空间馈电相控阵天线有源馈源阵系统设计

张继浩，林 鑫，王业文，王建中

（上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109）

空间馈电相控阵天线有源馈源阵系统设计

张继浩，林 鑫，王业文，王建中

（上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109）

空间馈电单脉冲相控天线的馈源设计决定了相控阵天线性能，传统的空间馈电相控阵天线馈源一般采用多模喇叭，实现和差波束，但存在波束赋形困难、高功率发射实现困难等问题。因此提出一种有源馈源阵设计方法，采用阵列技术、空间功率合成技术和唯相位加权技术，实现了收发波束灵活赋形、小功率激励。用该方法设计的用于空间馈电相控阵的有源馈源阵，已成功运用于空间馈电有源相控阵天线，经实测该有源馈源阵发射方向图波束宽度＞60°，接收和方向图满足±30°锥削分布＞10 dB，差方向图零深＞30 dB，测试结果验证了该设计方法的有效性。

空间馈电；单脉冲有源相控阵天线；有源馈源阵

0 引言

相控阵天线以其波束灵活扫描、多波束形成和响应快速的特点，在雷达、通信等领域中受到广泛关注。对于空间馈电的单脉冲有源相控阵天线，天线处于接收状态时，要求同时形成接收和波束、方位差波束和俯仰差波束；天线处于发射状态时，形成发射和波束。空间馈电有源相控阵天线中，这4个波束的形成一般依靠馈源实现。传统空间馈电有源相控阵馈源一般采用多模喇叭实现这4种波束［1，2］，但多模喇叭很难实现收发波束灵活赋形；此外，为了激励有源天线阵面，多模喇叭通常需要一大功率功放作激励源。这些问题的引入，给单脉冲有源相控阵天线的馈源设计带来了很大的挑战。

1 有源馈源阵系统总体设计方案

有源馈源阵用作空间馈电有源相控阵雷达天线的馈源。如图1所示，有源馈源由辐射单元阵面、T／R组件、馈电网络、激励器（含电源，收／发控制）、冷却系统和支撑结构及小功放等构成。根据有源相控阵雷达天线的使用要求以及空间馈电天线系统的一般设计原则，选择由4×4天线微带偶极子天线［3－5］单元构成的阵列天线作为该雷达天线的组合馈源是适中的，按矩形栅格排列成小面阵。

每个天线单元后面一一对应T／R组件，T／R组件用于发射时的RF功率放大和接收时的小信号低噪声放大，并通过其内部进行幅／相控制，以满足天线阵面的口径幅／相分布的需要。

图1 有源馈源原理

T／R通道后面带有激励器（含电源），激励器（含电源）用于驱动和控制T／R组件正常工作。激励器接收波控线网上来的各种控制信号，进行融合处理并再分配，而后控制T／R组件的RF信号的相位、幅度、收发通道切换和接收通道衰减等，同时对T／R组件的主要硬件进行故障检测，并把检测结果按要求送回波控机或雷达中心计算机。激励器内含的电源为T／R组件提供工作电压和电流。

收／发控制用来协调4×4个T／R组件的工作，保证馈源的收／发与天线阵面的同步，并按约定的工作模式计算波控码，送到相应的激励器端口上。此收／发波控机由馈源激励器内部实现。

