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(tǒng)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(yōu)于傳統(tǒng)機械掃描陣列的特點,被廣泛應(yīng)用于雷達和通信系統(tǒng)中[1-2]。

有源相控陣天線是一個涉及電磁場、熱力學(xué)、機械設(shè)計等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)。為了提高大型陣列系統(tǒng)的可靠性、可擴展性、安裝維修便捷性,設(shè)計需要以電性能為基礎(chǔ)分層分級劃分功能部件,形成有源子陣[3]。子陣設(shè)計中對電性能、熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)一體化等并行綜合設(shè)計,盡量做到低剖面、低成本,減少對外接口的類型和數(shù)量。根據(jù)不同的性能指標要求,可以以有源子陣為單元對陣面規(guī)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(shù)方案。該方案將射頻性能指標與結(jié)構(gòu)進行綜合規(guī)劃設(shè)計,陣面以有源子陣為基礎(chǔ)實現(xiàn)可重構(gòu)、可擴展。子陣內(nèi)通過拉大陣元間距從而降低通道數(shù)目和使用分級時延網(wǎng)絡(luò)降低陣列成本,通過采用密閉機箱設(shè)計滿足設(shè)備抗鹽霧、霉菌、耐濕熱的要求。最終,設(shè)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(shè)計思路

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)要求,設(shè)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(wǎng)絡(luò)、二級波束合成網(wǎng)絡(luò)、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(tǒng)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(zhuǎn)化為電信號,每個天線單元對應(yīng)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(shù)。一級波束合成網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)按極化將一級波束合成網(wǎng)絡(luò)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(jīng)下變頻、模/數(shù)(A/D)采樣后形成列合成數(shù)字信號,可以在方位面根據(jù)需求形成2種極化的數(shù)字波束。俯仰面通過控制組件時延參數(shù),實現(xiàn)±30°波束掃描。

考慮使用環(huán)境對設(shè)備抗鹽霧、霉菌的要求,結(jié)構(gòu)采用密閉機箱。二級子陣由4個一級子陣構(gòu)成,結(jié)構(gòu)上集成在2個機箱中,每個機箱對應(yīng)規(guī)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(nèi)部模塊采用磚塊式設(shè)計,模塊固定在機箱框架上[4],如圖2所示。機箱天線一側(cè)面板及側(cè)面面板中嵌入導(dǎo)熱管,模塊通過機箱底板與側(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,通過風(fēng)冷散熱。陣面剖面尺寸僅為0.65個低頻波長。

圖2 機箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

陣面控制系統(tǒng)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(shè)計,由兩級波控級聯(lián)實現(xiàn)[5]。一級控制接收上位機發(fā)來的指令,采用RS422協(xié)議,根據(jù)地址將指令分發(fā)到二級波束控制器,其核心器件是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA);二級波束控制器進行指令解析并發(fā)送到陣面各子陣控制模塊及分機。二級波控的數(shù)量可以根據(jù)控制需求進行靈活并聯(lián)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(zhuǎn)化為TTL電平從而實現(xiàn)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(shè)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(zhuǎn)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(fā)到一級合成網(wǎng)絡(luò)模塊。為了降低走線復(fù)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(yīng)二級子陣最近的物理位置上。

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

1.2 大間距陣列天線設(shè)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(shù)目、降低成本的一種有效途徑。為了實現(xiàn)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(yōu)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(gòu)成,天線模型如圖3所示。本設(shè)計將陣元間距由常規(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(zhì)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(yīng)負載,從而起到介質(zhì)覆層的作用。相對于傳統(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E面和H面掃描30°以內(nèi)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(jié)果

1.3 波束控制網(wǎng)絡(luò)

陣列俯仰方向采用模擬時延的方式實現(xiàn)波束合成。由于陣列工作頻段較低且?guī)拰?目前沒有合適的集成芯片實現(xiàn)延時,因此采用定制時延線逐位加開關(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、大時延總量的時延器來實現(xiàn),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(shè)計和工程實現(xiàn)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(xiàn)。每個天線單元對應(yīng)的通道都加第一級時延,經(jīng)第一級波束合成網(wǎng)絡(luò)進行四合一之后再加第二級時延,再經(jīng)第二級波束合成網(wǎng)絡(luò)進行四合一合成。兩級波束合成網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(fù)雜度和成本。

2 仿真及測試結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計及天線最終的仿真優(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(tài),采集各通路幅度相位,根據(jù)結(jié)果進行幅度相位補償。采用十六合一合路器作為配試設(shè)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(jù)結(jié)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(jié)果可知:該陣列可實現(xiàn)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(jié)束語

本文提出了一種大型有源相控陣系統(tǒng)設(shè)計方案,并進行研制和測試,證明了該方案的工程可實現(xiàn)性,仿真和實測結(jié)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(xiàn)寬角覆蓋,俯仰面可實現(xiàn)±30°掃描。該陣列采用低剖面、模塊化密閉機箱設(shè)計,便于拆卸組裝,具有良好的平臺適應(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。