试析相控阵雷达多功能射频与微波设计

田耕 邓桂福

摘要：随着我国高科技技术水平的不断提升，计算机网络技术、半导体技术以及射频、微波技术得到长足发展，并逐年予以改进、创新，取得了丰硕的研究成果。与此同时，相控阵雷达系统所处的工作电磁环境也变的日益复杂化，射频与微波设计也受到严峻考验。

关键词：相控阵雷达；多功能射频；微波设计

相控阵雷达即相位控制电子扫描阵列雷达，它被广泛应用于军事作战当中，它的工作原理主要是依靠于大量个别控制的小型天线组件排列成一个阵面，而每一个天线单元都是由独立的开关进行控制。相控阵雷达技术在我国到九十代末才被在战斗机与舰载系统中使用。随着新型战场对战双方形势的改变以及各种新工艺、新器件、新材料的实际应用，作战平台所面临的挑战与威胁也逐步增多，导致相控阵雷达的工作环境变得复杂，为了节约成本、提高突防率，各个作战平台相应的配备了多种新式电子设备，进而使平台的各个组件得到进一步优化。

一、相控阵雷达的优势

相控阵可以分为主动有源式与被动无源式，而被动无源式技术于上世纪八十年代中期就已经形成了较为纯熟的系统，并被广泛应用于小型战斗机上面。而主动有源式技术随着时间的推移，直到九十年代末才逐渐在作战机上使用[1]。

相控阵雷达与传统的机械扫描雷达相比，优势较为明显，它有效的解决了机械扫描雷达各种先天不足问题，大相一致的孔径与操作波长下，相控阵的多目标追踪能力、自身分辨率、反应速度、电子反对抗能力都远远强于传统雷达，不过采用这种技术，需要投入大量的经费，科技技术含量高，对技术人员的专业技能要求高。因此，这种相控阵技术大多用于军事作战用途。比较典型的有源相控雷达的应用例子是中国的O52D型驱逐舰。

二、多功能射频的定义

多功能射频技术是采用开放式、模块化、可重组的射频传感器系统体系构架，它的工作原理是用宽带多功能孔径代替作战平上数量较少的天线孔径，结合计算信息技术当中先进的资源管理调度算法及功能控制软件，与此同时，有效实现电子作战、通信、导航、自动识别等多种实用的射频功能。多功能射频技术使雷达自身的反射面积变小，彼此间的干扰也相对减小，使各种武器装备的实战水平提升，此外，采用这种技术还可以有效的降低投入成本，功能消耗相对较小。

发射机、信号处理机及信号接收机通过与多功能射频系统资源共享，使各个系统功能的优势逐步显现出来。多功能射频大致包括射频开关矩阵、时间基准、天线、频率变换、频率综合器、处理器等多个功能型模块。而其中的天线设计尽可能减少孔径，以确保作战需要。未来，多功能射频技术必然朝着开放式、宽频带与多功能的集于一身的方向发展，而这项技术也将在我国的军事作战中发挥至关重要的战略作用[2]。

三、开放式系统架构的分析

开放式系统架构即依据标准化原则建立附属的子系统以及相关系统装备，在射频与微波技术领域，通常采取模块化与标准化的方法来建立相关组件，以此满足军事作战的多个平台的应用所需。而对于单独的个体，其模块化的定义是明确的，同时可拓展的组织架构也可以大大提高设计技术的透明度，进而使科研单位及时改进设计思路、创新技术类型，以缩短研发周期，同时，通过对雷达与电子战共性的分析，也可以减少研发成本。

开放式架构的相控阵雷达系统可以满足未来作战的需要，其功能涉及到雷达、通信及电子战多个领域，加之设计研发周期的缩短，使其适应能力得到有效提高，同时自身的重量、体积以及功率消耗也得到最大限度的优化。开放式系统架构技术的研发与设计，提出的时间较短，如何科学合理划分子系统以及集成设计是当前射频与微波设计人员亟需面对和解决的问题。

四、异构集成方式

在复合型半导体的材料中，inp晶本管的最大负荷如果超过1THz，就适合应用于超高速的混合电路。然而GaN的击穿电压相对较高，因此它的适用也具有一定的局限性，只适用于RF这种高功率的器件，而SiC器件的导热性非常好，通常情况下适用于功率较高的开关；AIN则可应用于频率选择滤波器与时钟参考源电路，其功效较为显著。

