全数字阵列雷达天线阵面结构设计研究

2021-06-01

工程技术研究 2021年8期

中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230031

全数字阵列体制[1-3]现有的源阵面已全面应用于雷达领域。为保证天线整体性能，作为有源天线阵面主要组成部分的天线结构设计将发挥关键作用。对于机载大型全数字阵列雷达天线，天线结构的轻质、低剖面化[4-5]可以大幅度降低天线对于雷达整机系统有效载荷重量和空间的占用；对于车载机动性雷达，天线结构的成功设计将有效缓解其折叠展开、升降、回转结构设计及总体布局设计的压力，反之则会加剧诸多矛盾甚至颠覆总体方案。为此，低剖面、轻质化天线的结构设计成为天线阵面研制领域中的一个热点。文章对某频段数种全数字阵列雷达天线阵面布局及天线结构设计过程中发现的优缺点进行对比分析，以期为后续各频段全数字阵列雷达天线阵面的研制提供一定依据。

1 全数字阵列天线阵面系统组成

全数字相控阵雷达的天线阵面设备包括天线单元、全数字阵列模块、电源组件、校正滤波组件、时钟本振功分组件及阵面骨架等各种机电设备。此外，该体制的有源天线阵面还包括必需的环控系统和内部信号传输等设备。内部传输信号是将连接器、射频电缆及光缆等通过集成设计方式形成模块化的部件，使阵面内部各功能组件之间形成有效、可靠互联。有源天线阵面的组成见图1。

图1 全数字阵列天线阵面系统组成示意图

2 天线阵面布局设计

2.1 阵面结构布局原则

为实现整机机动性能，全数字阵列体制的天线阵面所具有的轻、薄化特点是整个天线阵面结构设计的重点、难点。为满足这一需求，应从以下几个方面予以关注：

（1）为降低雷达天线损耗，提高整机性能，天线阵面各设备布局时应考虑各电子设备之间的电连接尽可能降至最低，布局时兼顾可靠性、安全性等方面因素[6]。

（2）对于有热耗的电子设备，天线阵面布局时需提供高效的散热通道，将各电子设备产生的热量迅速传递出去。

（3）设备的维修性是天线阵面重要的技术指标之一，是衡量天线阵面有无生命力的重要因素。维修性设计应遵循以下原则：①提高设备组件的通用化、模块化、组合化程度，做到备件更换后不需要调整便可正常工作；②设备组件的布局应具有良好的可达性，主要部件可视、可及，易于检查、维修和更换；③对天线阵面的主要设备进行精心布局，合理安装。

（4）结构学、材料学、电学、热学协同设计，结构设计方面应注重采用新颖的结构设计方法及新材料的应用。

2.2 天线阵面布局形式

全数字阵列雷达天线阵面的设备组成见图2。

图2 天线系统设备组成

为实现设备合理布局，结构上将天线阵面设备划分为三层：前层为天线、校正网络、天线罩；中层为天线骨架及阵面液冷管网；后层为有源功分插箱、有源模块、功分网络等电子设备。天线设备分层安装的分解图见图3。

图3 天线阵面分层安装示意图

此布局形式（以下简称方案1）下，天线厚度受制于电子设备器件及天线振子与数字阵列模块的盲配走线空间，结构设计可发挥余地非常小。采用有源模块插箱形式的优点在于有源模块的盲配精度能实现分解，降低制造成本，其对于大型阵面、重量要求不严格的地面固定式雷达具有一定优势；而对于机载及地面具备高机动性能（对天线重量及厚度有严格限制）雷达，此种天线阵面布局方式已不适应。为此，设计人员必须从阵面厚度及重量两个指标进行优化设计。影响阵面厚度及重量的因素见表1，其中数字阵列模块、电源模块、功分网络沿厚度方向是并置，故其影响归为一类。

表1 方案1影响阵面厚度、重量的因素

2.3 优化设计方法

（1）一体化模块设计。由方案1、表1可知，阵面厚度受制于电子设备器件及天线振子与数字阵列模块电缆的连接空间，因此可将天线振子与数字阵列模块进行一体化设计，从而节省电缆连接空间。一体化模块天线阵面采用前插方式并通过组件支撑安装于天线骨架上，布局形式见图4。

