宽带天线系统构架详解

宽带天线系统是在预定宽带条件下，由载体平台、天线罩、极化罩、各天线排列方式、支撑固定方式、有源和无源微波组件及波束形成方式、射频信号的变换及控制方式、工作的环境适应性 （包括温度、振动、冲击、三防等）、维修性（以散热）、电源等方面所形成的射频功能块。这样可以将较大型的电子系统进行分功能的顶层设计。例如，侦察系统可以划分为天线、接收机部分、信息处理及显示部分、系统的能源供给、结构实现的机柜和装载的平台，再加上发射机部分 （包括高压电源、散热等）。干扰样式的产生及系统控制，必要时需要发射天线（阵列），从而构成了电子系统。一方面，工程实际中不同的工作平台和战术目的，出现不同的宽带天线系统；另一方面，天线之间的差异及不同的布局，必须与制造技术、材料状况相适应。构成天线系统的各组件一般情况下不是简单的组合，它需要相互间有机地互补，尤其是系统中的外购有源器件，可能会因为某种原因改变型号和部分指标。此时需要进行相应的调整，以达到要求的指标。实际工程中，由对宽带天线本身的性能要求转到了由许多宽带天线及微波通道一起在具体装载的平台上表现出来的性能要求。

宽带天线系统的构架及模块如图8.69 所示，它主要包括10个组成部分，整个宽带天线系统可能只用于接收、发射或两者都可以，它涉及辐射场的设计、微波部件的设计和结构工程的设计等。

图8.69　宽带天线系统组成框图

（1）对于舰载平台和车载设备而言，针对设备所处的环境为海面、地面或山地等具体情况，辐射部分要减少，基本要求是采用架高要求至少为10个波长的量级。同时，优化俯仰面方向图使其在作用距离内辐射到介质面上的能量减小，还可以在系统体制上采用技术措施等。而机载或弹道、星载电子设备工作环境的介质相对理想，只是在环境适应性方面多考虑实际问题。

（2）载体平台是工程设计与理想设计方面的一大区别，适用的无线电设备总是安装到某一平台上（飞机及吊舱、军舰、汽车、气球、卫星、导弹等方面）。这些平台对天线的性能影响是比较大的，因此，在平台上选取合适的位置。例如，飞机垂尾上和飞机头部，军舰上的桅杆高处，但有的安装处天线辐射体与下面微波组件有较远的距离，长的馈线损耗不可避免。另外，除了优选在平台上的架设位置，还必须联合考虑由此导致的对载体运动状况的影响，最好将载体作为天线的一部分进行设计。实际上，天线在载体上的布局是机载天线设计中的一项重要技术，它取决于天线的分布、波束指向等。

（3）电磁窗口实际上就是天线罩。它起透波及保护天线的作用及辐射口宽带宽角极化扭转作用，包括圆极化变换和斜45°极化、辐射波束图的调制作用。这种窗口有集中式和分布式两类，根据具体的工程设计而定，即每个天线辐射口单独有罩，每个天线有一个罩子，称为分布式；另一种是多个天线或阵列和大口径天线共用一个罩子。有时将天线罩和极化罩一体化设计，以减小体积，它是天线部分与外部的接合处，它的形状、外观、接口、环境适合性、材料及加工显得更重要。

（4）宽带天线单元或阵列部分。如果很多天线在平台分散安装，只要在平台上状态一定，其接口部分就已经固化，此时天线与平台的关系很密切。如果天线集中安装在平台上某处，此时天线单元之间的影响、天线与支架体的影响、载体平台的影响等变大。同时，还涉及天线的极化方式、指向及波束覆盖范围、收发通道之间的隔离及隔离屏和表面阻抗措施、系统自检件或校正件的接口关系等。为了提高辐射场的电磁兼容能力，尽可能采用宽带多种功能的阵列天线，必要时在其边缘处加入一定数目的虚单元。天线用于测频、测向、告警、连续波制导、自检、分区天线、切副瓣天线、大功率干扰天线及空间功率合成干扰等，一般情况下天线为线极化，有些天线为圆极化辐射或接收。

（5）宽带有源网络部件。包括微波开关（含机械脊波导开关）、限幅放大器、低噪声放大器、数字移相器、可控衰减器、固态功率放大器、宽带T/R组件、TWT 相位一致性行波管等，以及相关的散热结构件和校正自检接口。这些部件按一定的方式组合和控制，形成可扫描的相位梯度和幅度加权方式，这些有源器件的一致性调试难度大，但通道之间由于闭合场的原因，它们的电磁兼容易控制些。(www.xing528.com)

