星载SAR有源相控阵天线集成架构发展与关键技术

王志刚 陈梁玉 杨听广 张先锋

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

星载合成孔径雷达(SAR)是一种主动微波成像装置，是将雷达安装在卫星平台上，利用卫星平台与观测目标之间的相对运动而引起的多普勒频率变化进行数据处理来获取大面积、高质量的图像。图像在抗灾救灾、国土资源普查、农业领域以及军事领域得到了广泛的应用。星载SAR具备穿透云层和黑暗的能力，因此能在任何时间、任何天气情况下对目标进行观测和成像[1]。

星载SAR的核心组成部分是天线系统，决定着星载SAR的性能。有源相控阵天线是星载SAR天线的主要类别之一，有源相控阵天线具有波束控制灵活、扫描角度大等特性，越来越广泛应用在雷达系统中，也将成为未来大口径星载SAR雷达的主流技术。未来星载SAR要实现高分辨对地成像等任务，较大的口径和较强的电性能是必不可少的要求，这也造成了系统的复杂度和设备量急剧增加。而卫星平台、火箭发射能力和效费比等因素又制约着SAR载荷的体积、质量和成本。综合国内外在轨应用或者正在研制的星载SAR，轻质、大口径、高性能的星载有源相控阵天线，己成为当前星载有源相控阵天线研究领域的热点[2-4]。

由于材料、工艺和元器件等技术的限制，在早期的有源相控阵天线系统中，每个功能模块或单机独立存在，并且体积、质量和功耗都居高不下。而且每个功能模块或单机之间一般采用高频电缆和低频电缆连接的方式进行射频信号与和低频信号的传输。随着微波系统中有源通道数量的增多，每个功能模块或单机之间的连接器和电缆数量也随之增多，使得其体积、质量增加，占用较多的空间尺寸，其电缆走线关系复杂、电缆交错盘绕，电缆的安装固定繁琐，对系统的轻小型化和可维修性带来很大不便[5]。据有关统计，在传统的星载有源相控阵天线中，天线系统总质量中无源部分(馈电网络和高低频电缆)质量占比30%以上，比例最高[6]。因此，传统的设计方法不能满足卫星平台对体积质量的要求，必须采用新的设计思路和集成方法。

本文在总结国内外星载有源相控阵天线研究现状的基础上，介绍了3种典型的有源相控阵天线架构设计：传统砖块式有源相控阵天线架构设计、一体化有源相控阵天线架构设计和片式有源相控阵天线架构设计，并比较了其优缺点。提出了星载有源相控阵天线的发展趋势：柔性薄膜有源相控阵天线，并介绍了其关键技术。

1 星载有源相控阵天线研究现状

1.1 国外星载有源相控阵天线研究现状

以美国和欧洲为代表的国外星载SAR发展迅速，其核心组成部分即天线，从反射面体制发展到多功能、多工作模式的有源相控阵体制，有源相控阵天线技术得到了充分的研究和应用。

雷达卫星2号(RadarSat-2)SAR天线是由加拿大MDA公司为满足全球对地观测市场的需求而研制开发的有源相控阵天线。整个天线分成了4个阵面，每个阵面上安装了天线辐射单元、收发(T/R)组件、列驱动单元和相关的电源、控制和射频信号互连线缆以及配电网络，如图1所示。阵面采用一体化的铝制结构，其优势是更轻的质量和更佳的结构效率[7]。

图1 RadarSat-2 SAR天线阵面总成布局图

陆地合成孔径雷达(TerraSAR-X)是德国航空航天中心和Astrium Gmbh公司联合设计开发的X频段合成孔径雷达。天线前端包含了12个电气阵面，每个阵面分成了32个子阵，图2是天线阵面示意图。每个子阵由1个水平极化和1个垂直极化裂缝波导和连接到波导上的T/R组件组成。阵面还有2个射频分配网络和1个电源模块。射频分配网络包含微带功分器和面板与中央电子设备之间的同轴电缆[8]。

