星載SAR有源相控陣天線集成架構(gòu)發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)

王志剛 陳梁玉 楊聽(tīng)廣 張先鋒

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種主動(dòng)微波成像裝置，是將雷達(dá)安裝在衛(wèi)星平臺(tái)上，利用衛(wèi)星平臺(tái)與觀測(cè)目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒頻率變化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理來(lái)獲取大面積、高質(zhì)量的圖像。圖像在抗災(zāi)救災(zāi)、國(guó)土資源普查、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。星載SAR具備穿透云層和黑暗的能力，因此能在任何時(shí)間、任何天氣情況下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)和成像[1]。

星載SAR的核心組成部分是天線系統(tǒng)，決定著星載SAR的性能。有源相控陣天線是星載SAR天線的主要類別之一，有源相控陣天線具有波束控制靈活、掃描角度大等特性，越來(lái)越廣泛應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)中，也將成為未來(lái)大口徑星載SAR雷達(dá)的主流技術(shù)。未來(lái)星載SAR要實(shí)現(xiàn)高分辨對(duì)地成像等任務(wù)，較大的口徑和較強(qiáng)的電性能是必不可少的要求，這也造成了系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)備量急劇增加。而衛(wèi)星平臺(tái)、火箭發(fā)射能力和效費(fèi)比等因素又制約著SAR載荷的體積、質(zhì)量和成本。綜合國(guó)內(nèi)外在軌應(yīng)用或者正在研制的星載SAR，輕質(zhì)、大口徑、高性能的星載有源相控陣天線，己成為當(dāng)前星載有源相控陣天線研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[2-4]。

由于材料、工藝和元器件等技術(shù)的限制，在早期的有源相控陣天線系統(tǒng)中，每個(gè)功能模塊或單機(jī)獨(dú)立存在，并且體積、質(zhì)量和功耗都居高不下。而且每個(gè)功能模塊或單機(jī)之間一般采用高頻電纜和低頻電纜連接的方式進(jìn)行射頻信號(hào)與和低頻信號(hào)的傳輸。隨著微波系統(tǒng)中有源通道數(shù)量的增多，每個(gè)功能模塊或單機(jī)之間的連接器和電纜數(shù)量也隨之增多，使得其體積、質(zhì)量增加，占用較多的空間尺寸，其電纜走線關(guān)系復(fù)雜、電纜交錯(cuò)盤繞，電纜的安裝固定繁瑣，對(duì)系統(tǒng)的輕小型化和可維修性帶來(lái)很大不便[5]。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，在傳統(tǒng)的星載有源相控陣天線中，天線系統(tǒng)總質(zhì)量中無(wú)源部分(饋電網(wǎng)絡(luò)和高低頻電纜)質(zhì)量占比30%以上，比例最高[6]。因此，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不能滿足衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)體積質(zhì)量的要求，必須采用新的設(shè)計(jì)思路和集成方法。

本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外星載有源相控陣天線研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了3種典型的有源相控陣天線架構(gòu)設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)磚塊式有源相控陣天線架構(gòu)設(shè)計(jì)、一體化有源相控陣天線架構(gòu)設(shè)計(jì)和片式有源相控陣天線架構(gòu)設(shè)計(jì)，并比較了其優(yōu)缺點(diǎn)。提出了星載有源相控陣天線的發(fā)展趨勢(shì)：柔性薄膜有源相控陣天線，并介紹了其關(guān)鍵技術(shù)。

1 星載有源相控陣天線研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外星載有源相控陣天線研究現(xiàn)狀

以美國(guó)和歐洲為代表的國(guó)外星載SAR發(fā)展迅速，其核心組成部分即天線，從反射面體制發(fā)展到多功能、多工作模式的有源相控陣體制，有源相控陣天線技術(shù)得到了充分的研究和應(yīng)用。

雷達(dá)衛(wèi)星2號(hào)(RadarSat-2)SAR天線是由加拿大MDA公司為滿足全球?qū)Φ赜^測(cè)市場(chǎng)的需求而研制開(kāi)發(fā)的有源相控陣天線。整個(gè)天線分成了4個(gè)陣面，每個(gè)陣面上安裝了天線輻射單元、收發(fā)(T/R)組件、列驅(qū)動(dòng)單元和相關(guān)的電源、控制和射頻信號(hào)互連線纜以及配電網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。陣面采用一體化的鋁制結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)是更輕的質(zhì)量和更佳的結(jié)構(gòu)效率[7]。

