空間饋電相控陣天線有源饋源陣系統(tǒng)設(shè)計

張繼浩，林 鑫，王業(yè)文，王建中

（上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109）

空間饋電相控陣天線有源饋源陣系統(tǒng)設(shè)計

張繼浩，林 鑫，王業(yè)文，王建中

（上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109）

空間饋電單脈沖相控天線的饋源設(shè)計決定了相控陣天線性能，傳統(tǒng)的空間饋電相控陣天線饋源一般采用多模喇叭，實(shí)現(xiàn)和差波束，但存在波束賦形困難、高功率發(fā)射實(shí)現(xiàn)困難等問題。因此提出一種有源饋源陣設(shè)計方法，采用陣列技術(shù)、空間功率合成技術(shù)和唯相位加權(quán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)波束靈活賦形、小功率激勵。用該方法設(shè)計的用于空間饋電相控陣的有源饋源陣，已成功運(yùn)用于空間饋電有源相控陣天線，經(jīng)實(shí)測該有源饋源陣發(fā)射方向圖波束寬度＞60°，接收和方向圖滿足±30°錐削分布＞10 dB，差方向圖零深＞30 dB，測試結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計方法的有效性。

空間饋電；單脈沖有源相控陣天線；有源饋源陣

0 引言

相控陣天線以其波束靈活掃描、多波束形成和響應(yīng)快速的特點(diǎn)，在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域中受到廣泛關(guān)注。對于空間饋電的單脈沖有源相控陣天線，天線處于接收狀態(tài)時，要求同時形成接收和波束、方位差波束和俯仰差波束；天線處于發(fā)射狀態(tài)時，形成發(fā)射和波束?？臻g饋電有源相控陣天線中，這4個波束的形成一般依靠饋源實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)空間饋電有源相控陣饋源一般采用多模喇叭實(shí)現(xiàn)這4種波束［1，2］，但多模喇叭很難實(shí)現(xiàn)收發(fā)波束靈活賦形；此外，為了激勵有源天線陣面，多模喇叭通常需要一大功率功放作激勵源。這些問題的引入，給單脈沖有源相控陣天線的饋源設(shè)計帶來了很大的挑戰(zhàn)。

1 有源饋源陣系統(tǒng)總體設(shè)計方案

有源饋源陣用作空間饋電有源相控陣?yán)走_(dá)天線的饋源。如圖1所示，有源饋源由輻射單元陣面、T／R組件、饋電網(wǎng)絡(luò)、激勵器（含電源，收／發(fā)控制）、冷卻系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)及小功放等構(gòu)成。根據(jù)有源相控陣?yán)走_(dá)天線的使用要求以及空間饋電天線系統(tǒng)的一般設(shè)計原則，選擇由4×4天線微帶偶極子天線［3－5］單元構(gòu)成的陣列天線作為該雷達(dá)天線的組合饋源是適中的，按矩形柵格排列成小面陣。

每個天線單元后面一一對應(yīng)T／R組件，T／R組件用于發(fā)射時的RF功率放大和接收時的小信號低噪聲放大，并通過其內(nèi)部進(jìn)行幅／相控制，以滿足天線陣面的口徑幅／相分布的需要。

圖1 有源饋源原理

T／R通道后面帶有激勵器（含電源），激勵器（含電源）用于驅(qū)動和控制T／R組件正常工作。激勵器接收波控線網(wǎng)上來的各種控制信號，進(jìn)行融合處理并再分配，而后控制T／R組件的RF信號的相位、幅度、收發(fā)通道切換和接收通道衰減等，同時對T／R組件的主要硬件進(jìn)行故障檢測，并把檢測結(jié)果按要求送回波控機(jī)或雷達(dá)中心計算機(jī)。激勵器內(nèi)含的電源為T／R組件提供工作電壓和電流。

收／發(fā)控制用來協(xié)調(diào)4×4個T／R組件的工作，保證饋源的收／發(fā)與天線陣面的同步，并按約定的工作模式計算波控碼，送到相應(yīng)的激勵器端口上。此收／發(fā)波控機(jī)由饋源激勵器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

饋電網(wǎng)絡(luò)用于將4×4矩形柵格上的RF能量和信號進(jìn)行分配與組合，獲得雷達(dá)所需要的發(fā)射和波束Σt，接收和波束Σr，方位差波束ΔA、俯仰差波束ΔE。

小功放為整個有源饋源提供激勵信號。陣?yán)鋮s系統(tǒng)用于T／R組件的散熱。支撐結(jié)構(gòu)用來支撐有源（T／R）陣列饋源組合，并與封閉式空饋結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。

