雷達陣面系統小型化研究

雷達陣面系統小型化研究

李迎林何丙發張德斌

(天線與微波技術國家重點實驗室,江蘇 南京 210039)

摘要雷達陣面系統的小型化研究在機載、彈載、星載等雷達領域有重要應用價值. 文中從三方面提出了小型化設計思路:1)多功能線陣設計. 從系統的角度優化天饋線形式,通過一種新型耦合器的設計,將天線與饋線多功能、一體化設計,使輻射線陣不僅具備監測功能,同時結構比常規線陣縮小25%;2)三維微波-數字混合電路設計, 通過對三維垂直互聯機構的建模分析,提高三維微波電路設計的準確性,同時從電路布局、屏蔽、端接匹配電路等方面提出了三維微波-數字混合電路設計規則;3)微波-數字協同仿真. 通過三維微波-數字電路的仿真,解決了Ku波段三維微波電路易諧振,性能不佳的問題和復雜信號傳輸易串擾、數字信號傳輸信號完整特性欠佳的問題. 實驗驗證了上述措施的有效性,一定程度上實現了陣面電訊、結構等系統整體資源的優化配置,使雷達陣面系統實現高集成、小型化設計.

關鍵詞相控陣雷達;三維微波電路;數字電路;電磁干擾;SI;陣面集成

中圖分類號TN958.92

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)04-0797-06

AbstractAntenna arrays are the core hardware of phased array radars. In this paper, the integration technology of phased arrays is discussed from three aspects. Firstly, antennas and feedline are designed and optimized from the system perspective. By using a new coupler, the size of the antenna array is reduced by 25%, and the performance of the array is improved. Secondly, the design technology of three-dimensional microwave and digital hybrid circuit is adopted. The three-dimensional microwave circuit is designed through the analysis on via-hole. The digital circuit used to control wave-beam is designed taking into account the layout, shield, matching circuit and so on. Thirdly, by applying the co-simulation techniques for RF and digital signals, the resonance in Ku-band is restrained, the reflection is reduced, and the performance of the digital circuit is improved. An example is given to validate the design method. The optimal allocation of array telecommunication, array structure and system resources is realized. The integration and miniaturization of the antenna array are achieved.

收稿日期：2014-09-19

作者簡介

Study on the integration technology of phased arrays

LI YinglinHE BingfaZHANG Debin

(ScienceandTechnologyonAntennaandMicrowaveLaboratory,NanjingJiangsu210039,China)

Key words phased array radar; three-dimensional microwave circuit; digital circuit; EMI; SI; integration on antenna arrays

聯系人： 李迎林 E-mail:liyinglin666@sina.com

引言

雷達陣面是相控陣雷達硬件的核心,通常包含天線單元、T/R 組件、饋線系統、波控單元、電源系統等模塊[1]．各個模塊結構上自成一體,各自分立,通過電纜和連接器等互聯器件實現電氣上的連通,其特點是陣面臃腫繁雜,可靠性低,不便于維修維護．隨著軍事需求的提高和電路設計及制造技術的進步,雷達陣面正朝著高集成、小型化、高可靠的趨勢發展,傳統的天線、饋線、T/R 組件、波控控制走線、電源走線等模塊分立設計顯然難以滿足需求[2-3]．如何最大限度實現雷達陣面系統小型化集成設計,規避復雜的信號接口,用最少的互聯器件,占用最小的物理空間實現多種模塊不同信號的高質量傳輸是現代雷達陣面技術研究的難點．目前國內外學者對雷達陣面的學術研究多集中在純粹的天線單元最優化設計、天線陣列方向圖算法研究、新穎的饋線方式以及有源微波電路系統等方面[4-6],已知國外對雷達陣面集成設計的研究以類似智能蒙皮技術多見[7],其將天線、饋線、TR組件等集成設計,具有輕薄、小型化、多功能等特點,內部詳細設計很難得知,涉及到微電子封裝和印制電路加工,板材制造工藝等,國內尚無公開報道．因此對雷達陣面小型化集成設計研究具有學術和工程應用雙重意義．

基于上述研究背景,文中從多功能線陣設計、三維微波-數字電路設計、微波-數字電路協同仿真出發,探討了相控陣雷達陣面系統小型化設計方法,并設計了一種高集成、小型化Ku波段雷達陣面,該陣面有三個特點:

