可擴(kuò)展超寬帶有源相控陣天線(xiàn)

余 賢,姜海玲,朱海波,郭子放,張宗恕

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引 言

由于有源相控陣具有系統(tǒng)效率高、多功能、多波束、掃描速度快、抗干擾能力強(qiáng)和高可靠性等顯著優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械掃描陣列的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和通信系統(tǒng)中[1-2]。

有源相控陣天線(xiàn)是一個(gè)涉及電磁場(chǎng)、熱力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)。為了提高大型陣列系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性、安裝維修便捷性,設(shè)計(jì)需要以電性能為基礎(chǔ)分層分級(jí)劃分功能部件,形成有源子陣[3]。子陣設(shè)計(jì)中對(duì)電性能、熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)一體化等并行綜合設(shè)計(jì),盡量做到低剖面、低成本,減少對(duì)外接口的類(lèi)型和數(shù)量。根據(jù)不同的性能指標(biāo)要求,可以以有源子陣為單元對(duì)陣面規(guī)模進(jìn)行靈活裁剪與擴(kuò)展。

本文介紹了一種超寬帶有源相控陣技術(shù)方案。該方案將射頻性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合規(guī)劃設(shè)計(jì),陣面以有源子陣為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)、可擴(kuò)展。子陣內(nèi)通過(guò)拉大陣元間距從而降低通道數(shù)目和使用分級(jí)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)降低陣列成本,通過(guò)采用密閉機(jī)箱設(shè)計(jì)滿(mǎn)足設(shè)備抗鹽霧、霉菌、耐濕熱的要求。最終,設(shè)計(jì)了一種低剖面、密封式、模塊化、大間距的超寬帶有源相控陣,其帶寬達(dá)到4倍頻。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)要求,設(shè)計(jì)了L頻段相控陣,其原理框圖如圖1所示,由天線(xiàn)陣面、一級(jí)波束合成網(wǎng)絡(luò)、二級(jí)波束合成網(wǎng)絡(luò)、二級(jí)控制及二次電源、變頻分機(jī)、自校源、自校分路單元、電源等組成。

圖1 系統(tǒng)組成及原理圖

陣面以一級(jí)子陣為電性能最小單元,一級(jí)子陣為1×16的線(xiàn)陣,完成16組雙極化信號(hào)的放大、時(shí)延、合成和極化選擇。其中天線(xiàn)將電磁波高效轉(zhuǎn)化為電信號(hào),每個(gè)天線(xiàn)單元對(duì)應(yīng)2個(gè)獨(dú)立接收通道,2種極化同時(shí)工作,滿(mǎn)足通信、雷達(dá)同時(shí)使用的一體化要求。天線(xiàn)2個(gè)饋電端口與接收組件直接對(duì)插以降低噪聲系數(shù)。一級(jí)波束合成網(wǎng)絡(luò)將4個(gè)雙極化接收通道按極化合成,每個(gè)通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行限幅放大時(shí)延。二級(jí)波束合成網(wǎng)絡(luò)按極化將一級(jí)波束合成網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)按2個(gè)極化獨(dú)立合成后輸出到變頻分機(jī)。信號(hào)經(jīng)下變頻、模/數(shù)(A/D)采樣后形成列合成數(shù)字信號(hào),可以在方位面根據(jù)需求形成2種極化的數(shù)字波束。俯仰面通過(guò)控制組件時(shí)延參數(shù),實(shí)現(xiàn)±30°波束掃描。

考慮使用環(huán)境對(duì)設(shè)備抗鹽霧、霉菌的要求,結(jié)構(gòu)采用密閉機(jī)箱。二級(jí)子陣由4個(gè)一級(jí)子陣構(gòu)成,結(jié)構(gòu)上集成在2個(gè)機(jī)箱中,每個(gè)機(jī)箱對(duì)應(yīng)規(guī)模為4(列)×8(行),2個(gè)機(jī)箱上下排布,形成可擴(kuò)展有源子陣。機(jī)箱內(nèi)部模塊采用磚塊式設(shè)計(jì),模塊固定在機(jī)箱框架上[4],如圖2所示。機(jī)箱天線(xiàn)一側(cè)面板及側(cè)面面板中嵌入導(dǎo)熱管,模塊通過(guò)機(jī)箱底板與側(cè)板將熱量導(dǎo)出到上層面板,上層面板安裝散熱翅片和風(fēng)機(jī),通過(guò)風(fēng)冷散熱。陣面剖面尺寸僅為0.65個(gè)低頻波長(zhǎng)。

