美国海军综合射频系统的发展-电子发烧友网

现代战争离不开电磁频谱的使用，制电磁权已经成为敌我双方争夺的一个新的“制高点。随着海上作战样式的不断更新和变化，水面舰艇对预警探测、通信导航和电子对抗等功能的需求越来越多，这给其上层建筑的设计带来巨大挑战。根据相关数据，上世纪90年代开始服役的阿利·伯克级导弹驱逐舰比80年代服役的查尔斯·F·亚当斯级导弹驱逐舰天线数量增加了 86%，而对于航母和其他作战平台的天线增加的更多。

尽管天线数量的增加是能力增强的结果，但它也会带来电磁兼容、维修成本高和影响舰船隐身性等问题。为此，从上世纪90 年代开始，美国海军多年来一直致力于解决这些问题，迭代推进了一系列的项目，从最初的先进多功能射频系统概念（AMRFS/C）到多功能电子战（MFEW），以及之后的集成上层建筑（In Top）等项目。

从AMRFS到AMRFC

20 世纪 90 年代，科研人员对使用电磁波通过单个天线和处理设备操作雷达、无线电通信和电子战设备的概念进行了具体研究。这些都是作为单独设备开发的，但是将多个功能集成到单个设备中并不容易。因为需要将发射连续波（CW）信号的通信和电子攻击（EA）、发射脉冲信号的搜索雷达，以及对反舰导弹无线电导引头的辐射发出告警信号的电子战支持（ES）装置集成到单个系统中。

1996年，美国海军研究办公室启动了先进多功能射频系统（AMRFS）项目。该项目旨在解决美国海军在增加舰船顶部射频（RF）功能/数量方面面临的严重技术挑战。项目涉及的先进技术包括有源天线系统、宽带固态微波单片集成电路（MMIC）放大器、小型宽带射频组件（辐射元件、滤波器、隔离器）、宽带数字和光子波束形成器，以及实时多个同时RF功能控制（频率、阵列孔径、波束空间和时间线的管理）。

AMRFS天线阵列如下图所示，其中发射阵列由可动态配置的子阵组合的发射阵列组成，它被分割来构成多个瞬时发射波束，图中发射阵列的4 个部分由于目前在功率放大器还不能同时放大一个以上的信号，因此每个发射子阵只能一次用于一种功能。然而，对于接收阵列，在一个子阵中可存在一个以上的信号，整个或部分接收阵列可基于功能的增益和带宽要求，通过分割的阵列尺寸同时用于多个功能。

由于此时的移相器瞬时带宽只有200MHz，很难满足瞬时带宽400MHz的要求，为此波束形成项目采用当时研究正热的光波束形成，光波束形成采用如下图所示的光纤色散棱镜的方案。

DAVID C.WU1974年加入海军研究实验室战术电子战处，他担任本项目高波段多功能发射系统和低波段多功能传输系统项目的负责人，用他背后的展板可以看到AMRFS的相关光波束形成的PPT。光波束形成是一种非常有潜力的技术，但随着电子元器件的发展，宽带ADC、DAC以及高速数字信号处理技术的发展，在美国海军后续项目的研究中，光波束形成貌似逐渐被数字波束形成所取代。

AMRFS采用收发分置，并将1GHz~20GHz 频率分割成两个频段，低频段(1GHz~5GHz)和高频段(4GHz~18GHz)。具体如图所示。

1999年7月在佛罗里达州埃格林空军基地，AMRFS使用 NP-3D 作为模拟目标，在改装的 R/V Lauren（一艘退役炮舰 USS Douglas (PG 100)）船上仅安装发射阵列进行了海上试验，对AMRFS的多功能能力进行演示。AMRFS的发射阵列示意图如下。

1998年，AMRFS合并到先进多功能射频概念（AMRFC）项目，并于2001年进行了一系列测试。AMRFC 是一个原型，旨在演示集成雷达、通信和电子战 (EW) 功能的系统。该测试台安装在美国马里兰州切萨皮克湾西海岸的一个测试设施（NRL切萨皮克湾支队（CBD））。它使用 6-18 GHz（C-Ku 频段）并具有用于传输和接收的独立阵列天线。

发射天线为1024阵元阵列天线，由4个256阵元子阵组成，通过分配每个子阵，可以同时形成最多4个波束。每个最多可分配 4 个 EA、通信和雷达信号，并且按时间分割最多可输出 8 个 EA 信号。接收天线工作在6至18 GHz的频率范围内，由1152个单元组成，其中128单元子阵列以3×3排列，以及用于ES的9单元无线电干涉仪。

