宽带有源相控阵天线设计与应用

由于铁氧体移相器是用电流进行驱动的，单路可承受较大的功率，但小型化实现难度大。随着小功率的宽带功率放大器、PIN 数字移相器的生产技术和制造工艺能力日趋成熟，有必要开展固态宽带相控阵的研制工作。图8.44 所示为相控阵天线的结构框图。它的特点是移相器的反应速度变快，能量在网络的损耗相对减少，系统的结构实现难度降低。因为网络部分可以采用带状线或微带线形式，连接线可用一般的同轴相位电缆，不需要高压电源。同时，由于采用小功率放大器，因此散热问题变得容易解决。图8.44 中，每一个辐射元后面接一个功放和一个移相器，而功放采用固态微波电路实现，又称为固态相控阵。每个固态功放为1 W，其空间的等效辐射功率为

式中　P0——功放输出功率；

　　　G0——天线的单元增益；

　　　η——效率因子。

图8.44　固态相控阵天线框图(www.xing528.com)

可见有源相控阵的ERP 与阵元数目N2 成正比，足够多的单元能产生很高的ERP。由于天线阵的工作频率可扩展到18 GHz，设计时仍然采用后馈式单极喇叭作为阵元，进行E 面组阵。取喇叭最窄的口径为8.2 mm，宽边口径为60 mm，在整个频段内，单元喇叭天线增益大于5 dB，阵列为直线阵。

功分器是由多个二路功分器集成的八路功分器，同时在通道中设定了可调衰减器进行幅度的调节，以达到压低副瓣的目的。对于波控器，其功能是控制波束的扫描，输入频率码、方位码和扫描触发脉冲。通过波控码对移相器进行控制，产生相位扫描波束。因为要在宽带、宽角范围内实现无栅瓣的波束工作，阵元之间的距离是以频率高端的最小波长来计量的。在频率低端，互耦比较严重，但阵列实质上与8.4.2 节宽带相控阵发射天线相同，整个设计和阵列互耦的补偿方法、配相方式用8.4.2 节类同的方法完成，如图8.45 所示。阵列两边各加了两个相同的单元天线，后接匹配负载为阵列虚元，以改善边缘阵元的电磁环境。阵元数目N= 8 （直线阵），移相器为8 bit PIN 移相器，波束跳变最小间距小于1°。考虑到阵元天线的驻波特性影响和实际上低端频率可能功放的输出功率小于1 W，最后的等效辐射功率理论结果和实测值比较接近，合成效率大于60%。

图8.45　宽带固态相控阵

另外，对于相控发射阵，功放的幅相一致性要求降低，因为它可以通过移相器校正，同时，由于数字移相器和功放都是固态电路，随着微电子技术的进步，容易实现混合集成，可以提高可靠性、减小体积。图8.46 给出了f=13 GHz 的扫描方向图，由图可见，以相控阵天线为核心的干扰系统由于波束间隔很小，几乎是以最大波束对准目标，在相同情况下，可以获得更高的干扰功率或干扰距离。为了得到高的阵列增益，每个单元最好为等幅馈电方式，而均匀幅度分布的阵列，理论上的方向图副瓣电平为-13 dB，同时，幅度均匀对功放也有好处。

图8.46　f=13 GHz 的扫描方向图