美國海軍綜合射頻系統(tǒng)的發(fā)展

現(xiàn)代戰(zhàn)爭離不開電磁頻譜的使用，制電磁權(quán)已經(jīng)成為敵我雙方爭奪的一個新的“制高點。隨著海上作戰(zhàn)樣式的不斷更新和變化，水面艦艇對預(yù)警探測、通信導(dǎo)航和電子對抗等功能的需求越來越多，這給其上層建筑的設(shè)計帶來巨大挑戰(zhàn)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，上世紀90年代開始服役的阿利·伯克級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦比80年代服役的查爾斯·F·亞當斯級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦天線數(shù)量增加了 86%，而對于航母和其他作戰(zhàn)平臺的天線增加的更多。

盡管天線數(shù)量的增加是能力增強的結(jié)果，但它也會帶來電磁兼容、維修成本高和影響艦船隱身性等問題。為此，從上世紀90 年代開始，美國海軍多年來一直致力于解決這些問題，迭代推進了一系列的項目，從最初的先進多功能射頻系統(tǒng)概念（AMRFS/C）到多功能電子戰(zhàn)（MFEW），以及之后的集成上層建筑（In Top）等項目。

從AMRFS到AMRFC

20 世紀 90 年代，科研人員對使用電磁波通過單個天線和處理設(shè)備操作雷達、無線電通信和電子戰(zhàn)設(shè)備的概念進行了具體研究。這些都是作為單獨設(shè)備開發(fā)的，但是將多個功能集成到單個設(shè)備中并不容易。因為需要將發(fā)射連續(xù)波（CW）信號的通信和電子攻擊（EA）、發(fā)射脈沖信號的搜索雷達，以及對反艦導(dǎo)彈無線電導(dǎo)引頭的輻射發(fā)出告警信號的電子戰(zhàn)支持（ES）裝置集成到單個系統(tǒng)中。

1996年，美國海軍研究辦公室啟動了先進多功能射頻系統(tǒng)（AMRFS）項目。該項目旨在解決美國海軍在增加艦船頂部射頻（RF）功能/數(shù)量方面面臨的嚴重技術(shù)挑戰(zhàn)。項目涉及的先進技術(shù)包括有源天線系統(tǒng)、寬帶固態(tài)微波單片集成電路（MMIC）放大器、小型寬帶射頻組件（輻射元件、濾波器、隔離器）、寬帶數(shù)字和光子波束形成器，以及實時多個同時RF功能控制（頻率、陣列孔徑、波束空間和時間線的管理）。

AMRFS天線陣列如下圖所示，其中發(fā)射陣列由可動態(tài)配置的子陣組合的發(fā)射陣列組成，它被分割來構(gòu)成多個瞬時發(fā)射波束，圖中發(fā)射陣列的4 個部分由于目前在功率放大器還不能同時放大一個以上的信號，因此每個發(fā)射子陣只能一次用于一種功能。然而，對于接收陣列，在一個子陣中可存在一個以上的信號，整個或部分接收陣列可基于功能的增益和帶寬要求，通過分割的陣列尺寸同時用于多個功能。

由于此時的移相器瞬時帶寬只有200MHz，很難滿足瞬時帶寬400MHz的要求，為此波束形成項目采用當時研究正熱的光波束形成，光波束形成采用如下圖所示的光纖色散棱鏡的方案。

DAVID C.WU1974年加入海軍研究實驗室戰(zhàn)術(shù)電子戰(zhàn)處，他擔任本項目高波段多功能發(fā)射系統(tǒng)和低波段多功能傳輸系統(tǒng)項目的負責人，用他背后的展板可以看到AMRFS的相關(guān)光波束形成的PPT。光波束形成是一種非常有潛力的技術(shù)，但隨著電子元器件的發(fā)展，寬帶ADC、DAC以及高速數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，在美國海軍后續(xù)項目的研究中，光波束形成貌似逐漸被數(shù)字波束形成所取代。