馈电网络用于将4×4矩形栅格上的RF能量和信号进行分配与组合，获得雷达所需要的发射和波束Σt，接收和波束Σr，方位差波束ΔA、俯仰差波束ΔE。

小功放为整个有源馈源提供激励信号。阵冷却系统用于T／R组件的散热。支撑结构用来支撑有源（T／R）阵列馈源组合，并与封闭式空馈结构相适应。

2 有源馈源阵系统关键技术分析

2.1 有源馈源阵辐射单元阵列设计

由4×4个印刷天线辐射单元构成的小面阵如图2所示，按矩形栅格排列。

天线阵面单元间距确定为：dx＝0.8λ，dy＝0. 8λ。辐射单元与T／R组件一一对应，共同构成2个“背靠背”列线阵，每个列线阵均由4×2个单元组成。

为了减小整个馈源的纵向尺寸以及便于维护，激励器可以安置在馈源的周围两侧，并设有保护板。

图2 4×4辐射单元矩形排列前视图

2.2 有源馈源阵的馈电网络设计

馈电网络由4个1分4功率分配器、二维和差一体化网络［6－8］、环形器和若干电缆组件构成。4×4阵列馈源单元的组合馈电网络，是把16个输入输出馈电点转换为4个输入输出馈电点，反之亦然。这里16个馈电点发射时对天线阵面照射，而后接收来自天线阵面的回波信号。后面的4个馈电点每一个都将对应一个波束通道，分别形成发射波束Σt、接收和波束Σr、方位差波束ΔA以及俯仰差波束ΔE。阵面分成4个子阵，每个子阵为2×2共4个单元，该4个单元通过1个4路合成器合成一路，4个子阵形成4路，进入后面和差网络及环形器，形成整个强迫馈电网络。阵列馈电网络示意图如图3所示。

图3 4×4馈源馈电网络

2.3 有源馈源阵的T／R组件

有源阵列馈源包含16个T／R组件，安装于阵列支撑架上。馈源的T／R组件饱和输出的发射功率由天线阵面T／R的发射通道达到功率饱和输出时的最小输入驱动功率以及阵列馈源组合距天线阵面的距离共同确定。根据设计要求，在天线收发工作时，可以根据系统要求，对每个T／R组件进行单独配相。根据已确定的天线阵面尺寸及规模，估算出阵列馈源组合总输出功率，考虑到天线70%效率，可确定T／R组件的发射功率，如此把原来需要大功率激励源分解为16个小功率激励源，通过空间功率合成，得到天线阵面需要的功率要求。

2.4 有源馈源阵发射时小功放设计

估计馈电网络的发射通道Σt的插入损耗，根据单个T／R组件的发射驱动功率电平为要求，满足驱动有源馈源阵4×4个T／R组件使之发射时输出最大。

可直接用一个T组件作为阵列馈源组合发射时的小功放。小功放直接安放于馈源冷板上，水冷冷却。

2.5 有源馈源阵收／发方向图软件赋形设计

4×4阵列组合馈源在发射时，希望每一个T／R组件的发射输出功率都达到最大，并通过相位赋形获得需要的发射波束Σt。接收时使每一个T／R组件的接收通道的增益均衡一致。尽管阵列馈源系统不扫描，但仍须移相器作相位赋形以及馈源的接收相位校准。为了获得天线阵面所需要的馈源收／发方向图形状，需对馈源采用唯相位软件加权技术［2，9］对阵列组合馈源的方向图进行控制。

天线发射时，控制馈源发射波束宽度约为60°，经多次迭代计算采用表1所示的加权相位对阵列组合馈源加权。

表1 阵列组合馈源发射加权相位值 单位（°）

天线接收时，阵列组合馈源要获得在±30°范围内10 dB锥削分布，经多次迭代计算采用表2所示的加权相位。

表2 阵列组合馈源接收加权相位值 单位（°）

2.6 有源馈源阵结构

有源馈源阵在结构上自成独立系统，必须适应封闭式空馈结构要求，做到自密封和电磁屏蔽。支撑结构用来支撑有源馈源阵，并与封闭式空馈结构相适应。

馈源采用水冷散热。并且能够翻倒收起，三维立体图如图4所示。

图4 有源馈源三维立体图

3 系统仿真与应用结果分析

通过馈电网络控制4×4阵列馈源单元相位分布如表1和表2所示，利用式（1）［2］即可计算有源馈源阵收／发方向图。

式中，dx为X方向阵元间距；dy为Y方向的阵元间距；amn为第mn个单元馈电相对于第00单元的馈电强度的比值；ψmn为第mn个单元馈电相对于00单元的相位差。阵列组合馈源发射方向图如图5所示。