而目前，大多数科研人员为了追求成本低、适用性强的原则，着力探寻新型的材料和器件，比如硅基CMOS电路，这种电路所需的成本投入小、集成度高，尤其在数字集成电路方面显现出极大的优势。随着高科技领域不断掀起的技术革新高潮，高性能、低功率消耗、低成本的综合型多功能系統也相继被研发出来，并被应用于实战领域。

五、系统场景的架构模拟仿真

为了适应多功能射频系统的需求，射频及微波设计人员也突破了原有的单纯技术层面，同时也力求超越传统的、简单的电路及附属子系统的模拟仿真，设计师充分考虑实战需要，对雷达、电子战、侦察性能、识别原理等诸多因素进行综合分析与评测，进而为建立模拟实战技术奠定坚实的基础[3]。

系统场景架构就是基于以上因素而形成的仿真模式，射频与微波设计师创设的这种场景架构可以真实准确的测定雷达系统的性能，使投入成本大大降低，同时提高了精确度，设计风险也比较小，这种方法对机载与星载等运动平台的雷达系统的简约化设计以及性能评估具有重要的现实意义。

设计师所创设的场景架构可以分为三个层次，即无线层、信号层与轨迹层，当系统场景架构建立以后，设计师就可以依据雷达方及相关的杂波特征，结合计算模型，对不同场景下的雷达系统性能进行模拟仿真分析。在分析过程中，必须满足于虚警率，并将计算雷达探测概率作为基本参数，综合评定雷达系统性能，这种系统场景模拟仿真技术的检测过程使电路、附属子系统以及系统性参数得到最优化，进而使检测的信噪比与探测概率达到最佳值。

六、射频与微波设计的难度

随着我国军事实战能力的提升，多功能射频与微波技术已在实践当中得到普遍应用，而对于设计人员来说，所面临的设计瓶颈也日益凸显出来。比如有些设计人员将射频电路嵌入其他设计人员的电路当中，由于他们彼此的设计理念与设计格式各不相同，因此使设计效果差强人意，设计效率大打折扣。

由于模拟仿真通常在射频电路中进行，因此，可能会出现遗漏电路板对射频电路产生的巨大影响，这就为整个设计过程增加了难度，给诸多设计人员带来困扰。随着射频内容的逐步充实，射频技术的多元化发展，射频及微波设计人员为了缩短设计周期，提高生产率与产品质量，往往亲力亲为，在自己的设计工具内自行应对射频的设计挑战，但是结果不尽如人意。

在使用射频仿真器对电路建模后，一旦达到所需的电气性能，仿真器就会自行产生该电路的铜箔形状。在这一过程中，设计人员无法正确转换DXF档而无法转换成铜箔形状。这时，就需要设计人员采取手动的方式对整个系统进行操作，使DXF档安全导入，进而形成铜箔形状。由于人为因素的介入，使得铜箔的形状尺寸出现较大的偏差，最终导致整个射频电路失去功效。

结束语：

专业成就梦想，理念决定创意，射频与微波技术人员想要进一步完善射频与微波技术，拓展应用渠道，就必须夯实专业知识基础，以创新的理念适应新时代、新形势下的新型技术领域，并通过自身的不懈努力，实现我国多功能射频与微波技术新的飞跃。

参考文献：

[1]胡善祥，高菡，张德智.相控阵雷达多功能射频与微波设计[J].雷达科学与技术，2018，16（1）：108-112，118.

[2]李弋鹏，姜晓斐.基于相控阵雷达的超视距传输技术探讨[J].通讯世界，2015（14）：37-38.

[3]王君，白华珍，邵雷.多功能综合射频系统共用信号分辨性能研究[J].火力与指挥控制，2018，43（8）：151-155.

作者简介：田耕，男（1984.7.8），汉族，重庆巫山人，本科，工程师，研究方向：雷达射频微波方向，科研项目管理

作者简介：邓桂福，男（1983.1.10），汉族，四川遂宁人，硕士，工程师，研究方向：雷达系统/雷达信号处理