AMRFS采用收發(fā)分置，并將1GHz~20GHz 頻率分割成兩個頻段，低頻段(1GHz~5GHz)和高頻段(4GHz~18GHz)。具體如圖所示。

1999年7月在佛羅里達州埃格林空軍基地，AMRFS使用 NP-3D 作為模擬目標，在改裝的 R/V Lauren（一艘退役炮艦 USS Douglas (PG 100)）船上僅安裝發(fā)射陣列進行了海上試驗，對AMRFS的多功能能力進行演示。AMRFS的發(fā)射陣列示意圖如下。

1998年，AMRFS合并到先進多功能射頻概念（AMRFC）項目，并于2001年進行了一系列測試。AMRFC 是一個原型，旨在演示集成雷達、通信和電子戰(zhàn) (EW) 功能的系統(tǒng)。該測試臺安裝在美國馬里蘭州切薩皮克灣西海岸的一個測試設(shè)施（NRL切薩皮克灣支隊（CBD））。它使用 6-18 GHz（C-Ku 頻段）并具有用于傳輸和接收的獨立陣列天線。

發(fā)射天線為1024陣元陣列天線，由4個256陣元子陣組成，通過分配每個子陣，可以同時形成最多4個波束。每個最多可分配 4 個 EA、通信和雷達信號，并且按時間分割最多可輸出 8 個 EA 信號。接收天線工作在6至18 GHz的頻率范圍內(nèi)，由1152個單元組成，其中128單元子陣列以3×3排列，以及用于ES的9單元無線電干涉儀。

EW功能假定為干擾反艦導(dǎo)彈等的導(dǎo)引頭，試驗中演示了ES和EA與其他功能并行的交戰(zhàn)。通信功能支持X/Ku頻段CDL/TCDL視距通信、X頻段DSCS衛(wèi)星通信、Ku頻段商業(yè)衛(wèi)星通信。盡管由于無線電發(fā)射限制，我們無法在測試臺上展示全部性能，但該陣列似乎已經(jīng)在兩個鏈路上展示了操作。它還可用作使用一個發(fā)射子陣列和一個接收通道的 FMCW 雷達，用于水面目標檢測。

在AMRFC的開發(fā)中，隨著支持寬帶和多功能的硬件的發(fā)展，負責為每個功能適當分配資源的RAM（資源分配管理器）也很重要。由于單個天線系統(tǒng)承載多種功能，因此有必要整理出因操作員輸入而產(chǎn)生的每個功能的沖突資源需求。AMRFC 開發(fā)的 RAM 成為后續(xù)多功能天線系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

在同一時期（1990年代至2000年代），AN/SLY-2 AIEWS（先進綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)）被開發(fā)，用于取代SLQ-32。AIEWS分為Increment 1和2, Inc. 1僅限于ES, Inc. 2計劃增加EA功能。計劃采用二維陣列天線來提高探測精度和更新速率，并與艦上作戰(zhàn)系統(tǒng)高度集成。AMRFC 和 AIEWS 都計劃使用 GaAs MMIC技術(shù)。

多功能電子戰(zhàn)（MFEW）

盡管AMRFC在技術(shù)開發(fā)方面取得了相當大的成功，但它并沒有立即安裝部署到戰(zhàn)斗中的艦艇上。2004年，美國海軍決定開發(fā)現(xiàn)有AMRFC的版本2（也即MFEW），該計劃于2005財年啟動。這樣做是為了將技術(shù)轉(zhuǎn)移到 SLQ-32 SEWIP 和 Zumwalt 級電子戰(zhàn)設(shè)備中，然后是 DD(X) 。另外，當時SLQ-32已經(jīng)裝備了30年，并且由于上述AIEWS被取消，啟動了SEWIP（水面電子戰(zhàn)改進計劃）來應(yīng)對新的威脅。

