宽带平面相控阵天线的优化设计

对于宽带相控阵圆形阵和直线阵，要么是单独作为接收用，要么是单独作为发射用。这主要与宽带移相器、固态功放等直接相关。而天线阵列口径两种状态下都正常工作，只要加入微波切换开关，共用数字移相器，发射时，转接到功放发射上，通过天线单元辐射出去；接收时，由微波开关切换到低噪声放大器上，从天线口传下来的射频电流经放大、移相，再到波束形成网络，产生和、差或交叉测向信息，形成收、发共用和方位、俯仰二维功能的宽带平面相控阵，以及通过它的研究可以应用到共曲面阵方面等。尤其是将优化的阵列与固态单片集成电路放大器相结合，产生了高效、可靠的固态有源阵。利用固态功率放大器、固态移相器、低噪声放大器、开关、激励电路的T/R 组件和高密度天线阵元所组成的电子战有源阵，具有体积小、质量小、多功能、高辐射功率和高可靠性等特点，比现有的行波管/低增益天线组合发射阵优越得多。例如，一个具有1 W 输出功率的16 元固态有源阵获得的相同RRP 等效于一个行波管（效率为25%）发射机。使用固态放大器，可以大大提高系统的可靠性，使系统具有极好的“故障弱化”性能，模块式结构可以根据需要进行“叠砌”，这为增加功能创造了条件。另外，固态有源阵还适合在平台蒙皮上安装，尤其是共形安装，为实现“灵巧蒙皮”创造条件。而用于电子战的固态相控阵应具有宽频带特征，2～20 GHz 是通常要的频段。在此宽频带范围内，干扰机对有效辐射功率的要求差别很大，这取决于许多参数，如主战平台的雷达RCS、所需的干信比、雷达的最小截获距离及需要什么样的特殊干扰样式。

固态有源阵组成框图如图8.47 所示，它由辐射面阵、T/R 组件网络、波束形成网络、波束控制网络、供电、散热等保障系统组成。接收状况时，平面阵分成四个相同的子阵，由波束形成网络产生四个波束，左右两个、上下两排各两个；由正交网络产生上下、左右的交叉波束及相应方向的和波束。而发射时，四个子阵合为一个阵列，形成较高的辐射功率。全向支路用于接收时切副瓣用。众所周知，在宽带阵列设计中，由尺寸较大的单元组阵后，就会导致扫描方向图出现栅瓣。按照传统的阵列设计方法，采用无栅瓣设计方法，单元天线组阵口径必须比较小，辐射效率下降。特别是平面宽带有源态相控阵中，要求两个主方向平面阵元间距d≤λmin/2，这使阵元口径小尺寸问题更加突出。目前比较好的天线单元是槽线天线和脊喇叭天线。由于槽线天线便于加工，且一致性易控制，特别是在2～6 GHz 频段内，平面阵列的喇叭天线实现起来难度很大，因此，若选取槽线天线作为平面阵阵元使用，单元的辐射效率在频率的低端增益很低，阻抗匹配变得困难，尤其是互耦变得很大，将会影响阵列的波束合成效果。另外，由于T/R 组件占有固有的横向尺寸，为了尽量减小从模块到天线单元的传输路径，有效地减少不必要的损耗，将每个T/R 模块直接平行相连，使得平面阵列中单元之间的间隔必须增大，从而在宽带范围内满足了低端性能，在其高端扫描方向图会出现栅瓣。如何解决栅瓣问题是设计优化的关键问题。

图8.47　宽带平面相控阵组成框图

在阵列天线中，当阵列间距较大时，在多个方向上，各天线单元远场呈现同相；若天线单元方向图很宽，或该方向上天线单元相对场强下降度较小，则阵列天线方向图将出现栅瓣，栅瓣的最大值与主瓣场强幅度接近，幅度差大小与天线单元波束宽度成反比。出现栅瓣的条件为