圖2 機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

陣面控制系統(tǒng)主要完成對(duì)陣面各組件時(shí)延、衰減等的控制。由于陣面尺寸大、模塊多,為了簡(jiǎn)化走線(xiàn),提高波控控制鏈路的靈活度,陣列采用分布式設(shè)計(jì),由兩級(jí)波控級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)[5]。一級(jí)控制接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令,采用RS422協(xié)議,根據(jù)地址將指令分發(fā)到二級(jí)波束控制器,其核心器件是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA);二級(jí)波束控制器進(jìn)行指令解析并發(fā)送到陣面各子陣控制模塊及分機(jī)。二級(jí)波控的數(shù)量可以根據(jù)控制需求進(jìn)行靈活并聯(lián)擴(kuò)展?？刂颇K主要由單片機(jī)組成,由單片機(jī)將接收到的RS422信號(hào)轉(zhuǎn)化為T(mén)TL電平從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各組件的控制。

陣列電源和自校分路單元同樣采用兩級(jí)分布式設(shè)計(jì)。整個(gè)陣面采用DC270 V供電,由電源及分路單元分路到各個(gè)二次電源,再由二次電源為各子陣提供轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)。自校分路單元接收自校源信號(hào)后將信號(hào)分發(fā)到一級(jí)合成網(wǎng)絡(luò)模塊。為了降低走線(xiàn)復(fù)雜度,二次電源、二級(jí)波束控制器和二級(jí)自校分路單元集成到一個(gè)分機(jī),為1個(gè)二級(jí)子陣提供電源、控制和自校信號(hào),該分機(jī)放置于距離相應(yīng)二級(jí)子陣最近的物理位置上。

采用這種架構(gòu),陣列以二級(jí)子陣為單元,可以根據(jù)不同的需求,靈活擴(kuò)展或者裁剪陣列規(guī)模,進(jìn)行波束重構(gòu)。

1.2 大間距陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于大型陣列,增大單元間距,即形成所謂的大間距陣列是減少陣元數(shù)目、降低成本的一種有效途徑。為了實(shí)現(xiàn)低剖面寬帶寬角掃描,該陣列采用緊耦合天線(xiàn)。與Vivaldi天線(xiàn)相比,緊耦合偶極子天線(xiàn)具有剖面低、交叉極化低等優(yōu)點(diǎn)[6-9]。因此,該陣列采用偶極子天線(xiàn)形式,輻射單元由寬角匹配層、偶極子輻射貼片、Marchand巴倫和反射板構(gòu)成,天線(xiàn)模型如圖3所示。本設(shè)計(jì)將陣元間距由常規(guī)0.5λh提高到0.53λh,通道數(shù)量至少可以減少6%。然而,較大的天線(xiàn)間距會(huì)對(duì)緊耦合陣列天線(xiàn)的性能造成影響。為了彌補(bǔ)這個(gè)影響,一方面采用二合一的天線(xiàn)單元形式,使口徑面輻射阻抗減半,降低匹配難度;另一方面使用豎條型的頻率選擇表面來(lái)代替介質(zhì)板,作為天線(xiàn)的寬角匹配層。豎條型頻率選擇表面對(duì)沿z軸傳播的平面波提供了分流電容,減輕了由地面帶來(lái)的感應(yīng)負(fù)載,從而起到介質(zhì)覆層的作用。相對(duì)于傳統(tǒng)介質(zhì)板作為寬角匹配層,其阻抗變化更加平緩,在固定的掃描角度下具有更寬的帶寬。周期邊界中仿真駐波比如圖4所示?？梢钥闯?天線(xiàn)E面和H面掃描30°以?xún)?nèi)駐波比均在2以下,掃描45°駐波比均在2.5以下。天線(xiàn)阻抗帶寬達(dá)到4個(gè)倍頻。

