可扩展超宽带有源相控阵天线

余 贤,姜海玲,朱海波,郭子放,张宗恕

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

0 引 言

由于有源相控阵具有系统效率高、多功能、多波束、扫描速度快、抗干扰能力强和高可靠性等显著优于传统机械扫描阵列的特点,被广泛应用于雷达和通信系统中[1-2]。

有源相控阵天线是一个涉及电磁场、热力学、机械设计等多学科的复杂系统。为了提高大型阵列系统的可靠性、可扩展性、安装维修便捷性,设计需要以电性能为基础分层分级划分功能部件,形成有源子阵[3]。子阵设计中对电性能、热设计、结构一体化等并行综合设计,尽量做到低剖面、低成本,减少对外接口的类型和数量。根据不同的性能指标要求,可以以有源子阵为单元对阵面规模进行灵活裁剪与扩展。

本文介绍了一种超宽带有源相控阵技术方案。该方案将射频性能指标与结构进行综合规划设计,阵面以有源子阵为基础实现可重构、可扩展。子阵内通过拉大阵元间距从而降低通道数目和使用分级时延网络降低阵列成本,通过采用密闭机箱设计满足设备抗盐雾、霉菌、耐湿热的要求。最终,设计了一种低剖面、密封式、模块化、大间距的超宽带有源相控阵,其带宽达到4倍频。

1 设计思路

1.1 系统架构

根据要求,设计了L频段相控阵,其原理框图如图1所示,由天线阵面、一级波束合成网络、二级波束合成网络、二级控制及二次电源、变频分机、自校源、自校分路单元、电源等组成。

图1 系统组成及原理图

阵面以一级子阵为电性能最小单元,一级子阵为1×16的线阵,完成16组双极化信号的放大、时延、合成和极化选择。其中天线将电磁波高效转化为电信号,每个天线单元对应2个独立接收通道,2种极化同时工作,满足通信、雷达同时使用的一体化要求。天线2个馈电端口与接收组件直接对插以降低噪声系数。一级波束合成网络将4个双极化接收通道按极化合成,每个通道对信号进行限幅放大时延。二级波束合成网络按极化将一级波束合成网络输出的信号按2个极化独立合成后输出到变频分机。信号经下变频、模/数(A/D)采样后形成列合成数字信号,可以在方位面根据需求形成2种极化的数字波束。俯仰面通过控制组件时延参数,实现±30°波束扫描。

考虑使用环境对设备抗盐雾、霉菌的要求,结构采用密闭机箱。二级子阵由4个一级子阵构成,结构上集成在2个机箱中,每个机箱对应规模为4(列)×8(行),2个机箱上下排布,形成可扩展有源子阵。机箱内部模块采用砖块式设计,模块固定在机箱框架上[4],如图2所示。机箱天线一侧面板及侧面面板中嵌入导热管,模块通过机箱底板与侧板将热量导出到上层面板,上层面板安装散热翅片和风机,通过风冷散热。阵面剖面尺寸仅为0.65个低频波长。

图2 机箱内部结构示意图

阵面控制系统主要完成对阵面各组件时延、衰减等的控制。由于阵面尺寸大、模块多,为了简化走线,提高波控控制链路的灵活度,阵列采用分布式设计,由两级波控级联实现[5]。一级控制接收上位机发来的指令,采用RS422协议,根据地址将指令分发到二级波束控制器,其核心器件是现场可编程门阵列(FPGA);二级波束控制器进行指令解析并发送到阵面各子阵控制模块及分机。二级波控的数量可以根据控制需求进行灵活并联扩展。控制模块主要由单片机组成,由单片机将接收到的RS422信号转化为TTL电平从而实现对各组件的控制。

阵列电源和自校分路单元同样采用两级分布式设计。整个阵面采用DC270 V供电,由电源及分路单元分路到各个二次电源,再由二次电源为各子阵提供转化后的电信号。自校分路单元接收自校源信号后将信号分发到一级合成网络模块。为了降低走线复杂度,二次电源、二级波束控制器和二级自校分路单元集成到一个分机,为1个二级子阵提供电源、控制和自校信号,该分机放置于距离相应二级子阵最近的物理位置上。