当波束扫描到（θs，φs）时，得

在φ=0°主平面内，栅瓣的位置为

在φ=90°主平面内，栅瓣的位置为

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因此，扫描主波束指向与栅瓣的指向角度差为

由上述公式可以计算出扫描主波束指向与栅瓣指向的角度差。其中m=1，f=2～6 GHz，dx=60 mm。可见，栅瓣在扫描主波束方向45°以外。工程上只要给定扫描主波束指向和栅瓣指向的角度差要求，就可以确定阵间距的最大取值范围，从而得到天线阵元最大排列间距。对于宽带相控阵，在宽的扫描范围内要做到无栅瓣设计是比较困难的。因为如果满足高频段无栅瓣的口径，则对于低频段来讲，口径就是显得太小了。当宽角扫描时，更容易产生出栅瓣，否则，单元天线口径要进一步压缩。而其口径压缩得太小会带来两个问题：①给天线单元设计带来困难，阵元间距过小，天线口径太小，天线电压驻波比升高，同时使天线增益低，辐射效率低；②阵元彼此之间靠得太近，天线间的互耦增强，口径场在天线间多次来回反射，使各通道幅度和相位分布误差变大，引起辐射方向图畸变，但这样将出现栅瓣。在接收阵中，它将给相控阵测向带来多值模糊性；在发射阵中，将在非目标方向形成干扰。但对于实际应用而言，上述问题显得并不突出。对于第一个问题，在具体系统中可用相对粗测向确定大致方向，使用相控阵进行精确测向；对于第二个问题，由于单元口径增大，天线增益也相应增加，组阵后，有可能提高整个相控的ERP。由于阵元间距变大，阵波束变窄，相应的空域变小。相对地说，压缩的一部分能量在栅瓣处合成了。但对于收发共用相控阵，虽然出现栅瓣，即使因接收时测向模糊，导致目标指向判断错误，但收发采用同样的相移电路和相移值，发射波束正好覆盖接收波束，干扰是完全能覆盖目标的。由于加工、材料等误差及天线阵元幅度的不一致性，相位误差较大。阵元互耦相应于幅度受到调制。阵元间反射场、爬行波等多径合成，合成幅度及合成相位随频率变化。阵元位置、扫描角不同，误差均不一样。

槽线天线是由介质基片金属面张口形成的。沿缝传播的主波电场量是横电波，其连续按比例改变尺寸且具有圆形辐射孔径的行波天线。特别是天线方向图低频宽，高频窄，并且方向图波纹起伏较大，这就使得阵扫描范围不够，扫描边缘方向图副瓣高，增益下降。通过大量的试验研究和电磁仿真计算，表明圆弧张开方式中，多级补偿平衡器馈电槽线天线展宽了单元波束宽度，减小了方向图波纹起伏。槽线天线做阵元时，阵元间的互耦较大。互耦是任何形式的阵列天线中均存在的严重影响阵列天线性能的因素。它不仅与天线工作频率有关，还与天线的扫描角有关。目前从理论上严格分析和准确计算各种单元间的互耦仍比较困难，一般采用试验方法补偿互耦的影响。试验及测试表明，E 面耦合大，H 面耦合小，低频耦合大，高频耦合小。相邻元的最大耦合可达11 dB，这是由于E 面表面波耦合和天线间的共极化空间耦合强，H 面耦合只由天线间进行，耦合较小，这些耦合量与频率成反比，与间距成反比。为降低槽线天线阵元间的互耦，采用特殊磁性吸收材料加于天线单元之间。这种吸收材料，单位体积吸收量大，频带宽，特别是体积小。另外，还在H 面天线之间的底座面板上加上蜂窝吸收材料。因此，在降耦的同时，不会降低天线阵元的辐射效率。阵元天线的波束宽度为（70°～100°）×（80°～120°），最小增益在0 dB 附近。图8.47 中面阵天线为矩形阵，阵列分为A、B、C、D 四个子阵，A、B 合成波束与C、D 合成波束通过90°电桥产生方位面正交差波束，实现目标的俯仰跟踪。同理，A、C 合成波束与B、D 合成波束通过90°电桥实现方位面角跟踪，借助位于面阵四个角落的宽波束天线去除扫描波束的副瓣，保证主瓣对目标的角跟踪。阵列的尺寸是这样确定的：

