星载SAR有源相控阵天线集成架构发展与关键技术

星载SAR有源相控阵天线集成架构发展与关键技术

李安换，程晓祥，王静峰

中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽省合肥市，230000

摘要：为了实现相控阵天线的标定，降低幅度相位误差和阵列故障对天线性能的影响，提出一种考虑因素耦合效应的近场标定方法。在采用近场扫描方法完成逐通道标定的基础上，采用旋转矢量法进行两次时间校准。当应用旋转矢量法（REV）时，为了使测量信号的变化明显，将大型相控阵天线分为中间，对边缘区域进行区域校准。通过二次标定，可以判断阵列元件是否无效，提高相控阵天线的幅相一致性;通过分区校准降低了阵列元件之间相互耦合的影响，并缩短了校准时间。基于此，本篇文章主要阐述了有源相控阵天线的优点，分析了有源相控阵天线近场校准的原理，并且对有源相控阵天线近场校准方法作了初步探讨，以期对相关领域的研究人员起到一定的借鉴作用。

关键词：相控阵天线校准；旋转矢量法；近场扫描法；互耦效应；幅相一致性

一般而言，有源相控阵天线波束的指向较为灵活，并且它的功能性比较强，具有较好的抗干扰性，因此该波束广泛的应用在雷达系统上[1]。相关工作人员在进行天线测试的工作过程中，通过天线测试可以进一步的设计好有源相控阵雷答，因此做好其进场校准工作尤为重要。在相关工作过程中可以利用平面进场测试系统进行繁衍，并且利用计算机辅助校准，得到相关的快速检测方法。

1 有源相控阵天线优点

将有源相控阵天线应用在雷达领域，其具有以下的优点：

第一点，可以分出多波束追踪不同目标，指向性更强，同时也就表示死角更小；

第二点，可以充当多用途天线，包含IFF、数据包、ECM都可以整合进aesa里；

第三点，可以随时变频、变功率让敌人不知道自己被发现或锁定；

第四点，由于没有行波管导波线等所以更为轻巧可靠；

第五点，由于低旁波所以不易被干扰或截获，可以集中波束所以探测距离更远；

第六点，个别T/R模组故障不影响其它模组，可靠度高，一个元件坏了绝对不影响其他的工作；

因为雷达是有波束指向的，而波束宽度往往比较窄，所以以往的机械雷达需要转动天线才能实现对各个方向的覆盖，而相控阵雷达是通过相位加权来实现波束指向的改变，因此响应快。还有就是通过相位加权可以实现对多个目标进行跟踪检测也是相控阵雷优点。
2结构优化基本理论

理想的雷达天线结构设计，需满足刚强度指标，符合结构轻薄化、成本低廉、可靠性好等优点。随着有限元法和数学规划理论的发展，使人们不仅有了强大的结构分析工具软件，还有了一套系统的优化设计方法。从设计对象和变量的特点来看，结构优化设计可分为 3 个层次:(1)尺寸优化。是在确定的形状下，对构件的截面、性质等进行优化，其设计变量通常为截面尺寸、截面积、惯性矩等;(2)形状优化。主要用来确定结构的边界或内部的几何形状，达到改善结构的受力状况和应力分布，降低局部区域应力集中的目的;(3)拓扑优化。一般旨在寻求结构刚度在设计空间最佳的分布形式，或结构最佳的传力形式。工程中的大多数优化问题属于带约束条件的非线性数学规划问题。非线性规划问题的求解方法大致分为 3 类:(1)可行方向法。从可行点出发，每次迭代都沿着下降的方向进行搜索，从而求出目标函数值下降的新可行点;(2)罚函数法。根据约束函数和目标函数，构造具有惩罚效果的目标函数序列，从而将约束问题转化为无约束问题，逐渐逼近优化问题的最优解;(3)基于序列近似的思想，可将原目标函数的求解转化为对序列子问题的优化求解。例如，对目标函数进行二次泰勒展开，并将约束条件线性化，将原非线性数学规划问题转化为二次规划问题。