圖3 天線(xiàn)模型示意圖

圖4 天線(xiàn)單元周期邊界E面和H面駐波仿真結(jié)果

1.3 波束控制網(wǎng)絡(luò)

陣列俯仰方向采用模擬時(shí)延的方式實(shí)現(xiàn)波束合成。由于陣列工作頻段較低且?guī)拰?目前沒(méi)有合適的集成芯片實(shí)現(xiàn)延時(shí),因此采用定制時(shí)延線(xiàn)逐位加開(kāi)關(guān)的方式。傳統(tǒng)的大型相控陣波束控制網(wǎng)絡(luò)需要小步進(jìn)、大時(shí)延總量的時(shí)延器來(lái)實(shí)現(xiàn),即每個(gè)通道都需要多位時(shí)延線(xiàn)。這會(huì)帶來(lái)高損耗、高成本、大量的控制位,增加設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)的難度[10-11]。如果陣列使用該方式,每個(gè)通道至少需要6位時(shí)延?？紤]寬帶相控陣中主要是距離較遠(yuǎn)的陣元間需要大時(shí)延量,而相鄰陣元間只需要小時(shí)延量,因此陣列采用兩級(jí)模擬時(shí)延的方式,通過(guò)一級(jí)時(shí)延低步進(jìn)延時(shí)線(xiàn)和二級(jí)時(shí)延高步進(jìn)延時(shí)線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)天線(xiàn)單元對(duì)應(yīng)的通道都加第一級(jí)時(shí)延,經(jīng)第一級(jí)波束合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行四合一之后再加第二級(jí)時(shí)延,再經(jīng)第二級(jí)波束合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行四合一合成。兩級(jí)波束合成網(wǎng)絡(luò)每個(gè)通路分別包含4位和3位時(shí)延線(xiàn)。采用分級(jí)時(shí)延,陣列總延時(shí)位數(shù)降低21%,且避免了使用具有超大時(shí)延量的時(shí)延線(xiàn),從而大大降低了復(fù)雜度和成本。

2 仿真及測(cè)試結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及天線(xiàn)最終的仿真優(yōu)化模型,組成有源相控陣系統(tǒng)。由于變頻信道各通道間本身存在幅相不一致性,加之模擬合成部分由于器件不一致性、加工誤差等也會(huì)造成各通道幅相不一致;因此,需要進(jìn)行陣列校準(zhǔn)。組裝完成后將各天線(xiàn)通路置于校準(zhǔn)狀態(tài),采集各通路幅度相位,根據(jù)結(jié)果進(jìn)行幅度相位補(bǔ)償。采用十六合一合路器作為配試設(shè)備,將16路模擬信號(hào)合成,測(cè)試陣列方向圖。

圖5為陣列1 GHz仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比方向圖。根據(jù)結(jié)果對(duì)比可得,陣列仿真與實(shí)測(cè)性能一致。實(shí)測(cè)比仿真副瓣略高,是因?yàn)橥烽g校準(zhǔn)后仍然存在較小的不一致性。圖6為陣列1 GHz實(shí)測(cè)俯仰面掃描方向圖。由該結(jié)果可知:該陣列可實(shí)現(xiàn)波束掃描精準(zhǔn)指向,波束掃描-30°時(shí),增益比法向下降1 dB。

圖5 法向方向圖

圖6 俯仰面實(shí)測(cè)掃描方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種大型有源相控陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)行研制和測(cè)試,證明了該方案的工程可實(shí)現(xiàn)性,仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致。該天線(xiàn)全頻段效率均在75%以上,方位面可通過(guò)多波束實(shí)現(xiàn)寬角覆蓋,俯仰面可實(shí)現(xiàn)±30°掃描。該陣列采用低剖面、模塊化密閉機(jī)箱設(shè)計(jì),便于拆卸組裝,具有良好的平臺(tái)適應(yīng)性,并且可根據(jù)使用需求靈活裁剪陣面,應(yīng)用于各種作戰(zhàn)環(huán)境,可在多功能一體化設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。