图4 一体化模块形式的天线阵面结构布局

该体制的天线阵面结构布局（以下简称方案2）形式下，若对一体化模块和电源、功分模块进行优化设计，其厚度必然降低。与方案1相比，影响阵面重量的因素见表2。

表2 方案2影响阵面厚度、重量的因素

将表1与表2对比分析可知，由于反射板、天线单元、数字阵列模块进行了集成设计，有效降低了系统厚度，减轻了系统重量。阵面厚度及重量的影响因素取决于电子设备器件。采用方案2布局的特点如下：①省电缆，损耗低；②降低厚度（优化电子设备器件）；③没有减轻重量；④模块维修性差，阵面设备需要前后维修；⑤阵面防护性差；⑥天线校正采用外校正方式。其适用场合为地面固定式雷达、小型机载雷达等。

（2）集成设计方式。如前所述，阵面集成设计应从阵面布局、阵面环控系统集成设计、阵面多层互联技术等方面综合考虑[7]，总体思路如下：①天线振子与数字阵列模块一体化设计；②冷却管网、电子设备安装件与骨架一体化设计。

针对目前情况并结合工程实际，冷却管网、电子设备安装件与骨架一体化设计是解决天线阵面轻、薄化的较快途径。为此，骨架一体化设计是目前结构设计亟待解决的问题。因此，对天线阵面进行如下布局：天线阵面从结构上划分为2层，分别为反射板和天线骨架；反射板与末级水道采用一体化设计，并提供天线单元及馈线转接模块安装接口，反射板水道入口与骨架上主水道采用快接连接；天线骨架与主水道采用一体化设计，骨架上提供数字阵列模块及功分网络安装接口，见图5。

图5 天线阵面结构布局示意图

该天线阵面结构布局（以下简称方案3）与方案1、方案2相比，影响阵面重量的因素见表3。

表3 方案3影响阵面厚度、重量的因素

（3）方案比较。①馈线转接模块是天线单元与数字阵列模块联系的纽带，该模块采用何种设计方法直接影响该方案设计成功与否，必须与电信设计人员协同设计、共同优化。此馈线转接模块与方案1中的数字阵列模块盲配板所起的作用区别如下：第一，盲配板作用。将天线单元馈电通过盲配板与数字阵列模块连接，其优点是可根据阵面需要对数字阵列模块放置位置进行灵活处理[8]，缺点是天线单元与盲配板电缆连接过长，导致走线凌乱，走线空间增大，损耗加大。第二，馈线转接模块与数字阵列模块及相应天线单元按照一一对应法则进行排布，其优点是天线单元馈电整齐、减少馈电空间及系统损耗。②数字阵列模块尺寸应小于对应天线单元区域内尺寸是馈线转接模块能否设计成功的前提条件。对于数字阵列模块尺寸小至多少，应根据各项目使用条件及技术指标进行分析。同时，数字阵列模块与电源集成设计应尽可能提高散热效率，降低系统热耗。③若难以实现数字阵列模块与电源集成设计，则电源必须与馈线转接模块进行封装组合设计。因此，要减少数字阵列模块的维修时间，其后端不应放置其他器件（除非其尺寸非常小，电源模块与其并行放置）。④各种电子设备轻型化设计是天线阵面轻、薄化设计的关键因素。

综上所述，天线阵面布局可根据系统需要进行相应灵活布局，低剖面天线的影响因素包括天线单元尺寸及重量，数字阵列模块、电源模块等电子设备尺寸及重量，各器件连接方式，环控系统，天线骨架，结构附件。

对环控系统与骨架、反射板采取集成设计方法是天线阵面轻、薄化设计的重要途径，该集成设计方法的实现又与电信器件互连设计、布局等紧密相关，为此，应将结构、电信、热等方面进行协同设计。另外，一些新材料（复合材料等）的应用会给阵面轻、薄设计带来积极影响。