EW功能假定为干扰反舰导弹等的导引头，试验中演示了ES和EA与其他功能并行的交战。通信功能支持X/Ku频段CDL/TCDL视距通信、X频段DSCS卫星通信、Ku频段商业卫星通信。尽管由于无线电发射限制，我们无法在测试台上展示全部性能，但该阵列似乎已经在两个链路上展示了操作。它还可用作使用一个发射子阵列和一个接收通道的 FMCW 雷达，用于水面目标检测。

在AMRFC的开发中，随着支持宽带和多功能的硬件的发展，负责为每个功能适当分配资源的RAM（资源分配管理器）也很重要。由于单个天线系统承载多种功能，因此有必要整理出因操作员输入而产生的每个功能的冲突资源需求。AMRFC 开发的 RAM 成为后续多功能天线系统的基础。

在同一时期（1990年代至2000年代），AN/SLY-2 AIEWS（先进综合电子战系统）被开发，用于取代SLQ-32。AIEWS分为Increment 1和2, Inc. 1仅限于ES, Inc. 2计划增加EA功能。计划采用二维阵列天线来提高探测精度和更新速率，并与舰上作战系统高度集成。AMRFC 和 AIEWS 都计划使用 GaAs MMIC技术。

多功能电子战（MFEW）

尽管AMRFC在技术开发方面取得了相当大的成功，但它并没有立即安装部署到战斗中的舰艇上。2004年，美国海军决定开发现有AMRFC的版本2（也即MFEW），该计划于2005财年启动。这样做是为了将技术转移到 SLQ-32 SEWIP 和 Zumwalt 级电子战设备中，然后是 DD(X) 。另外，当时SLQ-32已经装备了30年，并且由于上述AIEWS被取消，启动了SEWIP（水面电子战改进计划）来应对新的威胁。

MFEW 设计为与 AMRFC中开发的 RAM 结合使用，并且由于它旨在部署到 SEWIP，因此可以与作为已开发的 SEWIP Block 1 ESE 开发的处理设备进行比拟。

开发的高级开发模型（ADM）是基于集装箱的底盘，于2007年10月交付。交付后，将其放置在 NRL CBD 的 AMRFC 上并放置在模拟同一区域船舶运动的模拟器上进行测试。此后，在2008年夏天，它被安装在康斯托克号航空母舰（ LSD 45）上，参加了环太平洋军演，MFEW 开发的技术现已应用到 SEWIP Block 2，安装到许多美国海军水面作战舰艇上。

InTop INP 和 EW/IO/Comm ADM

2008年，在MFEW完成演示验证后，美国海军开始了InTop（集成上层建筑）项目，项目旨在开发在船上安装多功能射频系统的技术计划，而不是安装多个单功能船载射频系统的传统方法。最初被称为INP（创新海军原型），这是一个旨在开发尚未明确表示但预计将受到军方要求的创新原型的框架。InTop INP 开发了多种 ADM 作为具体原型。这些原型之一是 EW/IO/Comm ADM。

EW/IO/Comm ADM，顾名思义，是一个具有电子战、信息作战和视距通信功能的多功能射频系统，也是SEWIP Block 3技术评估的原型。设计于 2010 年开始，最迟可能在 2014 年 7 月进行基于场景的测试。ADM与 AMRFC 和 MFEW联合工作。下图是一个非常有意思的图。安装在 NRL CBD 的 EW/IO/Comm ADM（左）、MFEW（右上）、AMRFC V1（右下）。

发射和接收天线分置，各有两个天线阵列，每个象限共四个天线阵列，工作在C频段至毫米波频段。考虑到AMRFC 为6-18GHz，即C-Ku频段，相应的频率特别是在高频侧得到了扩展。这同时与美国海军电子战装备发展的技术趋势不谋而合。美国海军主要为第七舰队开发了AN/SLQ-59作为TEWM（可移动电子战模块），因为担心提供EA能力的SEWIP Block 3的部署会因敌方技术发展而延迟。有提到这是为了对付东方大国的YJ-18等反舰导弹的毫米波导引头。

根据相关资料，EW/IO/Comm ADM 和 SEWIP Block 3 工作在 X 频段、X-K 频段。反舰导弹，以及近年来越来越多使用的较短波长，因此需要将电子战设备更新到毫米波波段。

InTop 之后

InTop INP于2015财年暂时终止（部分未完成的工作结转至下一财年），这些成果新结转至EMC2 INP。下图中的 IO/Comm/EW 不是由 InTop 的 ADM 开发的，而是由 EMC2 以 LowRIDR 的项目开发的。LowRIDR 是 HF~C 频段的多功能射频系统，可与 EW/IO/Comm ADM 协同。它还旨在优化和利用基于 InTop 开发的 RAM 的电子战、信息作战、通信和雷达功能。