（6）宽带无源网络部件。包括微波功率分配器或合路器、定向耦合器、移相器 （包括同轴可调移相器）、固定的衰减器、滤波器、和差器等组成的Butler 矩阵馈电、单脉冲波束产生器、鉴相器和光学波束形成技术产生的Bootlace 透镜、Rotman 透镜、介质型Rotman 透波、龙伯透镜等产生宽带指向恒定的辐射波束，各连接通道采用相位一致性好的电缆。在具体网络的组合中，可能是无源部件和有源部件配合应用，工程中往往为了实现多个功能，对微波网络部件的小型化、高可靠性提出了要求。

（7）变频、检波及A/D 转换部分。该部分为各天线通道接收信号经微波网络幅、相变换后进行变频或直接输出数字信号，以用于高精度雷达参数测试（含测向精度）用。这涉及系统的同步及信号的配对等，变频所需要的本振信号由接收机后端供给。而通过检波器得到视频信号，对于多路检波器的体制，要求检波器为匹配型检波器，实际中，微波条已经将检波器集成，形成模块。

（8）供电、偏置及控制部分。该部分为微波网络有源组件提供偏置，为TWT 行波管等提供高压电源，提供初级输入，这些电源要求稳定，纹波小。同时，控制电平由该模块中的控制电路提供，它通过某种约定产生顺序码，使得开关通断，控制移相器产生宽带的数字移相值。该模块的技术成熟性比较高。

（9）自检或校正源部分。通过点频振荡源经放大器后给自检天线馈入信号或通过有源微波组件的自检接口处馈入信号，通过各天线和射频通道输出信号至检测仪器或接收机，判定各连接部分是否正常运行。同样，从预留的自检输入口馈入宽带的信号电平，从输出口测试它的幅度和相位，通过接收机将各通道幅、相误差记录到校正数据库中，完成各通道初始射频数据的提取，并且可以进行动态校正。该模块由供电、偏置及控制模块提供电源及控制。

（10）结构设计部分。包括宽带天线系统的受力分析，有源器件的散热和各连接部分的结构加固及保证，环境适应性设计，“三防”措施考虑，天线的状态调整，各通道部分的电缆走向、固定，天线结构的实现及支架的优选设计，材料的选用，天线重心的调整到位等。对于大型的宽带天线系统，电磁兼容的特性比较重要，同时收发天线部分进行分块设计。

上面针对宽带天线系统构架中的功能进行了说明，它可以分为两大部分，即辐射场部分和波束形成的网络部分。对于宽带频率范围，各部分相互影响的范围很宽。解决具体问题时，首先考虑在满足总体设备指标要求情况下，对测向体制或干扰工作方式进行选择。例如，相位干涉仪测向、多通道幅度比较法、最大波束法或交叉波束法、时间差测向方式及混合方法。而对目标的干扰要求宽波束覆盖、目标处产生高的功率密度、大区域的多波束开关控制等，希望的技术体制一般是应用大口径反射面和多波束天线的组合或者用相控阵空间功率合成方法。天线设计中，还应考虑尽可能地利用阵列的综合孔径技术，减小数量，同时还应考虑由天线引进大的雷达散射截面问题。另外，天线可采用还原法（经过一定的技术措施后，天线基本恢复到原有性能状态）和综合法（尽可能考虑在实际中通过新的设计来获得满足要求的性能），工程中两种方法都在使用。对于反辐射导弹导引头天线罩，由于尺寸很有限，它是一种圆轴对称结构，如果采用对称的天线阵列，会在一定程度上减小对超宽带天线罩的压力。在射频通路上减小非连续性的影响，将微波网络与天线进行某种方面集成，在提高性能方面会带来好处。

随着微电子技术、数字技术、制造及工艺和材料科学等飞速发展，给宽带波束形成技术及天线系统带来了更大的活力。微电子手段的提高使得宽带微波有源天线技术的研制成为可能，从而出现小口径、高增益、多功能的系统。新材料和新器件的涌现，推动了在等离子体天线、超导天线及纳米材料天线技术方面的探索。由于军事电子设备的需求，加速了时域场技术的应用研究，促进了宽带、超宽带天线技术向新的领域迈进。

【注释】

[1]1 in≈2.54 cm。