MFEW 設(shè)計為與 AMRFC中開發(fā)的 RAM 結(jié)合使用，并且由于它旨在部署到 SEWIP，因此可以與作為已開發(fā)的 SEWIP Block 1 ESE 開發(fā)的處理設(shè)備進行比擬。

開發(fā)的高級開發(fā)模型（ADM）是基于集裝箱的底盤，于2007年10月交付。交付后，將其放置在 NRL CBD 的 AMRFC 上并放置在模擬同一區(qū)域船舶運動的模擬器上進行測試。此后，在2008年夏天，它被安裝在康斯托克號航空母艦（ LSD 45）上，參加了環(huán)太平洋軍演，MFEW 開發(fā)的技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用到 SEWIP Block 2，安裝到許多美國海軍水面作戰(zhàn)艦艇上。

InTop INP 和 EW/IO/Comm ADM

2008年，在MFEW完成演示驗證后，美國海軍開始了InTop（集成上層建筑）項目，項目旨在開發(fā)在船上安裝多功能射頻系統(tǒng)的技術(shù)計劃，而不是安裝多個單功能船載射頻系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法。最初被稱為INP（創(chuàng)新海軍原型），這是一個旨在開發(fā)尚未明確表示但預(yù)計將受到軍方要求的創(chuàng)新原型的框架。InTop INP 開發(fā)了多種 ADM 作為具體原型。這些原型之一是 EW/IO/Comm ADM。

EW/IO/Comm ADM，顧名思義，是一個具有電子戰(zhàn)、信息作戰(zhàn)和視距通信功能的多功能射頻系統(tǒng)，也是SEWIP Block 3技術(shù)評估的原型。設(shè)計于 2010 年開始，最遲可能在 2014 年 7 月進行基于場景的測試。ADM與 AMRFC 和 MFEW聯(lián)合工作。 下圖是一個非常有意思的圖。安裝在 NRL CBD 的 EW/IO/Comm ADM（左）、MFEW（右上）、AMRFC V1（右下）。

發(fā)射和接收天線分置，各有兩個天線陣列，每個象限共四個天線陣列，工作在C頻段至毫米波頻段?？紤]到AMRFC 為6-18GHz，即C-Ku頻段，相應(yīng)的頻率特別是在高頻側(cè)得到了擴展。這同時與美國海軍電子戰(zhàn)裝備發(fā)展的技術(shù)趨勢不謀而合。美國海軍主要為第七艦隊開發(fā)了AN/SLQ-59作為TEWM（可移動電子戰(zhàn)模塊），因為擔心提供EA能力的SEWIP Block 3的部署會因敵方技術(shù)發(fā)展而延遲。有提到這是為了對付東方大國的YJ-18等反艦導(dǎo)彈的毫米波導(dǎo)引頭。

根據(jù)相關(guān)資料，EW/IO/Comm ADM 和 SEWIP Block 3 工作在 X 頻段、X-K 頻段。反艦導(dǎo)彈，以及近年來越來越多使用的較短波長，因此需要將電子戰(zhàn)設(shè)備更新到毫米波波段。

InTop 之后

InTop INP于2015財年暫時終止（部分未完成的工作結(jié)轉(zhuǎn)至下一財年），這些成果新結(jié)轉(zhuǎn)至EMC2 INP。下圖中的 IO/Comm/EW 不是由 InTop 的 ADM 開發(fā)的，而是由 EMC2 以 LowRIDR 的項目開發(fā)的。LowRIDR 是 HF~C 頻段的多功能射頻系統(tǒng)，可與 EW/IO/Comm ADM 協(xié)同。它還旨在優(yōu)化和利用基于 InTop 開發(fā)的 RAM 的電子戰(zhàn)、信息作戰(zhàn)、通信和雷達功能。

下圖中，這一系列研究開發(fā)的幾個 ADM 在 NRL CBD 中靠的非常近，具體如下圖。