采用这种架构,阵列以二级子阵为单元,可以根据不同的需求,灵活扩展或者裁剪阵列规模,进行波束重构。

1.2 大间距阵列天线设计

对于大型阵列,增大单元间距,即形成所谓的大间距阵列是减少阵元数目、降低成本的一种有效途径。为了实现低剖面宽带宽角扫描,该阵列采用紧耦合天线。与Vivaldi天线相比,紧耦合偶极子天线具有剖面低、交叉极化低等优点[6-9]。因此,该阵列采用偶极子天线形式,辐射单元由宽角匹配层、偶极子辐射贴片、Marchand巴伦和反射板构成,天线模型如图3所示。本设计将阵元间距由常规0.5λh提高到0.53λh,通道数量至少可以减少6%。然而,较大的天线间距会对紧耦合阵列天线的性能造成影响。为了弥补这个影响,一方面采用二合一的天线单元形式,使口径面辐射阻抗减半,降低匹配难度;另一方面使用竖条型的频率选择表面来代替介质板,作为天线的宽角匹配层。竖条型频率选择表面对沿z轴传播的平面波提供了分流电容,减轻了由地面带来的感应负载,从而起到介质覆层的作用。相对于传统介质板作为宽角匹配层,其阻抗变化更加平缓,在固定的扫描角度下具有更宽的带宽。周期边界中仿真驻波比如图4所示。可以看出,天线E面和H面扫描30°以内驻波比均在2以下,扫描45°驻波比均在2.5以下。天线阻抗带宽达到4个倍频。

图3 天线模型示意图

图4 天线单元周期边界E面和H面驻波仿真结果

1.3 波束控制网络

阵列俯仰方向采用模拟时延的方式实现波束合成。由于阵列工作频段较低且带宽宽,目前没有合适的集成芯片实现延时,因此采用定制时延线逐位加开关的方式。传统的大型相控阵波束控制网络需要小步进、大时延总量的时延器来实现,即每个通道都需要多位时延线。这会带来高损耗、高成本、大量的控制位,增加设计和工程实现的难度[10-11]。如果阵列使用该方式,每个通道至少需要6位时延。考虑宽带相控阵中主要是距离较远的阵元间需要大时延量,而相邻阵元间只需要小时延量,因此阵列采用两级模拟时延的方式,通过一级时延低步进延时线和二级时延高步进延时线来实现。每个天线单元对应的通道都加第一级时延,经第一级波束合成网络进行四合一之后再加第二级时延,再经第二级波束合成网络进行四合一合成。两级波束合成网络每个通路分别包含4位和3位时延线。采用分级时延,阵列总延时位数降低21%,且避免了使用具有超大时延量的时延线,从而大大降低了复杂度和成本。

2 仿真及测试结果

根据系统设计及天线最终的仿真优化模型,组成有源相控阵系统。由于变频信道各通道间本身存在幅相不一致性,加之模拟合成部分由于器件不一致性、加工误差等也会造成各通道幅相不一致;因此,需要进行阵列校准。组装完成后将各天线通路置于校准状态,采集各通路幅度相位,根据结果进行幅度相位补偿。采用十六合一合路器作为配试设备,将16路模拟信号合成,测试阵列方向图。

图5为阵列1 GHz仿真和实测对比方向图。根据结果对比可得,阵列仿真与实测性能一致。实测比仿真副瓣略高,是因为通路间校准后仍然存在较小的不一致性。图6为阵列1 GHz实测俯仰面扫描方向图。由该结果可知:该阵列可实现波束扫描精准指向,波束扫描-30°时,增益比法向下降1 dB。

图5 法向方向图

图6 俯仰面实测扫描方向图

3 结束语

本文提出了一种大型有源相控阵系统设计方案,并进行研制和测试,证明了该方案的工程可实现性,仿真和实测结果较为一致。该天线全频段效率均在75%以上,方位面可通过多波束实现宽角覆盖,俯仰面可实现±30°扫描。该阵列采用低剖面、模块化密闭机箱设计,便于拆卸组装,具有良好的平台适应性,并且可根据使用需求灵活裁剪阵面,应用于各种作战环境,可在多功能一体化设备中得到广泛应用。