2 有源饋源陣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 有源饋源陣輻射單元陣列設(shè)計

由4×4個印刷天線輻射單元構(gòu)成的小面陣如圖2所示，按矩形柵格排列。

天線陣面單元間距確定為：dx＝0.8λ，dy＝0. 8λ。輻射單元與T／R組件一一對應(yīng)，共同構(gòu)成2個“背靠背”列線陣，每個列線陣均由4×2個單元組成。

為了減小整個饋源的縱向尺寸以及便于維護(hù)，激勵器可以安置在饋源的周圍兩側(cè)，并設(shè)有保護(hù)板。

圖2 4×4輻射單元矩形排列前視圖

2.2 有源饋源陣的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

饋電網(wǎng)絡(luò)由4個1分4功率分配器、二維和差一體化網(wǎng)絡(luò)［6－8］、環(huán)形器和若干電纜組件構(gòu)成。4×4陣列饋源單元的組合饋電網(wǎng)絡(luò)，是把16個輸入輸出饋電點(diǎn)轉(zhuǎn)換為4個輸入輸出饋電點(diǎn)，反之亦然。這里16個饋電點(diǎn)發(fā)射時對天線陣面照射，而后接收來自天線陣面的回波信號。后面的4個饋電點(diǎn)每一個都將對應(yīng)一個波束通道，分別形成發(fā)射波束Σt、接收和波束Σr、方位差波束ΔA以及俯仰差波束ΔE。陣面分成4個子陣，每個子陣為2×2共4個單元，該4個單元通過1個4路合成器合成一路，4個子陣形成4路，進(jìn)入后面和差網(wǎng)絡(luò)及環(huán)形器，形成整個強(qiáng)迫饋電網(wǎng)絡(luò)。陣列饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示。

圖3 4×4饋源饋電網(wǎng)絡(luò)

2.3 有源饋源陣的T／R組件

有源陣列饋源包含16個T／R組件，安裝于陣列支撐架上。饋源的T／R組件飽和輸出的發(fā)射功率由天線陣面T／R的發(fā)射通道達(dá)到功率飽和輸出時的最小輸入驅(qū)動功率以及陣列饋源組合距天線陣面的距離共同確定。根據(jù)設(shè)計要求，在天線收發(fā)工作時，可以根據(jù)系統(tǒng)要求，對每個T／R組件進(jìn)行單獨(dú)配相。根據(jù)已確定的天線陣面尺寸及規(guī)模，估算出陣列饋源組合總輸出功率，考慮到天線70%效率，可確定T／R組件的發(fā)射功率，如此把原來需要大功率激勵源分解為16個小功率激勵源，通過空間功率合成，得到天線陣面需要的功率要求。

2.4 有源饋源陣發(fā)射時小功放設(shè)計

估計饋電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射通道Σt的插入損耗，根據(jù)單個T／R組件的發(fā)射驅(qū)動功率電平為要求，滿足驅(qū)動有源饋源陣4×4個T／R組件使之發(fā)射時輸出最大。

可直接用一個T組件作為陣列饋源組合發(fā)射時的小功放。小功放直接安放于饋源冷板上，水冷冷卻。

2.5 有源饋源陣收／發(fā)方向圖軟件賦形設(shè)計

4×4陣列組合饋源在發(fā)射時，希望每一個T／R組件的發(fā)射輸出功率都達(dá)到最大，并通過相位賦形獲得需要的發(fā)射波束Σt。接收時使每一個T／R組件的接收通道的增益均衡一致。盡管陣列饋源系統(tǒng)不掃描，但仍須移相器作相位賦形以及饋源的接收相位校準(zhǔn)。為了獲得天線陣面所需要的饋源收／發(fā)方向圖形狀，需對饋源采用唯相位軟件加權(quán)技術(shù)［2，9］對陣列組合饋源的方向圖進(jìn)行控制。

天線發(fā)射時，控制饋源發(fā)射波束寬度約為60°，經(jīng)多次迭代計算采用表1所示的加權(quán)相位對陣列組合饋源加權(quán)。

表1 陣列組合饋源發(fā)射加權(quán)相位值 單位（°）

天線接收時，陣列組合饋源要獲得在±30°范圍內(nèi)10 dB錐削分布，經(jīng)多次迭代計算采用表2所示的加權(quán)相位。

表2 陣列組合饋源接收加權(quán)相位值 單位（°）

2.6 有源饋源陣結(jié)構(gòu)