圖1 RadarSat-2 SAR天線陣面總成布局圖

陸地合成孔徑雷達(dá)(TerraSAR-X)是德國(guó)航空航天中心和Astrium Gmbh公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的X頻段合成孔徑雷達(dá)。天線前端包含了12個(gè)電氣陣面，每個(gè)陣面分成了32個(gè)子陣，圖2是天線陣面示意圖。每個(gè)子陣由1個(gè)水平極化和1個(gè)垂直極化裂縫波導(dǎo)和連接到波導(dǎo)上的T/R組件組成。陣面還有2個(gè)射頻分配網(wǎng)絡(luò)和1個(gè)電源模塊。射頻分配網(wǎng)絡(luò)包含微帶功分器和面板與中央電子設(shè)備之間的同軸電纜[8]。

圖2 TerraSAR-X天線陣面

從RadarSat-2 SAR天線和TerraSAR-X天線來(lái)看，系統(tǒng)的集成度仍然較低，大都采用獨(dú)立單機(jī)設(shè)計(jì)加工組裝的方式，但都采用模塊化設(shè)計(jì)，這種模式有利于天線的安裝集成和擴(kuò)展。

為解決傳統(tǒng)星載有源相控陣天線體積、質(zhì)量過(guò)于龐大和集成度低的問(wèn)題，國(guó)外進(jìn)行了大量研究。一方面采用集成技術(shù)，另一方面采用柔性薄膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)有源相控陣天線質(zhì)量面密度大幅度縮減。

地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座系統(tǒng)(COSMO-SkyMed)是意大利空間局和國(guó)防部共同資助的一個(gè)4衛(wèi)星星座。天線分成了3個(gè)機(jī)械陣面，每個(gè)陣面包含40個(gè)瓦片。天線是由瓦片和其他無(wú)源部分組成的。瓦片天線安裝在鋁陣面框架上，它是一個(gè)具有完全功能的有源相控陣天線，包括4列每列8個(gè)水平和垂直雙極化輻射單元，每列對(duì)應(yīng)8個(gè)雙極化T/R組件以及延遲組件、波束控制器和2個(gè)電源模塊。瓦片天線內(nèi)部分成了7個(gè)獨(dú)立的空間，T/R組件占了4個(gè)空間，電源單元分配了2個(gè)空間，另一個(gè)用于數(shù)字控制器和延遲組件。瓦片天線的散熱是通過(guò)安裝在瓦片天線背面的7個(gè)獨(dú)立的蓋板來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)在T/R組件的熱區(qū)域放置熱填料來(lái)改善T/R組件與瓦片天線的熱交換。圖3展示了瓦片天線內(nèi)部和外部情況。

圖3 COSMO-SkyMed 瓦片天線內(nèi)部

圖4是COSMO-SkyMed輻射單元的截面圖，輻射單元由12層共線極化貼片天線組成，通過(guò)縫隙耦合將射頻信號(hào)饋給功分網(wǎng)絡(luò)。輻射單元使用了兩個(gè)功分網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)功分網(wǎng)絡(luò)分別連接一種線極化的天線端口。天線通過(guò)盲插連接器與有源模塊互連。8個(gè)輻射單元集成在一起形成一個(gè)輻射板[9]。

圖4 COSMO-SkyMed輻射單元截面圖

德國(guó)航空航天中心資助的智能天線終端(Smart Antenna Terminal，SANTANA)項(xiàng)目介紹了一個(gè)高度集成的Ka頻段有源天線前端模塊架構(gòu)的概念和設(shè)計(jì)。由于采用了數(shù)字波束形成技術(shù)，需要適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)架構(gòu)來(lái)處理高頻率帶來(lái)的天線集成密度高的問(wèn)題。它將天線、射頻電路和冷卻系統(tǒng)集成在一個(gè)功能模塊中，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)。圖5是有源模塊射頻電路示意圖，模塊的背面是天線，射頻電路與天線在一個(gè)模塊中集成減少了高頻互連的數(shù)量并減少了總體尺寸[10]。