3有源相控阵雷达天线结构设计

3.1互联设计

（1）射频网络。射频网络主要包括发射网络和接收网络2个部分，发射网络的主要任务是保证各阵元能够激励起所要求的激励振幅和相位，后控制天线阵波束指向形成所要求的方向图；接收网络主要完成和差计算等。因此射频网络是天线阵面的核心网络，是天线电气性能的最直接载体。（2）控制网络。波控系统的硬件设备主要包含方舱内主波控设备和天线阵面波控插件、激励器等。波控网络的主要作用是根据不同的天线波束指向要求，对每个单元移相器的移相量进行计算并通过控制总线传输给组件。（3）电源网络。有源相控阵雷达大量采用了有源组件，因此属于大功率供电系统。目前基于体积、重量和散热的要求，一般采用分布式供电系统，硬件构成主要包括一次电源、二次电源和电源模块等，一次电源主要完成交直流转换，二次电源和组件电源模块进行直流变压转换满足各电气需求。（4）三网融合互联设计。传统的天线阵面布局以三网独立走线设计为主，模块间采用线缆互连方式，阵面走线复杂、交织穿插、抗电磁干扰性差、维护极为困难。三网融合互联设计可实现微波网络、控制网络和电源网络的板内集成，大量减少互联电缆和大幅缩小网络空间体积。

3.2有源线阵设计

有源线阵由线阵支架、天线振子、T/R组件以及列馈4部分组成。线阵支架是有源线阵的结构支撑，其两端安装盲插水接头，内部包含冷却管路，为T/R组件提供散热功能;线阵支架内部还安装综合线束，用于传输电流、射频信号和控制信号。天线振子直接固定在T/R组件上，形成可独立维修的现场可更换模块。列馈属于无源部件，几乎不用维修，安装在线阵支架的后端，通过综合线束与T/R组件连接形成信号链路。集成后的有源线阵作为现场可更换单元，通过围框的导向槽直接与底板盲插，利用锁紧装置与围框和底板固定，有效保证电接口和液冷接口的可靠性。

3.3接地设计

在天线阵面中，接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要手段之一，阵面中的地线主要包括电源地、射频地、信号地及安全地。电源地的本质就是电源负极，信号地的基本目的是为信号电压提供一个零电位参考点，安全地的目的是把设备的外壳利用低阻导体连至大地保证人员安全。阵面馈电网络的各功能盒体中射频地（即射频连接器的外壳）与壳体应进行大面积良好接触，以保证良好的电性能。在综合背板中电流互联层一般采用独立整层设计，外层采用加厚铜层进行隔离，电源地为独立的地线，通常与电源线并排或双绞；阵面中各电流条绝缘层的表面要涂覆导电材质进行接地，以隔离干扰。阵面中数字信号地一般为独立的地线，不能与射频和电源地相连。

3.4后端功能部件设计

后端功能模块主要包括波控模块、馈线网络以及阵面总线等。波控模块为分布式模块，作为一级现场可更换模块，每个波控模块对应控制一条有源线阵，为了提高波控模块的可维护性，波控模块设计成插盒结构形式，通过底板的导向插槽与有源线阵的综合线束盲插对接，再由锁紧装置与阵面框架固定;馈线网络采用印制板层压结构形式，固定在底板后面，通过转接电缆与有源线阵对应的接口连接;阵面总线包括供电传输网络和控制信号分配网络，分别安装在底板后端面的上下边缘，通过电连接器与有源线阵对应的电接口对接;供电传输网络由铜板和绝缘介质叠层而成，控制信号分配网络由PCB印制板设计而成。

结语

综上所述，有源相控阵雷达在气象雷达领域的应用会越来越广阔，应根据需要在战术指标和成本之间选择最佳的规模和最适合的结构形式。有源相控阵气象雷达的成本还可以进一步的降低，总体布局优化、内部组件模块化，内部结构集成化都是降低成本的有效途径。本文设计的有源相控阵气象雷达结构，可为类似产品的结构设计提供一种思路，有一定的借鉴意义。

参考文献

［1］唐宝富，钟剑锋，顾叶青．有源相控阵雷达天线结构设计［M］．西安:西安电子科技大学出版社，2016．

［2］蒋庆全．有源相控阵雷达技术发展趋势［J］．装备与技术，2005(4):9－11．