可擴展超寬帶有源相控陣天線

余 賢,姜海玲,朱海波,郭子放,張宗恕

(中國電子科技集團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效率高、多功能、多波束、掃描速度快、抗干擾能力強和高可靠性等顯著優于傳統機械掃描陣列的特點,被廣泛應用于雷達和通信系統中[1-2]。

有源相控陣天線是一個涉及電磁場、熱力學、機械設計等多學科的復雜系統。為了提高大型陣列系統的可靠性、可擴展性、安裝維修便捷性,設計需要以電性能為基礎分層分級劃分功能部件,形成有源子陣[3]。子陣設計中對電性能、熱設計、結構一體化等并行綜合設計,盡量做到低剖面、低成本,減少對外接口的類型和數量。根據不同的性能指標要求,可以以有源子陣為單元對陣面規模進行靈活裁剪與擴展。

本文介紹了一種超寬帶有源相控陣技術方案。該方案將射頻性能指標與結構進行綜合規劃設計,陣面以有源子陣為基礎實現可重構、可擴展。子陣內通過拉大陣元間距從而降低通道數目和使用分級時延網絡降低陣列成本,通過采用密閉機箱設計滿足設備抗鹽霧、霉菌、耐濕熱的要求。最終,設計了一種低剖面、密封式、模塊化、大間距的超寬帶有源相控陣,其帶寬達到4倍頻。

1 設計思路

1.1 系統架構

根據要求,設計了L頻段相控陣,其原理框圖如圖1所示,由天線陣面、一級波束合成網絡、二級波束合成網絡、二級控制及二次電源、變頻分機、自校源、自校分路單元、電源等組成。

圖1 系統組成及原理圖

陣面以一級子陣為電性能最小單元,一級子陣為1×16的線陣,完成16組雙極化信號的放大、時延、合成和極化選擇。其中天線將電磁波高效轉化為電信號,每個天線單元對應2個獨立接收通道,2種極化同時工作,滿足通信、雷達同時使用的一體化要求。天線2個饋電端口與接收組件直接對插以降低噪聲系數。一級波束合成網絡將4個雙極化接收通道按極化合成,每個通道對信號進行限幅放大時延。二級波束合成網絡按極化將一級波束合成網絡輸出的信號按2個極化獨立合成后輸出到變頻分機。信號經下變頻、模/數(A/D)采樣后形成列合成數字信號,可以在方位面根據需求形成2種極化的數字波束。俯仰面通過控制組件時延參數,實現±30°波束掃描。

考慮使用環境對設備抗鹽霧、霉菌的要求,結構采用密閉機箱。二級子陣由4個一級子陣構成,結構上集成在2個機箱中,每個機箱對應規模為4(列)×8(行),2個機箱上下排布,形成可擴展有源子陣。機箱內部模塊采用磚塊式設計,模塊固定在機箱框架上[4],如圖2所示。機箱天線一側面板及側面面板中嵌入導熱管,模塊通過機箱底板與側板將熱量導出到上層面板,上層面板安裝散熱翅片和風機,通過風冷散熱。陣面剖面尺寸僅為0.65個低頻波長。

圖2 機箱內部結構示意圖

陣面控制系統主要完成對陣面各組件時延、衰減等的控制。由于陣面尺寸大、模塊多,為了簡化走線,提高波控控制鏈路的靈活度,陣列采用分布式設計,由兩級波控級聯實現[5]。一級控制接收上位機發來的指令,采用RS422協議,根據地址將指令分發到二級波束控制器,其核心器件是現場可編程門陣列(FPGA);二級波束控制器進行指令解析并發送到陣面各子陣控制模塊及分機。二級波控的數量可以根據控制需求進行靈活并聯擴展。控制模塊主要由單片機組成,由單片機將接收到的RS422信號轉化為TTL電平從而實現對各組件的控制。

陣列電源和自校分路單元同樣采用兩級分布式設計。整個陣面采用DC270 V供電,由電源及分路單元分路到各個二次電源,再由二次電源為各子陣提供轉化后的電信號。自校分路單元接收自校源信號后將信號分發到一級合成網絡模塊。為了降低走線復雜度,二次電源、二級波束控制器和二級自校分路單元集成到一個分機,為1個二級子陣提供電源、控制和自校信號,該分機放置于距離相應二級子陣最近的物理位置上。