圖5 SANTANA 模塊射頻電路

美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)圍繞柔性薄膜有源相控陣天線研究已開(kāi)展了多年的工作。JPL在前期的三層無(wú)源天線的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研制了集成T/R組件和功分網(wǎng)絡(luò)的2×4個(gè)單元柔性薄膜有源相控陣天線(見(jiàn)圖6)。該天線僅有2層，第一層是有源電路層，第二層是無(wú)源電路層。T/R組件位于接地面背面，并通過(guò)狹槽與天線貼片單元射頻耦合。T/R組件是一個(gè)基于柔性基板的混合多層模塊，它是獨(dú)立組裝和連接到薄膜天線上的。每個(gè)薄膜層是一種商用的覆銅全聚酰亞胺柔性電路材料制成的[11]。

圖6 JPL柔性薄膜天線架構(gòu)

1.2 國(guó)內(nèi)星載有源相控陣天線研究現(xiàn)狀

為降低有源天線的質(zhì)量和體積，國(guó)內(nèi)在結(jié)構(gòu)功能一體化天線和片式有源天線集成以及柔性薄膜天線方面也進(jìn)行了很多研究。

文獻(xiàn)[12]所闡述的星載SAR有源天線系統(tǒng)包括輻射單元、有源模塊、電源/控制模塊和安裝板等。天線陣面應(yīng)用了結(jié)構(gòu)功能一體化天線技術(shù)的設(shè)計(jì)思想，將結(jié)構(gòu)、熱控和安裝件進(jìn)行融合，將機(jī)電熱功能進(jìn)行合并，以及采用智能電路板等技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)了一體化模塊樣件，該樣機(jī)包含鋁波導(dǎo)輻射單元、蜂窩夾層一體化天線安裝板、輕質(zhì)多芯片組件等。

文獻(xiàn)[13]針對(duì)有源相控陣天線在飛行器平臺(tái)的適應(yīng)性需求，提出了一種結(jié)構(gòu)功能一體化天線，該天線可與飛行器平臺(tái)進(jìn)行深度融合。它將輻射陣面、收發(fā)組件、饋電網(wǎng)絡(luò)和熱控系統(tǒng)進(jìn)行高密度集成設(shè)計(jì)，并加工制造了一個(gè)原理樣機(jī)。

文獻(xiàn)[14]研制了一個(gè)X頻段片式有源天線模塊樣機(jī)，該樣機(jī)采用了片式收發(fā)組件、多功能板饋電以及微型盲配同軸連接器等技術(shù)，通過(guò)一體化集成和片式組裝，將64個(gè)單元的天線輻射陣面、64個(gè)片式收發(fā)組件、9個(gè)1分8功分網(wǎng)絡(luò)和1個(gè)多功能板集成在一起。

文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一個(gè)1×4單元的柔性薄膜有源相控陣天線，該天線在柔性聚酰亞胺薄膜的基體上集成了線極化天線、微型T/R組件、功分網(wǎng)絡(luò)、控制線和供電線。

1.3 星載有源相控陣天線的特點(diǎn)

綜合以上國(guó)內(nèi)外研究，星載有源相控陣天線有如下特點(diǎn)。

(1)模塊化：在設(shè)計(jì)上引入模塊化思想，使得有源天線單機(jī)和陣面能夠像積木一樣組裝和擴(kuò)展，有助于天線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和安裝互換化，提高了天線的維修性和適應(yīng)性，降低了天線的成本。

(2)結(jié)構(gòu)功能一體化：模塊化雖然實(shí)現(xiàn)了有源相控陣天線靈活、快速和可擴(kuò)充式裝配，但是模塊化的單機(jī)和天線陣面具有重復(fù)結(jié)構(gòu)，并不能有效的降低天線質(zhì)量面密度。結(jié)構(gòu)功能一體化將相同或相似的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行融合，天線的結(jié)構(gòu)承載性能、電性能、熱控性能以及抗空間環(huán)境能力一體化，從而實(shí)現(xiàn)天線的輕小型化。

