Radant透镜相控阵雷达发射通道的设计

2013-04-25吉胜

电子科技 2013年2期

吉胜

(中国电子科技集团公司第20研究所雷达部，陕西西安710068)

伴随着相控阵雷达技术的发展，如何降低相控阵雷达的成本是业界的一个研究方向。20世纪70年代，Park和Rao等人提出了Radant透镜的概念，即通过一组移相器完成一维波束扫描，再用另一组移相器对此波束在另一个方向上进行扫描，这样通过两组移相器实现了对波束的两维扫描。如果完成行扫描的移相器的数量为M，列扫描的移相器的数量为N，则可实现相控阵天线移相器的数量由M×N减少到M+N［1］。法国阵风战斗机的机载火控雷达和美国炮位侦查雷达AN/TPQ－36就采用了Radant透镜技术［2］。设计的低成本相控阵雷达采用一个后置的一维相扫天线和一个Radant透镜天线级联组成，一维相扫天线完成方位面的相控扫描，Radant透镜天线完成俯仰面的相控扫描，通过这两种天线的级联实现了相控阵雷达的两维扫描［3］，完成了三坐标雷达功能，由于只使用了少量的T/R组件，大幅地降低了整机成本。

1 Radant透镜相控阵雷达发射通道设计

1.1 发射通道的组成

发射通道由频合分系统、功放组件、功分网络、大功率T/R组件组成，其中功分网络由1个1分2功分器和2个1分32功分器组成;大功率T/R组件在天线上分成上下两排放置，以便形成俯仰差波束。组成框图如图1所示。

图1 发射通道的组成

1.2 频合分系统

频率合成源的种类大体分为倍频式数字锁相合成方式、混频式数字锁相合成方式、多点晶振点频锁相频率合成器方式、直接式频率合成器、DDS附加PLL合成方式等。根据对这几种频率合成源的性能比较，采用直接式频率合成器的技术方案，它具有相位噪声低、杂散电平小、跳频时间快等优点［4］。具体框图如图2所示。

图2 直接式频率合成器

频合分系统由中频组件、频率合成组件、DDS时钟组件、频控组件以及上变频组件组成，主要产生数10个频点的发射信号、数10个频点的接收本振信号、相参信号、雷达整机的时钟信号，这些信号完全相参。其中DDS选用AD9858，产生2种带宽、十几种时宽的线性调频信号及点频脉冲信号。最终本频合分系统的相位噪声￡≤－110 dBc/Hz@1 kHz，杂散电平≤－60 dBc，调频时间≤300 ns［5］。

1.3 功放组件

功放组件用于对发射信号进行放大，并通过功分网络将发射信号送入大功率T/R组件的发射输入端口。

发射信号送入单只大功率T/R组件发射端口的功率为5 dBm，1分32功分器的插入损耗＜2 dB，1分2功分器的插入损耗＜0.5 dB，电缆馈线的损耗＜1.5 dB，那么电缆馈线的损耗+功分器的插损＜4 dB［6］。

根据

这里，Pout为功放组件的输出功率电平;N为大功率T/R组件的数量;Loss为整个功分网络的插入损耗;Pin为大功率T/R组件发射输入端口的功率。功放的输出功率为10lg64+4+5=27 dBm。

根据以上计算，设计了一个1 W(30 dBm)的功放组件。

1.4 大功率T/R组件

T/R组件是相控阵雷达的重要部件，它的性能直接影响相控阵天线的指标。本大功率T/R组件由环行器、发射固态功率放大器、限幅器、接收低噪声放大器、数控衰减器、开关移相器组件组成。原理框图如图3所示。

图3 大功率T/R组件原理框图

组件由发射和接收两个通道组成，都要求相位一致性，这是设计的难点;接收通道包括环行器、隔离器、限幅器、低噪声放大器、微波开关、移相器、衰减器等电路，发射通道包括微波开关、移相器、隔离器、前级推动、功率放大器等电路;组件的各个单元电路具有较好的相位一致性，才能保证级联时组件整体的相位一致性指标。为保证电路稳定可靠，天线口到接收通道输入端口用双结环行器连接，其后是大功率限幅器;大功率限幅器的插入损耗相对较大，会对噪声系数有恶化，因此对于低噪放的噪声系数和输入驻波也提出了更高的要求。

整个天线阵面大功率T/R组件的平均耗散功率的计算

式中，PD为整个天线阵面大功率T/R组件的平均耗散功率;PO为单只大功率T/R组件的峰值功率;η为单只大功率T/R组件的发射效率;D为工作比;N为整个天线阵面大功率T/R组件的数量。

通过计算，整个天线阵面的平均耗散功率约3 kW，其中单只大功率T/R组件的平均耗散功率近50 W，大功率T/R组件主要发热点在末级功放处，在其底部安装热管，将热量从T/R组件导出。在整个天线阵面上共安装了两条风道，将整个T/R组件的热量导出。经过高温环境下的长时间工作，较好地解决了大功率T/R组件的散热问题。