無人機載Ku波段有源相控陣天線

詹珍賢， 許唐紅， 胡帥帥， 方 鑫

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室， 安徽合肥 230088)

0 引言

無人機不受駕駛員生理極限的限制，機身小，重量輕，因而具有較高的機動性能，戰場生存能力強，并且無人機可以在生化等特殊環境條件下執行任務，因此無人機已成為近年來高科技信息化戰爭不可缺少的組成部分，在奪取制空權、支援作戰甚至直接參與作戰中發揮著重要作用[1]。無人機作戰必將成為未來戰爭中一個極其重要的空中作戰模式，引發戰場形態的變化[2]。

無人機的發展有效推動了無人機載荷的發展。隨著無人機有效載荷的增加和雷達小型化技術的提高，無人機載雷達逐漸成為無人機載荷的重要組成部分，提高了無人機的作戰性能，并在戰場上發揮著重要的作用。目前，無人機載雷達主要以合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)為主，工作頻段集中在X波段、Ku波段和毫米波段，一般具有條幅式掃描成像、聚束式高分辨率成像和運動目標探測等功能。無人機載SAR成像分辨率高，探測距離遠，可以全天時、全天候工作，可以穿透云霧及戰場上的隱蔽物和障礙物，并且能夠跟蹤移動目標和突然出現的快速機動目標，在目標截獲、火力控制、態勢感知和精確打擊各方面均有出色表現[3]。

由于無人機平臺載荷艙空間小、載重能力有限，故要求無人機載荷應具有小體積、輕重量的特點，而有源相控陣天線的系統功能多、組成復雜，因此無人機載有源相控陣天線必須采用小型化、輕量化、高集成的設計方式[4]。本文設計了一種無人機載Ku波段有源相控陣天線，將波導裂縫天線陣面、T/R組件、波束形成網絡、陣面波控和陣面電源等組成模塊合理布局，實現了高集成、低剖面的設計，滿足無人機載平臺的要求，并可同時實現SAR成像和地面運動目標指示(Ground Moving Target Indication，GMTI)的功能。方位向采用集中饋電的波導裂縫天線實現了小于-20 dB的低副瓣電平；利用FFT反演算法，在平面近場微波暗室中對俯仰向各通道的幅度和相位誤差進行了校正補償，可以得到小于-20 dB的低副瓣電平并實現±60°的相控陣掃描。

1 系統組成與布局

某Ku波段無人機載一維相控陣雷達要求在俯仰向進行±60°的寬角掃描，在方位向需進行集中饋電并實現SAR波束不大于-20 dB的副瓣電平，并要求同時實現SAR和GMTI功能。根據要求，設計了Ku波段一維相掃有源相控陣天線，其組成原理框圖如圖1所示，由天線陣面、T/R組件、波束形成網絡、陣面波控和陣面電源等模塊組成。

圖1 系統組成原理框圖

為了滿足無人機載荷輕小型化的要求，有源相控陣天線必須采用高集成、低剖面的設計，減小體積，降低重量，對內部各組成模塊合理布局。有源相控陣天線采用三維疊層安裝的系統架構形式，天線陣面作為安裝基準和結構框架的一部分，T/R組件、陣面波控等其他模塊全部平鋪或疊層安裝在天線陣面的背面，結構緊湊，節省空間。其中，陣面左右兩邊各排布4個T/R組件和一個陣面電源，4個T/R組件平鋪排布，陣面電源疊層安裝在T/R組件上方；陣面波控和波束形成網絡平鋪安裝在陣面中間。

天線陣面采用裂縫波導駐波陣形式，由32行裂縫波導線源沿俯仰向排列而成。為了提高雷達威力，增大有源發射功率，每行裂縫波導線源由左右兩個SMP連接器饋電，對應兩個有源T/R通道；并且該方式可以便于同時形成全陣面和左、右兩個半陣面的射頻合成通道，同時實現SAR和GMTI功能。饋電SMP連接器采用帶90°彎頭的形式，則盲配互連的T/R組件可以橫向平鋪安裝，使整個有源相控陣天線的剖面高度得到大幅降低。必要時，天線陣面還可以集成校正波導，以實現有源相控陣天線的內校正功能。