(3)片式集成化：隨著高密度集成技術(shù)的發(fā)展，有源相控陣天線能夠?qū)⒍鄠€(gè)平行分布的功能瓦片通過(guò)垂直互連技術(shù)集成在一起。同時(shí)微波電路和數(shù)字電路的高度集成化減少了功能瓦片的數(shù)量，免去了不同功能瓦片之間的互連。

(4)智能化：隨著現(xiàn)代電子科技和制造水平的極大提高，將具有感知、處理和動(dòng)態(tài)調(diào)整功能的先進(jìn)傳感器布置在天線陣面上以及系統(tǒng)內(nèi)部智能化的電子元器件實(shí)現(xiàn)天線陣面動(dòng)態(tài)測(cè)量，并提供實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以保證天線陣面的剛性和平面度。

(5)柔性薄膜化：剛性天線已不能滿足未來(lái)中高軌星載SAR對(duì)體積和質(zhì)量的要求，而柔性薄膜由于其特殊的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特點(diǎn)可以顯著地降低天線的質(zhì)量和體積。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外對(duì)星載SAR有源相控陣天線的集成架構(gòu)做了大量研究。本文介紹3種典型的架構(gòu)設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)磚塊式有源相控陣天線架構(gòu)設(shè)計(jì)、一體化有源相控陣天線架構(gòu)設(shè)計(jì)和片式有源相控陣天線架構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 傳統(tǒng)磚塊式有源相控陣天線架構(gòu)設(shè)計(jì)

在早期傳統(tǒng)的有源相控陣天線中，由于體積、質(zhì)量和電性能指標(biāo)的要求不高，通常采用經(jīng)典的功能模塊或者單機(jī)的形式進(jìn)行任務(wù)劃分、下發(fā)和設(shè)計(jì)加工。一般把這種有源相控陣天線稱作磚塊式有源相控陣天線，磚塊式意味著厚重。這種有源相控陣天線的每個(gè)功能模塊或者單機(jī)是獨(dú)立的個(gè)體，均有各自獨(dú)立的功能件和結(jié)構(gòu)件。在接口設(shè)計(jì)中，需要規(guī)定功能模塊或單機(jī)的外形尺寸、機(jī)械接口、電接口以及熱接口。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是功能模塊或者單機(jī)獨(dú)立設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單可靠，每個(gè)功能模塊或者單機(jī)之間界面清晰；缺點(diǎn)是每個(gè)功能模塊或者單機(jī)的結(jié)構(gòu)件存在重合部分，功能模塊或者單機(jī)用緊固件安裝在結(jié)構(gòu)板上，功能模塊或者單機(jī)之間電連接關(guān)系復(fù)雜。因此造成有源相控陣天線剖面高度較大，質(zhì)量面密度較大。

圖7是某磚塊式星載磚塊式有源相控陣天線架構(gòu)設(shè)計(jì)剖面示意圖，該有源相控陣天線采用模塊化設(shè)計(jì)，包含碳纖維框架、有源安裝板、波導(dǎo)天線、T/R組件、功分網(wǎng)絡(luò)、波控與電源等單機(jī)和結(jié)構(gòu)件。按傳統(tǒng)磚塊式布局，T/R組件和功分網(wǎng)絡(luò)安裝在有源安裝板的一側(cè)，波控與電源安裝在有源安裝板另一側(cè)。有源安裝板內(nèi)預(yù)埋熱管，熱管的作用是為有源單機(jī)均熱、散熱，并保證T/R組件的溫度一致性。因此有源安裝板既是各單機(jī)的結(jié)構(gòu)支撐件，同時(shí)也是T/R組件、波控與電源的散熱通道。波導(dǎo)天線和有源安裝板通過(guò)碳纖維框架安裝在一起，形成一個(gè)完整的有源相控陣天線。各單機(jī)之間通過(guò)低頻電纜和高頻電纜實(shí)現(xiàn)互連。該有源相控陣天線剖面高約174 mm，質(zhì)量面密度約93 kg/m2。

圖7 某磚塊式有源相控陣天線架構(gòu)剖視圖

2.2 一體化有源相控陣天線架構(gòu)設(shè)計(jì)