采用這種架構,陣列以二級子陣為單元,可以根據不同的需求,靈活擴展或者裁剪陣列規模,進行波束重構。

1.2 大間距陣列天線設計

對于大型陣列,增大單元間距,即形成所謂的大間距陣列是減少陣元數目、降低成本的一種有效途徑。為了實現低剖面寬帶寬角掃描,該陣列采用緊耦合天線。與Vivaldi天線相比,緊耦合偶極子天線具有剖面低、交叉極化低等優點[6-9]。因此,該陣列采用偶極子天線形式,輻射單元由寬角匹配層、偶極子輻射貼片、Marchand巴倫和反射板構成,天線模型如圖3所示。本設計將陣元間距由常規0.5λh提高到0.53λh,通道數量至少可以減少6%。然而,較大的天線間距會對緊耦合陣列天線的性能造成影響。為了彌補這個影響,一方面采用二合一的天線單元形式,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代替介質板,作為天線的寬角匹配層。豎條型頻率選擇表面對沿z軸傳播的平面波提供了分流電容,減輕了由地面帶來的感應負載,從而起到介質覆層的作用。相對于傳統介質板作為寬角匹配層,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。可以看出,天線E面和H面掃描30°以內駐波比均在2以下,掃描45°駐波比均在2.5以下。天線阻抗帶寬達到4個倍頻。

圖3 天線模型示意圖

圖4 天線單元周期邊界E面和H面駐波仿真結果

1.3 波束控制網絡

陣列俯仰方向采用模擬時延的方式實現波束合成。由于陣列工作頻段較低且帶寬寬,目前沒有合適的集成芯片實現延時,因此采用定制時延線逐位加開關的方式。傳統的大型相控陣波束控制網絡需要小步進、大時延總量的時延器來實現,即每個通道都需要多位時延線。這會帶來高損耗、高成本、大量的控制位,增加設計和工程實現的難度[10-11]。如果陣列使用該方式,每個通道至少需要6位時延。考慮寬帶相控陣中主要是距離較遠的陣元間需要大時延量,而相鄰陣元間只需要小時延量,因此陣列采用兩級模擬時延的方式,通過一級時延低步進延時線和二級時延高步進延時線來實現。每個天線單元對應的通道都加第一級時延,經第一級波束合成網絡進行四合一之后再加第二級時延,再經第二級波束合成網絡進行四合一合成。兩級波束合成網絡每個通路分別包含4位和3位時延線。采用分級時延,陣列總延時位數降低21%,且避免了使用具有超大時延量的時延線,從而大大降低了復雜度和成本。

2 仿真及測試結果

根據系統設計及天線最終的仿真優化模型,組成有源相控陣系統。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、加工誤差等也會造成各通道幅相不一致;因此,需要進行陣列校準。組裝完成后將各天線通路置于校準狀態,采集各通路幅度相位,根據結果進行幅度相位補償。采用十六合一合路器作為配試設備,將16路模擬信號合成,測試陣列方向圖。

圖5為陣列1 GHz仿真和實測對比方向圖。根據結果對比可得,陣列仿真與實測性能一致。實測比仿真副瓣略高,是因為通路間校準后仍然存在較小的不一致性。圖6為陣列1 GHz實測俯仰面掃描方向圖。由該結果可知:該陣列可實現波束掃描精準指向,波束掃描-30°時,增益比法向下降1 dB。

圖5 法向方向圖

圖6 俯仰面實測掃描方向圖

3 結束語

本文提出了一種大型有源相控陣系統設計方案,并進行研制和測試,證明了該方案的工程可實現性,仿真和實測結果較為一致。該天線全頻段效率均在75%以上,方位面可通過多波束實現寬角覆蓋,俯仰面可實現±30°掃描。該陣列采用低剖面、模塊化密閉機箱設計,便于拆卸組裝,具有良好的平臺適應性,并且可根據使用需求靈活裁剪陣面,應用于各種作戰環境,可在多功能一體化設備中得到廣泛應用。