整個有源相控陣天線包含64個有源T/R通道，與天線陣面的64個饋電口一一對應。為了提高系統集成度，采用八通道T/R組件的形式，則整個有源相控陣天線共包含8個T/R組件。每個T/R組件有8個射頻分口，以SMP連接器通過雙陰連接器與天線陣面的饋電端口盲配互連，去電纜化設計，減小饋線損耗，提高天線效率和系統集成度。每個T/R組件有兩個射頻總口，連接到波束形成網絡；一個低頻總口，連接到陣面波控和陣面電源。

波束形成網絡將左陣面和右陣面的各4個T/R組件的射頻總口傳來的射頻信號分別進行合成，并一分為二，其中一半功率分別形成兩路GMTI波束信號傳給后級的GMTI接收機，另一半功率再合成形成全陣面的SAR波束信號傳給后級的SAR接收機。波束形成網絡同時用作發射激勵的功率分配網絡，由設置在波束形成網絡內部全陣面總口位置的環形器實現收發隔離。

陣面波控為全陣面8個T/R組件提供工作所需的時序和波束控制信號；陣面電源為各T/R組件、陣面波控和風機提供工作電源。左右兩半陣面的T/R組件和陣面電源為疊層安裝，在T/R組件和陣面電源之間設置散熱翅片，并設置散熱風機通過風冷形式散熱。將兩個主要的發熱模塊共風道設計，可以減小風機數量，提高系統集成度，降低系統重量和功耗。

2 波導裂縫天線設計

對于一維相掃的有源相控陣天線，另一維需進行集中饋電和幅度加權，波導裂縫天線因其低損耗、高效率、口徑分布容易控制易于實現低副瓣等特點，成為有源相控陣天線的優選方案。同時，波導裂縫天線還具有功率容量高、交叉極化低、結構緊湊、機械強度好、可靠性高、使用壽命長等優點，廣泛應用在雷達和通信領域[5-6]。與窄邊斜縫相比，寬邊縱縫天線在整體剖面高度和重量等方面更有優勢，因此本天線選用寬邊縱縫波導天線。由于俯仰向的掃描角度大，單元間距小(僅9 mm)，需在波導寬邊內加脊以減小波導天線線源的寬邊尺寸，同時增大工作帶寬[7]。

圖2 天線線源結構模型圖

根據天線工作頻率和俯仰向單元間距，可以確定脊波導的截面尺寸，進而確定中心頻率波導波長λg。由于駐波陣的波導裂縫間距為λg/2，因此根據λg和天線方位向結構包絡尺寸可以確定波導裂縫的數目為24個。對于駐波陣波導裂縫天線而言，單根輻射波導上的輻射裂縫數越多則工作帶寬越窄[8]。因此，為了進一步擴展工作帶寬，并綜合考慮整體剖面高度，將24個波導裂縫分為4個子單元，每個子單元6個縫隙，采用中間饋電的形式。單根波導裂縫天線線源的仿真模型如圖2所示，為左右對稱分布形式。整個天線由3層波導組成，上層為輻射波導，中下兩層為饋電波導，采用E-T功分器的形式直接為輻射波導饋電，壓縮了天線的剖面高度尺寸，并可方便地調整功分比以控制方位向的口徑分布。下層波導將天線的兩個饋電端口分別轉移至陣面的左右兩邊緣，為T/R組件、波束形成網絡等各模塊的排布讓出空間。

波導裂縫天線的各裂縫相對于波導中心的偏置量、縫長和傾角等參數對應著裂縫的等效阻抗和導納，決定了波導裂縫天線的駐波和輻射特性，因此各波導裂縫參數的確定是波導裂縫天線設計的關鍵。本天線線源要求方位向SAR波束的副瓣電平不大于-20 dB，擬采用-24 dB的Taylor加權。我們采用計算機仿真軟件輔助設計的方法[9]，提高天線設計的效率和準確度。首先利用HFSS軟件提取波導裂縫端口的S參數，計算等效導納參數；然后利用Matlab軟件計算天線線源口徑面的激勵電平分布，并轉化為各波導裂縫的有源導納分布，計算出各裂縫的偏置量和縫長參數，建立初步模型；最后在HFSS中進行仿真計算，通過反演算法多次迭代優化設計，調整裂縫參數，可以得到較為理想的輻射方向圖和端口駐波[10]。