從圖7中可以看出，波導(dǎo)天線和T/R組件之間采用高頻電纜連接。但是由于波導(dǎo)天線和有源安裝板之間被碳纖維框架封閉成一個(gè)近似不開(kāi)放的空間，高頻電纜安裝固定非常困難，操作非常不方便。高頻電纜連接要預(yù)留足夠的安裝和操作空間，因此造成有源相控陣天線的剖面高。而且為了保證不同通道的幅相一致性，高頻電纜一般采用等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，因此造成了高頻電纜質(zhì)量大幅度增加。由于電纜等長(zhǎng)和系統(tǒng)布局的影響，高頻電纜品種也繁多，給生產(chǎn)、試驗(yàn)和裝配造成了諸多不便。為滿足衛(wèi)星發(fā)射平臺(tái)的要求，作為有效載荷的有源相控陣天線進(jìn)行了部分輕小型化設(shè)計(jì)，但是受制于磚塊式有源相控陣天線的體系架構(gòu)，輕小型化設(shè)計(jì)效果有限。為此我們提出了一體化設(shè)計(jì)的思想，以降低有源相控陣天線剖面高度和質(zhì)量為目標(biāo)，將垂直互連技術(shù)引入有源相控陣天線設(shè)計(jì)中，把部分結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行融合，形成了一體化有源相控陣天線。

圖8為某一體化有源相控陣天線架構(gòu)剖面示意圖。該一體化有源相控陣天線同磚塊式有源相控陣天線相比，最明顯的區(qū)別是取消了有源安裝板，將有源安裝板的結(jié)構(gòu)和功能融合到波導(dǎo)天線中。將T/R組件、功分網(wǎng)絡(luò)和延時(shí)放大組件等單機(jī)直接平鋪安裝在波導(dǎo)天線的背面，用盲配射頻連接器垂直互連代替了波導(dǎo)天線和T/R組件之間的高頻電纜連接。通過(guò)上述設(shè)計(jì)，有源相控陣天線的剖面高度和質(zhì)量得到了明顯降低和減輕。同時(shí)，該設(shè)計(jì)有助于有源相控陣天線的模塊化。該有源相控陣天線剖面高約44 mm，質(zhì)量面密度約51 kg/m2。

圖8 某一體化有源相控陣天線架構(gòu)剖視圖

2.3 片式有源相控陣天線架構(gòu)設(shè)計(jì)

雖然一體化有源天線模塊相比磚塊式有源天線模塊降低了剖面高度和質(zhì)量，但是其余單機(jī)之間仍然采用了高頻電纜和低頻電纜進(jìn)行連接。高頻電纜和低頻電纜之間連接關(guān)系復(fù)雜，電纜走線路徑需要專門設(shè)計(jì)，對(duì)于大口徑、高密度、輕量化的星載有源天線來(lái)說(shuō)，電纜的質(zhì)量和密集的電纜走線路徑是需要解決的問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)未來(lái)新一代的空天飛行器平臺(tái)對(duì)天線體積、質(zhì)量的更高要求，片式有源相控陣天線是實(shí)現(xiàn)大口徑、高性能相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)選方案之一。

片式有源相控陣天線相對(duì)磚塊式而言，將平行于天線陣面的天線組成部分分為若干個(gè)輕薄的功能瓦片，采用分層疊加集成組裝技術(shù)，將多個(gè)不同功能的瓦片進(jìn)行垂直互連[16]。

圖9是某片式有源相控陣天線架構(gòu)剖面示意圖，該片式有源相控陣天線以去電纜為設(shè)計(jì)思路，通過(guò)彈性連接器、微型盲配連接器和彈性毛紐扣進(jìn)行高頻和低頻信號(hào)垂直互連，將片式有源相控陣天線的輻射層、背腔兼結(jié)構(gòu)/熱控層、片式T/R組件層和綜合饋電網(wǎng)絡(luò)層高密度集成在一起。相對(duì)于傳統(tǒng)有源天線，體積和質(zhì)量都得到了降低和減輕，實(shí)現(xiàn)了輕小型化設(shè)計(jì)。該有源相控陣天線剖面高約31 mm，質(zhì)量面密度約39 kg/m2。

