一种轻质天线面板的设计

张轶江

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)



一种轻质天线面板的设计

张轶江

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

给出了一种轻质天线面板的设计。这种天线面板可以用于需要大孔径天线同时平台的载荷能力又非常有限的系统。应用这种天线面板可构建质量面密度为2～3 kg/m2有源相控阵天线。为了实现天线面板的轻质化,采取了几项相关措施。测试结果表明这种天线面板的质量面密度及其主要的电性能指标都满足了初始的设计要求。

轻质天线;天线面板;相控阵;大孔径天线

0 引 言

随着空间雷达[1-4]和临近空间雷达[5]的发展,需要很大口径的天线。同时,由于运载工具或工作平台的限制,使得天线载荷的总质量不能大,这就要求天线必须有很低的质量面密度。为了满足这一要求,JPL研制了L波段电扫的柔性薄膜天线[6],其质量面密度预期可以达到2 kg/m2。这种天线阵列的实验样件也达到了一定的规模(8单元×16单元)。

但是,使用这种天线形式需要复杂的展开支撑结构才能保证必要的形状和阵面精度。Tim Clark[5]提出了轻质天线面板的概念,使用薄膜和轻质介质支撑材料,采用折纸结构。这种天线面板既保持了轻质的特点又有一定的力学强度,因此不需要很复杂的支撑结构。但是,Tim Clark提出的这种天线面板形式由于受到厚度的限制带宽较窄,相对带宽约为2%～3%。为了使这种天线面板更好地应用到空间雷达和临近空间雷达上,必须对天线面板的带宽进行有效的展宽。

1 天线面板分析

根据以上的分析,本文提出一种天线面板的设计。这种天线面板具有以下几个特点:

(1) 工作频带相对较宽,可以和平台共形一体化设计;

(2) 具有一定的力学强度,安装定位保形简单,可制造性好,可大量生产;

(3) 质量面密度很低;

(4) 可以实现有源电扫。

图1给出了这种轻质天线的模型图。这种天线采用缝隙天线单元的形式,具有低剖面特点,而且这种形式容易有源集成,加工、保形简单。

图1 轻质天线模型图

天线单元馈电采用微带线的馈电方式,如图2所示。天线面板的背面还集成了射频收发组件、功分器、射频连接器和低频连接器。

天线面板由2层轻质支撑材料和3层薄膜加工而成,具体实现方式见图3。上层的薄膜和轻质支撑材料折成U型。缝隙天线单元的缝隙本身是双向辐射的,因此需要加反射层才能保证天线的单向辐射,同时也可以加强天线单元的增益。为了保证天线单元的带宽,反射层必须与辐射缝隙之间保持一定的距离,通常必须大于1/8波长(λ)。Tim Clark提出的天线面板的反射层也集成在面板上,这样反射层与辐射缝隙之间距离很小,天线无法实现相对宽的频带特性。

图2 天线面板的背面图

图3 天线面板的侧面图

为了实现宽的频带特性同时保持天线面板低剖面的特性,必须在天线面板外增加一层反射薄膜。这就增加了天线阵面保形的难度和天线阵面的质量。

在本项目中天线阵面的安装效果如图4所示。单块面板的安装图见图5。

图4 天线阵面整体效果图

图5 天线安装的侧面图

从图4、5可以看出,很多块天线阵面安装在圆柱形充气囊体的侧面,组成一个圆柱形的相控阵天线。

本项目中,安装天线面板的充气囊体外表面涂敷金属化反射膜,就可以将弹丸外表面作为反射面。这样做既可以保持天线面板本身保持剖面低的特性,又可以实现一定宽度的频带特性。

T/R组件也是天线面板中重要的组成部分,其设计也是侧重于轻小型化和低功耗。组件的系统框图见图6。

图6 T/R组件的设计框图

2 应用设计

天线面板的实物图见图7,天线安装到充气囊体见图8,充气囊体表面涂覆了一层金属化薄膜作为反射层。天线面板是工作在P波段的有源天线模块。

图7 天线面板实物图

3 实测结果和分析

为了验证天线面板及其组阵的特性,投产并调试成功4块天线面板,使用框架形成小阵,具体见图9。

图10给出了天线面板驻波测试结果和使用HFSS软件的仿真结果。从图中可以看出，天线面板的相对带宽达到17%。

图11～12分别给出了天线面板小阵不扫描时、扫描30°时波束测试结果及HFSS软件仿真结果。从图中可以看出，测试结果与使用HFSS软件的仿真结果基本吻合。

图10 天线面板驻波测试结果

图11 天线面板小阵不扫描时波束测试结果和仿真结果

天线小阵有4块天线面板,每个面板有6个通道,总共24个通道,通道辐射功率为3 W。天线面板质量面密度2.5 kg/m2。

图12 天线面板小阵扫描30°时波束测试结果和仿真结果

4 结束语

本文介绍了一种轻质天线面板。这种天线面板采用了复合材料技术,性能指标满足了使用的要求,可以在未来平流层飞艇星载环境方面有广泛的应用。

[1] S N Madsen, C Chen, W Edelstein. Radar options for global earthquake monitoring[C]// IEEE Symposium on Geoscience and Remote Sensing, IGARSS '02,2002.7.

[2] C W Chen,A Moussessian. MEO SAR system concepts and technologies for Earth remote sensing[C]//AIAA Space Conference,2004.9.

[3] W Edelstein, S Madsen, A Moussessian, C Chen. Concepts and technologies for Synthetic Aperture Radar from MEO and Geosynchronous orbits[C]//SPIE International Asia-Pacific Symposium,Remote Sensing of the Atmosphere,Environment,and Space,Honolulu,Hawaii,USA,2004.11.

[4] A Moussessian, C Chen, W Edelstein, S Madsen, P Rosen. System Concepts and Technologies for High Orbit SAR[C]//.The IEEE MTT-S International Microwave Symposium,Long Beach,CA,2005.6.

[5] Tim Clark, Esko Jaska. Million Element ISIS Array[C]//IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology,Waltham,MA,2010.10.

[6] Alina Moussessian, Linda Del Castillo. An Electronically Scanned Large Aperture Membrane Array[C]//NASA Space Technology Conference,2007.6.

[7] R Brett Williams, Kyle M Maxhimer. Design of Radar Panel Mounting Hardware for ISIS Radar Antenna[C]//54th AIAA/ASME/ASCE/AHS Structure,Structural Dynamics,and Materials Conference,2013.6.

Design of a lightweight antenna panel

ZHANG Yi-jiang

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

A lightweight antenna panel is designed, which is to be used to construct the large-aperture antenna on a platform with limited load capacity. This antenna panel can be used to construct the active phased array antenna with the mass surface density of 2～3 kg/m2. Several relevant measures are adopted to reduce the gross weight of the panel. The test results indicate that the mass surface density and the main electrical specifications of the antenna panel meet the initial design requirements.

lightweight antenna; antenna panel; phased array; large-aperture antenna

2016-09-10;

2016-09-20

张轶江(1978-),男,硕士,高级工程师,研究方向:雷达天馈系统、微波元器件。

TN823.24

A

1009-0401(2016)04-0049-04