1) 從系統角度選擇饋線形式,并采用新型孔耦合定向耦合器,實現線陣多功能、一體化設計,結構尺寸比常規設計縮小25%,電性能優良．

2) 用于饋線、T/R組件、波控驅動、電源之間互聯的高低頻網絡實現集成化設計．集成后的綜合網絡不僅具備Ku波段射頻信號的分配功能,還具備多種供電分配和多路波控信號傳輸分配功能. 同時還可作為有源子陣樞紐,結構上為T/R的導向、安裝、固定和盲插實現提供了平臺,實現陣面模塊間無引線互聯．

3) 通過協同仿真優化設計,實現射頻信號傳輸各端口帶內平坦度及一致性優良;數字信號傳輸波形上升沿及下降沿光滑陡峭,振鈴及下沖現象得到明顯改善,SI特性良好．

1多功能線陣理論分析

天線和饋線是陣面的重要組成部分,能量通過饋線系統按照既定的幅度相位傳遞給天線系統,進而向空間輻射形成需要的方形圖.正因為天線與饋線存在天然的聯系,天線與饋線一體化設計要突破結構上的拼接,實現結構和電訊二者有機統一.多功能線陣是將天饋線一體化設計,具備天線輻射和饋線監測功能. 天線形式采用滿足寬帶寬角掃描需求的漸變槽線天線(Tapered Slot Antenna,TSA),天線陣列結構如圖1所示,共MN個天線單元,單元間距為d. 陣列劃分為N個子陣,每個子陣包含M個天線單元, 則陣列方向圖為

(1)

圖1　陣列結構示意圖

圖2　兩種不同形式的輻射監測線陣

饋線包含功率分配、合成網絡和監測網絡.圖2給出兩種形式的輻射與監測線陣形式. 兩種形式都采用多層印制電路實現天線與饋線的集成設計,但圖2(上)比圖2(下)體積縮小25%,這種差異主要在于饋線形式的優化. 圖2(下)采用帶隔離的功率合成器和常規的窄邊耦合器,圖2(上)采用非隔離合成網絡和孔耦合定向耦合器. 圖3~5為孔耦合定向耦合器仿真模型. 通過調節旋轉角度和孔徑形狀、大小,可明顯改善端口駐波、耦合度及定向性. 圖6、7顯示孔徑和角度相關參數對駐波和耦合度性能的影響.

圖3　孔耦合定向耦合器(夾角67°)

圖4　孔耦合定向耦合器(夾角45°)

圖5　孔耦合定向耦合器(夾角16°)

圖6　孔徑和角度對駐波的影響曲線

圖7　孔徑和角度對耦合度的影響曲線

2三維微波-數字電路設計

三維微波-數字電路設計技術可實現微波網絡、波束控制網絡、電源分配網絡的集成設計.該綜合網絡電性上具備微波信號合成、分配功能,用于波束控制的數字信號傳輸分配功能以及電源分配功能,結構上可實現多種接口互聯的浮動盲插,節省大量互聯電纜和連接器,達到陣面小型化與高集成的目的.平面微波電路向三維微波電路擴展的關鍵在垂直過度機構.如圖8顯示為一多層垂直互聯模型,中間為數字走線層,上下為微帶電路層.圖9為仿真結果,顯示各層過孔參數對垂直過渡傳輸性能的影響.其中,r1為連接上下帶線的垂直通孔半徑,即圖中深色金屬柱,r2為該垂直通孔穿過中間電源層時的隔離孔半徑,在試驗中發現隨機確定隔離孔半徑(保證r2>r1)會對垂直過度傳輸特性產生較大影響,仿真結果驗證了試驗結果的正確性.

圖8　垂直互聯模型

圖9　不同孔徑駐波曲線

微波、數字電路集成設計中,還應考慮微波信號、數字信號、直流信號之間的電磁兼容設計[9]. 微波信號頻段高,垂直互聯機構應盡可能少地跨越電路層,一方面可提高垂直過度的性能,另一方面可減少不同信號之間的干擾,因此可將微波電路放置在上下表面,同時射頻地也能對整個電路起到一定的屏蔽作用,使整個電路少受外界因素干擾. 數字信號用于波控對T/R組件的控制,數字信號傳輸的質量直接影響到陣面波束的形成質量,因此在設計中應控制好走線長度和寬度,避免傳輸阻抗失配嚴重而致反射增大,根據信號上升時間和窄線條上信號的時延,選擇相應介電常數和厚度的板材. 電源層和信號層應做合理分隔,對于時鐘、數據等重要信號,做必要的屏蔽處理.