圖9 某片式有源相控陣天線架構(gòu)剖視圖

2.4 3種有源相控陣天線架構(gòu)的比較和應(yīng)用

上述3種有源相控陣天線架構(gòu)是根據(jù)不同的總體技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)的，各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。表1對(duì)上述3種有源相控陣天線架構(gòu)的剖面高度、質(zhì)量面密度、集成度、成熟度、技術(shù)難度、應(yīng)用前景及研制成本做了一個(gè)簡(jiǎn)單的比較。從表1可以看出，磚塊式有源相控陣天線由于存在大量的多余結(jié)構(gòu)和硬件冗余，導(dǎo)致體積和質(zhì)量研制成本大幅上升[17]，已逐漸不適應(yīng)發(fā)展要求。片式有源相控陣天線由于成熟度低，技術(shù)難度高，目前沒(méi)有廣泛應(yīng)用。但是片式有源相控陣天線可以通過(guò)提高系統(tǒng)集成度、簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)、采用數(shù)字技術(shù)和多功能芯片技術(shù)來(lái)降低研制成本[18-19]。而一體化有源相控陣天線由于體積質(zhì)量適中，集成度相比磚塊式有源相控陣天線有所提高，技術(shù)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，成本也相對(duì)可控，可以成為星載有源相控陣天線的折衷選擇。商業(yè)小衛(wèi)星SAR因市場(chǎng)化的需要，要求研發(fā)周期短、成本低、技術(shù)難度相對(duì)不大，因此一體化有源相控陣天線將成為未來(lái)商業(yè)小衛(wèi)星SAR天線非常有競(jìng)爭(zhēng)力的選擇之一。而片式有源相控陣天線可以應(yīng)用在未來(lái)大規(guī)模陣面的星載雷達(dá)上。

表1 3種有源相控陣天線架構(gòu)比較

3 架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)分析

未來(lái)布置在中高軌的星載相控陣?yán)走_(dá)需要甚大口徑的天線來(lái)完成相關(guān)的地球科學(xué)觀測(cè)任務(wù)，天線的口徑可能到達(dá)400～700 m2，目前傳統(tǒng)的有源相控陣天線質(zhì)量面密度約為8～15 kg/m2[20]。要實(shí)現(xiàn)如此大口徑的天線，傳統(tǒng)的有源相控陣天線在體積、質(zhì)量和成本上已無(wú)法滿足要求。星載有源相控陣天線的架構(gòu)面臨著革命性和顛覆性的變化。柔性薄膜有源相控陣天線相對(duì)當(dāng)前剛性板狀有源相控陣天線在體積、質(zhì)量上更具有優(yōu)勢(shì)，在技術(shù)上更具有先進(jìn)性和前瞻性。柔性薄膜有源相控陣天線與剛性板狀有源相控陣天線相比，最大的不同是天線的安裝承載基體由剛性變成了柔性。柔性基體更利于大口徑天線陣面的折疊，實(shí)現(xiàn)包絡(luò)輕薄化。

柔性薄膜有源相控陣天線的架構(gòu)是將輻射陣面、饋電網(wǎng)絡(luò)和T/R組件集成在柔性薄膜上，而電源、波控等獨(dú)立于柔性薄膜天線陣面之外。天線陣面的基體是多層覆銅薄膜，天線輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)通過(guò)印制或者膠粘的方式固定在薄膜上。T/R組件則是在柔性基板上設(shè)計(jì)電路。T/R組件使用敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)或者半敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)使之與薄膜可以靈活兼容。柔性薄膜有源相控陣天線的架構(gòu)設(shè)計(jì)在充分借鑒現(xiàn)有成熟的天線架構(gòu)基礎(chǔ)上，要針對(duì)柔性薄膜材料的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的適應(yīng)性改進(jìn)和創(chuàng)新突破。

4 關(guān)鍵技術(shù)

柔性薄膜有源相控陣天線作為一種有源相控陣天線實(shí)現(xiàn)的新型方式，在元器件、材料和體系架構(gòu)等方面與傳統(tǒng)形式的有源相控陣天線有很大區(qū)別，需要集成化、一體化的新型設(shè)計(jì)技術(shù)。需要在柔性薄膜輻射陣面、輕小型柔性T/R組件、一體化柔性綜合饋電網(wǎng)絡(luò)、熱控設(shè)計(jì)和柔性薄膜天線陣面自動(dòng)測(cè)量與調(diào)整等多個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和深入研究，解決大型柔性薄膜有源相控陣天線的設(shè)計(jì)、制造及測(cè)試問(wèn)題。

