是多功能综合射频技术。多功能综合射频技术能够降低雷达反射面积，减小相互干扰，提高武器装备整体作战效能，而且其优势在于可以在有限的空间中实现更多的功能，并有效控制功耗，降低成本，具体体现如下：1）功能拓展，全面提升整体战技性能；2）高度重用，可靠性、可维护性高；3）降低系统功耗、体积、重量；4）功能动态重构、高度灵活、提升容错性；5）开放式体系架构，便于后续升级改型，降低维护成本；6）综合利用数据信息，提升态势感知和对抗能力。

2接地设计

在天线阵面中，接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要手段之一，阵面中的地线主要包括电源地、射频地、信号地及安全地。电源地的本质就是电源负极，信号地的基本目的是为信号电压提供一个零电位参考点，安全地的目的是把设备的外壳利用低阻导体连至大地保证人员安全。阵面馈电网络的各功能盒体中射频地（即射频连接器的外壳）与壳体应进行大面积良好接触，以保证良好的电性能。在综合背板中电流互联层一般采用独立整层设计，外层采用加厚铜层进行隔离，电源地为独立的地线，通常与电源线并排或双绞；阵面中各电流条绝缘层的表面要涂覆导电材质进行接地，以隔离干扰。阵面中数字信号地一般为独立的地线，不能与射频和电源地相连。

3系统场景架构仿真

随着多功能综合射频系统的发展与需求，射频／微波设计师面临的挑战已超越单纯的技术层面，也超越了简单的电路及子系统的仿真，设计师需要权衡雷达、通信、电子战、侦察、识别等诸多因素，包括模拟实战情况下的电路性能。系统场景架构仿真可以通过软件定义雷达系统硬件及平台模型参数，仿真杂波、干扰等环境下电路及子系统性能，以及复杂电磁环境下雷达系统性能评估，大大节约了系统测试成本，提高了准确度，降低了系统设计风险。设计师可以根据场景架构仿真结果指导射频／微波子系统与系统电路设计，特别是对机载或星载等运动平台的雷达系统简化设计与性能评估具有重大的意义。场景架构分为3层：轨迹层、天线层和信号层。轨迹层在三维立体空间内定义所有接收与发射系统的位置、速度与加速度，通过雷达平台模型与目标轨迹模型计算雷达与目标的轨迹；天线层通过建立天线实际工作场景下的波束宽度，波束指向及目标位置计算最终的天线增益；信号层通过软件定义方式产生雷达发射激励波形，通过发射链路及天线辐射，接收雷达系统目标回波及杂波信号。

4对高精度相控阵预警雷达的混合干扰方法

高精度相控阵预警雷达采用了旁瓣对消和脉冲压缩等抗干扰措施，对其进行干扰时只采用一种手段难以奏效，为此本文提出了一种混合干扰方法，在干扰方式上混合了欺骗干扰和压制干扰，在干扰信号样式上分别采用了噪声卷积、脉冲卷积和射频噪声，该方法具体表述为：1）根据雷达的旁瓣对消维数确定干扰机数量；2）将干扰机按用途分为压制型干扰机和欺骗型干扰机；3）压制型干扰机采用噪声卷积或射频噪声的干扰信号样式，欺骗型干扰机采用脉冲卷积的信号样式；4）根据雷达和掩护目标的位置等参数确定干扰机的部署距离。方法中提到的压制性干扰可在距雷达一定距离以外形成有效压制区，欺骗性干扰可在压制干扰的暴露区内产生一定数量的假目标，通过压制性干扰和欺骗性干扰相“接力”的方式进一步缩短雷达的可探测区，降低发现概率。

5孔径效应和带宽限制

传统相控阵系统使用移相的方式进行波束形成，相移量一般是中心频率所需要的精确相移量。在频率的两端，移相器不能补偿所需的相移量，所以实际上波束指向会偏转一定的角度。这种相控阵天线的波束指向随频率变化而发生变化的空间色散效应，称为“孔径效应”。而天线阵列两端阵元的时间差被称为该天线阵列的孔径渡越时间。天线阵列孔径越大，波束扫描角度越大，孔径渡越时间越长。雷达工作频率变化导致波束指向发生的偏转会导致方向图的波束展开、增益下降和信号特性改变等问题。为防止过大的波束指向偏移，信号的瞬时带宽通常会受到一定的限制。

结束语

高精度相控阵预警雷达正广泛应用于现代防空体系中，具有探测距离远、定位精度高、机动性能强等特点。国内目前对此类雷达的研究较少，为弥补这方面的不足，多功能综合射频用宽带多功能孔径实现雷达、通信、电子战等多种功能，是未来相控阵雷达系统发展的主要方向，也是解决复杂电磁环境下实现雷达、通信与电子战等多功能一体化的主要手段；开放式系统架构利用标准化、模块化的方式，通过软件定义开发射频／微波模块与子系统，大大缩短了产品的研发周期，降低了系统的全周期寿命成本；异构集成可以充分发挥不同半导体材料的技术优势，提高系统集成度的同时，使模块与子系统的性能达到最佳；通过系统场景架构仿真可以指导复杂电路及系统的设计，评估实战情况下的系统性能，节约了系统测试的时间，大大降低了系统设计风险及系统成本。天线阵面结构总体设计包含了多个学科知识，如何融汇贯通多学科知识，应用新的设计思想和结构技术，实现高集成、易维护的天线阵面结构仍需要进一步探索和研究。

参考文献

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