經仿真優化設計后的各波導裂縫的偏置量和縫長參數如表1所示，由于天線線源的24個波導裂縫為左右對稱分布，因此表1中僅列出了左陣面的12個波導裂縫的參數。

表1 各波導裂縫的偏置量和縫長參數 mm

3 仿真及測試結果

根據最終的仿真優化模型，設計和制造了32行線源的Ku波段單脊波導裂縫天線陣列，采用多層鋁板分別數控加工再整體真空釬焊的工藝方式加工而成。線源間距9 mm，在相鄰線源之間設置深度為λ/4的扼流槽以抵消位移電流，減小線源之間的互耦，并抑制交叉極化。按照上文所述的Ku波段有源相控陣天線系統組成，完成了波導裂縫天線陣面與T/R組件、波束形狀網絡等各組成模塊的裝配，實物照片如圖3所示。

圖3 有源相控陣天線實物圖

有源相控陣天線裝配完成后，由于器件一致性、加工誤差等因素，各有源通道之間存在固有的系統幅相誤差，需要對系統進行校正補償。我們采用基于平面近場微波暗室的FFT反演算法[11]對俯仰向64個有源通道的幅相誤差進行了校正補償。在微波暗室中采集被測天線的近場幅度、相位數據，反演得到口徑場的幅相分布，與理論值相比較可以計算得到各通道的幅相補償碼值，進而可以在微波暗室中測試得到校正補償后的天線方向圖。

有源天線方位向全陣面即SAR波束的中心頻點仿真及實測方向圖如圖4所示。仿真方向圖副瓣電平-23 dB，3 dB波束寬度2.7°；實測方向圖副瓣電平-20.6 dB，波束寬度與仿真相同。實測方向圖與仿真方向圖基本一致，由于工作頻段較高，對尺寸公差比較敏感，受加工制造誤差的影響，天線口徑場幅相分布略有變化，導致副瓣電平抬高了2 dB左右。

圖4 方位向全陣面SAR波束方向圖

有源天線方位向左半陣面即GMTI1波束的中心頻點仿真及實測方向圖如圖5所示。仿真方向圖副瓣電平-12.4 dB，3 dB波束寬度5°；實測方向圖副瓣電平-11.6 dB，波束寬度4.9°。右半陣面即GMTI2波束的中心頻點仿真及實測方向圖如圖6所示。仿真方向圖副瓣電平-12.5 dB，3 dB波束寬度5°；實測方向圖副瓣電平-11.8 dB，波束寬度5°。實測方向圖與仿真方向圖基本一致，副瓣電平略有抬高。

圖5 方位向左半陣面即GMTI1波束方向圖

圖6 方位向右半陣面即GMTI2波束方向圖

圖 7 俯仰向法向及掃描方向圖

有源相控陣天線俯仰向32行線源采用了-25 dB的Taylor加權，其法向和相控陣掃描20°,40°,60°的實測方向圖如圖7所示，法向方向圖副瓣電平-23.6 dB，3 dB波束寬度3.8°；掃描時波束變寬，副瓣電平略有抬升，最大掃描角60°時的副瓣電平為-19.6 dB。

4 結束語

本文設計了一種Ku波段有源相控陣天線，介紹了有源相控陣天線的系統組成和模塊布局，分析了設計思路，實現了高集成、低剖面的有源相控陣天線設計，并可同時實現SAR和GMTI功能。設計了寬邊縱縫駐波陣波導裂縫天線，通過加脊和分區饋電法擴展了天線的工作帶寬。通過反演算法在近場暗室中對有源相控陣天線進行了校正補償。仿真和實測結果表明該天線可以實現兩維-20 dB的低副瓣電平，并且可以在俯仰向實現±60°的相控陣掃描。本天線具有寬帶、寬角掃描、低副瓣、結構緊湊、低剖面、機械強度好等優點，適合作為無人機載平臺的相控陣天線。