1)柔性薄膜天線輻射陣面技術(shù)

在柔性薄膜上生產(chǎn)天線輻射陣面將面臨著以往在剛性基體上完全不同的挑戰(zhàn)。在保證電性能的前提下，柔性薄膜天線輻射陣面要解決天線輻射陣面和柔性薄膜一體化適應(yīng)性問(wèn)題，從設(shè)計(jì)仿真、材料選擇、試驗(yàn)分析、生產(chǎn)工藝和測(cè)試等方面進(jìn)行工程可實(shí)現(xiàn)性研究。

2)輕小型柔性T/R組件技術(shù)

輕小型柔性T/R組件技術(shù)是在傳統(tǒng)磚塊式T/R組件和新型片式T/R組件的基礎(chǔ)上，在多層柔性薄膜基板上開(kāi)展有源收發(fā)系統(tǒng)集成技術(shù)。該技術(shù)需要解決基于柔性非平面的高密度和高效率微波電路系統(tǒng)、多芯片模塊的互連、元器件在柔性基板上的安裝固定以及敞開(kāi)式或半敞開(kāi)式環(huán)境下信號(hào)穩(wěn)定等問(wèn)題。

3)一體化柔性綜合饋電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

一體化柔性綜合饋電網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)難題與柔性天線輻射陣面和柔性T/R組件相似，有區(qū)別的是一體化柔性綜合饋電網(wǎng)絡(luò)不僅僅是微波電路，還涉及到數(shù)字信號(hào)甚至是電源的一體化設(shè)計(jì)。

4)熱控設(shè)計(jì)技術(shù)

柔性薄膜有源相控陣天線系統(tǒng)架構(gòu)與傳統(tǒng)剛性的有源相控陣天線架構(gòu)差別很大，其熱控設(shè)計(jì)必然是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。如何基于柔性薄膜構(gòu)建高效熱控網(wǎng)絡(luò)，保證天線各部分正常工作，是亟需解決的問(wèn)題。具體情況要考慮熱耗大小及分布、環(huán)境工況以及工程可實(shí)現(xiàn)性等，綜合系統(tǒng)的一體化集成進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5)柔性薄膜天線陣面自動(dòng)測(cè)量與調(diào)整技術(shù)

柔性薄膜天線由于自身固有頻率不高，并且展開(kāi)面積大，自身質(zhì)量和外界微小擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致天線陣面平面度發(fā)生變化。為防止天線陣面平面度惡化，將具有三維感知能力和動(dòng)態(tài)調(diào)整功能的先進(jìn)傳感器布置在天線陣面上以實(shí)現(xiàn)天線陣面平面度自動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)量，并提供實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以保證天線陣面的剛性和平面度。

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)有源相控陣天線由于質(zhì)量和體積的限制逐漸無(wú)法適應(yīng)發(fā)射平臺(tái)對(duì)載荷輕小型化的要求，為此國(guó)內(nèi)外從系統(tǒng)集成度和架構(gòu)體系進(jìn)行了大量研究。本文提出了星載有源相控陣天線的3種架構(gòu)形式，并分析了星載有源相控陣天線的發(fā)展趨勢(shì)。隨著技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)料的是柔性薄膜化也不應(yīng)是星載有源相控陣天線發(fā)展的唯一架構(gòu)和發(fā)展路徑。未來(lái)星載合成孔徑雷達(dá)對(duì)地球觀測(cè)覆蓋率的提高和重訪時(shí)間的縮短，需要更高性能和極大口徑的有源相控陣天線，而最大的挑戰(zhàn)也許是天線口徑的極大化和天線質(zhì)量的極小化。值得一提的是，隨著天線口徑不斷增加，電性能指標(biāo)不斷提高的情況下，要實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模星載有源相控陣天線的研制，需要對(duì)天線體積、質(zhì)量、成本和性能進(jìn)行全方位的均衡。只有對(duì)天線體系架構(gòu)進(jìn)行不斷創(chuàng)新和突破，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，才能最終實(shí)現(xiàn)大口徑、輕質(zhì)量和高性能的星載有源相控陣天線設(shè)計(jì)。