有源饋源陣在結(jié)構(gòu)上自成獨(dú)立系統(tǒng)，必須適應(yīng)封閉式空饋結(jié)構(gòu)要求，做到自密封和電磁屏蔽。支撐結(jié)構(gòu)用來支撐有源饋源陣，并與封閉式空饋結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。

饋源采用水冷散熱。并且能夠翻倒收起，三維立體圖如圖4所示。

圖4 有源饋源三維立體圖

3 系統(tǒng)仿真與應(yīng)用結(jié)果分析

通過饋電網(wǎng)絡(luò)控制4×4陣列饋源單元相位分布如表1和表2所示，利用式（1）［2］即可計算有源饋源陣收／發(fā)方向圖。

式中，dx為X方向陣元間距；dy為Y方向的陣元間距；amn為第mn個單元饋電相對于第00單元的饋電強(qiáng)度的比值；ψmn為第mn個單元饋電相對于00單元的相位差。陣列組合饋源發(fā)射方向圖如圖5所示。

圖5 陣列組合饋源發(fā)射方向圖

發(fā)射時采用表1所示的相位加權(quán)技術(shù)與空間功率合成，發(fā)射方向圖波束寬度＞60°，饋源發(fā)射功率滿足陣面激勵需求。陣列組合饋源接收和差方向圖如圖6所示。接收時采用表2所示的相位加權(quán)以及陣列和差設(shè)計等方法，獲得了接收和方向圖滿足±30°錐削分布＞10 dB的要求，差方向圖零深大于30 dB，滿足有源饋源陣技術(shù)要求。

圖6 陣列組合饋源接收和差方向圖

該有源饋源運(yùn)用于空間饋電有源相控陣?yán)走_(dá)天線，經(jīng)實(shí)測，天線和接收副瓣電平＞25 dB，差接收副瓣電平＞20 dB，差零深＞30 dB，天線發(fā)射時天線T通道飽和工作，這些性能滿足天饋線系統(tǒng)要求。

4 結(jié)束語

詳細(xì)介紹了一種空間饋電相控陣天線陣列組合饋源設(shè)計方法，并給出了陣列組合饋源的組成與各部分的實(shí)現(xiàn)方式。采用陣列技術(shù)、空間功率合成技術(shù)、唯相位加權(quán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)波束靈活賦形、小功率激勵和寬頻帶，從而規(guī)避了傳統(tǒng)單脈沖空饋相控陣天線多模喇叭饋源的一些缺陷。實(shí)測結(jié)果表明，發(fā)射方向圖波束寬度＞60°，接收和方向圖滿足± 30°錐削分布＞10 dB，差方向圖零深＞30 dB，這些指標(biāo)達(dá)到了單脈沖空饋相控陣天線饋源陣的總體要求。目前該組合陣列饋源已完成研制，并成功運(yùn)用于型號，測試結(jié)果驗(yàn)證了該饋源設(shè)計方法的有效性。該方法為大型單脈沖空饋相控陣天線饋源設(shè)計提供了參考。

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Design on an Active Feed Array for Space-fed Phased Array Antenna

ZHANG Ji-hao，LIN Xin，WANG Ye-wen，WANG Jian-zhong
（Shanghai Aerospace Electronics and Communication Equipment Research Institute，Shanghai 201109，China）

The performances of space-fed monopulse phased array depend mainly on the design of its feed.The multi-mode horn is a very common choice for feed in traditional space-fed phased arrays.The horn feed can excite common／differential beam，however，it suffers from such difficulties as beam shaping and high-power transmission.The paper puts forward a design method of active feed array for flexible Tx／Rx beam shaping and low-power excitation by using such techniques as array，space power synthesizing and phase-only weighting.The active feed array based on the design is fabricated and employed in the active phased array antenna system.The experi-mental results show that the transmitting pattern beam width of this active feed array is more than 60°，the taper distribution is larger than 10dB in±30°range of sum pattern，and the null depth of difference pattern is larger than 30dB.The test results prove the feasibility of the design.

space-fed；monopulse phased-array antenna；active feed array

TN015

A

1003－3106（2015）10－0055－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.15

張繼浩，林 鑫，王業(yè)文，等.空間饋電相控陣天線有源饋源陣系統(tǒng)設(shè)計［J］.無線電工程，2015，45（10）：55－58.

張繼浩男，（1979—），碩士研究生，高級工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計。

2015-07-21

國家國際科技合作專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2012DFB10200）。

林 鑫男，（1983—），碩士研究生，工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計。