3微波-數字協同仿真

微波-數字協同仿真技術可實現微波網絡和數字信號傳輸網絡一體化建模仿真,對多種信號傳輸中的EMI和SI特性進行評估,進而根據仿真結果優化設計. 可利用CST軟件中的PCB-studio為平臺[8],直接將用于制板的光繪文件導入生成仿真模型,該模型與實物高度相似,設置相關參數,模擬出微波電路、數字電路、電源網絡同時工作的物理場景. 電路的EMI特性,如圖10所示,三維情況尤其是微波、數字、直流電源信號同時工作時,射頻端口在某些頻點易出現諧振現象,通過優化金屬化通孔的疏密分布、大小、微帶線的寬度、數字信號走線方向、電源層隔離盤大小等,可使諧振現象得到改善. 網絡的SI仿真參數設置如下:電壓5 V、上升沿及下降沿時間為10 ns、脈寬50 ns、周期100 ns. 對信號源端進行電容濾波處理,終端采用阻抗匹配的振鈴抑制方法,串聯RC網絡,優化計算得到源端并聯端接電容取100 pF,末端RC端接分別為50 Ω、50 pF.經過上述處理,抑制了信號傳輸過程中明顯的上沖或下沖現象．

圖10　仿真結果

4試驗結果分析

按照文中闡述方法,設計了一種適用于機載平臺的Ku波段小型化雷達陣面系統,陣面有多條輻射與監測線陣組成,部分陣面見圖11(左). 陣面背面則集成了微波、波控、電源等多種信號傳輸網絡,該綜合網絡直接與線陣實現盲插,省掉了大量互聯器件,部分陣面見圖11(右).

圖11　小型化陣面(部分)

表1為線陣頻帶內典型頻率點測試結果,駐波在1.3以下、耦合度(含一比四功率分配器)理論值-31 dB,起伏±0.8 dB、相位一致性優于±3°,指標優良. 數字信號部分,用示波器觀測敏感信號CP、CLK、DATA等,信號傳輸波形無明顯過沖和震蕩現象,信號完整性好．

表1　測試結果

5結論

陣面作為相控陣雷達硬件的核心,涉及到的單機和模塊眾多,陣面系統小型化技術一方面應從雷達系統的角度分析研究,另一方面也有待各單機模塊本身技術的提升. 本文從多功能線陣設計技術、三維微波-數字電路設計技術、微波-數字協同仿真技術三個方面出發,探討了當前階段其在相控陣雷達陣面系統小型化設計中的應用,并給出設計實例. 結果證明上述方法在陣面系統小型化設計中的有效性,一定程度上實現了陣面電訊、結構等系統整體資源的優化配置,使雷達陣面實現高集成和小型化.

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李迎林(1984-),男,河南人，工程師,從事雷達陣面信號傳輸及天饋線研究,負責或參與多種型號星載、彈載、機載雷達研究,在核心期刊發表論文十余篇．

何丙發(1963-),男,湖北人，研究員,中國電子學會高級會員,IEEE會員．中國電子科技集團公司第十四研究所天線室主任,天線與微波技術國防重點實驗室研究員．長期從事相控陣雷達陣面系統研究,在雷達天饋線系統研究方面有較深造詣,主持或參與多種重點型號雷達陣面研制,如新一代機載火控雷達,毫米波雷達等．獲國防科技一等獎,二等獎各一次,集團公司科技進步一等獎一次,核心期刊發表論文60余篇．

張德斌(1957-),男,研究員,中國電子學會高級會員,享受國務院政府特殊津貼．曾任十四所饋線室主任,天線與微波技術國防重點實驗室研究員,全國印制電路標準化委員會副主任委員．長期從事相控陣雷達有源及無源微波電路系統研究,主持多項國防重點型號雷達饋線系統設計,如某大型預警機雷達T/R組件技術攻關．發表論文20余篇．

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