由于阵元间距变大后，阵元的增益会增加，而整个天线阵的增益为

优化单元间距，若将8个线阵单元方向图用余弦函数表示，若d/λ=0.8，阵列增益出现最大，阵元进一步增加，而阵列增益逐渐变小。取d=72 mm，则在2～6 GHz 频段内，d/λmin=1.45；取d=60 mm，则在整个频段内出现栅瓣的频率范围更小，这要根据具体的工程要求而定，在工程中可选dx= dy=60 mm。这种栅瓣设计的方法，解决了面阵带宽的拓展、整个阵列的效果优化设计及互耦问题、T/R 组件散热问题和结构布局等。

要实现宽带范围内相控阵的收、发，T/R 组件是必不可少的重要部件。它包括数字移相器、微波开关、低噪声放大器、固态功放、均衡器、PIN 衰减器等，如图8.48 所示。一般来说，用于发射和接收的放大器需要20～30 dB 的增益。就功放而言，需要足够的增益来补偿任何前置放大电路的损耗，并限制该组件的激励功率。对接收放大器，应选择增益和噪声系数，才能获得所期望的接收灵敏度。许多设计都是与选择的放大器及其他微波部件有关，带宽、功率输出及功耗都是关键问题。要求放大器在带宽内有均匀的增益。获得宽带的主要困难是补偿场效应晶体管的增益下滑，为此，选用了分布式放大器法，其他方法如电抗均衡法、匹配吸收法和反馈法等，均难以与阻抗匹配，不可能级联多级放大器来获得所需要的组件增益电平。对功率放大器功率的要求将取决于特定的有效辐射功率的要求和阵列尺寸的限制。每个阵元用1 W 或更高功率放大器就能提供所要求的等效辐射功率。如果接收信道要在很宽的输入功率范围内具有任意有效的增益而不饱和，则要求接收放大器的输出功率比预定值大。如果插入损耗在允许范围内，可在该放大器之前加用一个宽带限幅器。另外，功耗问题是宽带固态组件的一个重要问题。宽带放大器效率较低，通常只有5%～12%。西屋公司推出的放大器在输出功率为0.5 W，相对带宽为4 ∶1时，效率约10%。总之，每输出1 W 功率，就要求8～20 W 输入功率，加之这些放大器都工作在7～10 V 的低漏极电压下，需要很大的电源，所以，放大器的效率就显得十分重要。把微波部件封装成小的组件，每个组件的有效截面要小于0.16 in2^[1]。在这么小的空间内还要封装偏置电路、控制电路及射频逻辑接口、电源和冷却接口。一个非有源固态阵列用一个简单的放大器组件。对有源阵列而言，放大器很多，有更多复杂的收/发组件，其中的移相器、衰减器和收/发开关都要有控制电路，组件都要能工作在连续波或各种间隔的脉冲状态。所以它内部的电磁干扰 （尤其是来自大电流的电源总线）抑制是一个难题。通过采取一些技术措施后，使得收发隔离达到预定的值。

图8.48　宽带T/R 组件框图

为了得到4个基本波束，采用多个四路功分器组合，1个输入端口，16个输出端口，刚好与4 ×4个单元天线后的T/R 组件相接。同时，每个输入端口又接入1个两路功分器，从而阵列有8个输入端口，其中4个端品用功分器形成和波束，另外4个端口用8个两路功分器、SP2T 开关及90°的3 dB 定向耦合器产生方位、俯仰的测向交叉波束。在具体的设计中，尽量采用集成技术，以提高可靠性。除了射频电路外，固态阵还需要供电、散热等保障系统。通常，阵列电源为功率放大器提供几百瓦甚至更大的能源，不论在脉冲还是在连续波状态下，该电源都要能稳定地供电，并有足够的冗余度，以至于在固态阵“故障弱化”状态下也能可靠地工作。热管理系统是要解决的一大难题，尤其是固态阵情况下，宽带固态放大器具有较低效率。电源给各模块供电时，大约90%的功率以热的形式损耗掉。例如，1 W 组件的32 元阵，要求热管理系统从10 in3 体积的阵中带走288 W 的热量。为了把这些热散走，可采用热导管法或直接液冷法。直接液冷法的热阻最低，使砷化镓场效应晶体管放大器温升最小。当然，随着T/R 组件及其他部件的小型化，宽带相控阵的集成度得到很大的提升，完全可能采用小口径密集型的宽带天线阵元及微波通道在预定的扫描范围内形成高质量的宽带相控辐射波束。