图5 阵列组合馈源发射方向图

发射时采用表1所示的相位加权技术与空间功率合成，发射方向图波束宽度＞60°，馈源发射功率满足阵面激励需求。阵列组合馈源接收和差方向图如图6所示。接收时采用表2所示的相位加权以及阵列和差设计等方法，获得了接收和方向图满足±30°锥削分布＞10 dB的要求，差方向图零深大于30 dB，满足有源馈源阵技术要求。

图6 阵列组合馈源接收和差方向图

该有源馈源运用于空间馈电有源相控阵雷达天线，经实测，天线和接收副瓣电平＞25 dB，差接收副瓣电平＞20 dB，差零深＞30 dB，天线发射时天线T通道饱和工作，这些性能满足天馈线系统要求。

4 结束语

详细介绍了一种空间馈电相控阵天线阵列组合馈源设计方法，并给出了阵列组合馈源的组成与各部分的实现方式。采用阵列技术、空间功率合成技术、唯相位加权技术，实现了收发波束灵活赋形、小功率激励和宽频带，从而规避了传统单脉冲空馈相控阵天线多模喇叭馈源的一些缺陷。实测结果表明，发射方向图波束宽度＞60°，接收和方向图满足± 30°锥削分布＞10 dB，差方向图零深＞30 dB，这些指标达到了单脉冲空馈相控阵天线馈源阵的总体要求。目前该组合阵列馈源已完成研制，并成功运用于型号，测试结果验证了该馈源设计方法的有效性。该方法为大型单脉冲空馈相控阵天线馈源设计提供了参考。

［1］张光义.相控阵雷达系统［M］.北京：国防工业出版社，2001：248－252.

［2］束咸荣.相控阵雷达天线［M］.北京：国防工业出版社，2007：47－82.

［3］刘学观，郭辉萍.微波技术与天线［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2001：97－104.

［4］钟顺时.微带天线理论与应用［M］.西安：西安：电子科技大学出版社，1991.

［5］王光辉，冯祖伟.伞形印刷偶极子辐射单元研究［J］.系统工程与电子技术，1997（2）：1－8.

［6］郑雪飞，郭昌燕.和差分布一体化设计［J］.现代雷达，1996，18（4）：45－49.

［7］黄建军，李渠塘.一种新颖的宽带和差模波束形成系统［J］.无线电工程，1997，27（4）：5－9.

［8］张文梁，丁春艳.多路宽带带状线功率分配器设计分析［J］.无线电工程，2012，42（7）：59－61.

［9］汪茂光，吕善伟，刘瑞祥.阵列天线分析与综合［M］.西安：电子科技大学出版社，1989：87－93.

Design on an Active Feed Array for Space-fed Phased Array Antenna

ZHANG Ji-hao，LIN Xin，WANG Ye-wen，WANG Jian-zhong
（Shanghai Aerospace Electronics and Communication Equipment Research Institute，Shanghai 201109，China）

The performances of space-fed monopulse phased array depend mainly on the design of its feed.The multi-mode horn is a very common choice for feed in traditional space-fed phased arrays.The horn feed can excite common／differential beam，however，it suffers from such difficulties as beam shaping and high-power transmission.The paper puts forward a design method of active feed array for flexible Tx／Rx beam shaping and low-power excitation by using such techniques as array，space power synthesizing and phase-only weighting.The active feed array based on the design is fabricated and employed in the active phased array antenna system.The experi-mental results show that the transmitting pattern beam width of this active feed array is more than 60°，the taper distribution is larger than 10dB in±30°range of sum pattern，and the null depth of difference pattern is larger than 30dB.The test results prove the feasibility of the design.

space-fed；monopulse phased-array antenna；active feed array

TN015

A

1003－3106（2015）10－0055－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.15

张继浩，林 鑫，王业文，等.空间馈电相控阵天线有源馈源阵系统设计［J］.无线电工程，2015，45（10）：55－58.

张继浩男，（1979—），硕士研究生，高级工程师。主要研究方向：天馈线的设计。

2015-07-21

国家国际科技合作专项基金资助项目（2012DFB10200）。

林 鑫男，（1983—），硕士研究生，工程师。主要研究方向：天馈线的设计。