图2 TerraSAR-X天线阵面

从RadarSat-2 SAR天线和TerraSAR-X天线来看，系统的集成度仍然较低，大都采用独立单机设计加工组装的方式，但都采用模块化设计，这种模式有利于天线的安装集成和扩展。

为解决传统星载有源相控阵天线体积、质量过于庞大和集成度低的问题，国外进行了大量研究。一方面采用集成技术，另一方面采用柔性薄膜技术实现有源相控阵天线质量面密度大幅度缩减。

地中海盆地观测小卫星星座系统(COSMO-SkyMed)是意大利空间局和国防部共同资助的一个4卫星星座。天线分成了3个机械阵面，每个阵面包含40个瓦片。天线是由瓦片和其他无源部分组成的。瓦片天线安装在铝阵面框架上，它是一个具有完全功能的有源相控阵天线，包括4列每列8个水平和垂直双极化辐射单元，每列对应8个双极化T/R组件以及延迟组件、波束控制器和2个电源模块。瓦片天线内部分成了7个独立的空间，T/R组件占了4个空间，电源单元分配了2个空间，另一个用于数字控制器和延迟组件。瓦片天线的散热是通过安装在瓦片天线背面的7个独立的盖板来实现的。通过在T/R组件的热区域放置热填料来改善T/R组件与瓦片天线的热交换。图3展示了瓦片天线内部和外部情况。

图3 COSMO-SkyMed 瓦片天线内部

图4是COSMO-SkyMed辐射单元的截面图，辐射单元由12层共线极化贴片天线组成，通过缝隙耦合将射频信号馈给功分网络。辐射单元使用了两个功分网络，每个功分网络分别连接一种线极化的天线端口。天线通过盲插连接器与有源模块互连。8个辐射单元集成在一起形成一个辐射板[9]。

图4 COSMO-SkyMed辐射单元截面图

德国航空航天中心资助的智能天线终端(Smart Antenna Terminal，SANTANA)项目介绍了一个高度集成的Ka频段有源天线前端模块架构的概念和设计。由于采用了数字波束形成技术，需要适当的系统架构来处理高频率带来的天线集成密度高的问题。它将天线、射频电路和冷却系统集成在一个功能模块中，实现了机电热一体化设计。图5是有源模块射频电路示意图，模块的背面是天线，射频电路与天线在一个模块中集成减少了高频互连的数量并减少了总体尺寸[10]。

图5 SANTANA 模块射频电路

美国喷气推进实验室(JPL)围绕柔性薄膜有源相控阵天线研究已开展了多年的工作。JPL在前期的三层无源天线的基础上进一步研制了集成T/R组件和功分网络的2×4个单元柔性薄膜有源相控阵天线(见图6)。该天线仅有2层，第一层是有源电路层，第二层是无源电路层。T/R组件位于接地面背面，并通过狭槽与天线贴片单元射频耦合。T/R组件是一个基于柔性基板的混合多层模块，它是独立组装和连接到薄膜天线上的。每个薄膜层是一种商用的覆铜全聚酰亚胺柔性电路材料制成的[11]。

图6 JPL柔性薄膜天线架构

1.2 国内星载有源相控阵天线研究现状

为降低有源天线的质量和体积，国内在结构功能一体化天线和片式有源天线集成以及柔性薄膜天线方面也进行了很多研究。

文献[12]所阐述的星载SAR有源天线系统包括辐射单元、有源模块、电源/控制模块和安装板等。天线阵面应用了结构功能一体化天线技术的设计思想，将结构、热控和安装件进行融合，将机电热功能进行合并，以及采用智能电路板等技术，研制开发了一体化模块样件，该样机包含铝波导辐射单元、蜂窝夹层一体化天线安装板、轻质多芯片组件等。

文献[13]针对有源相控阵天线在飞行器平台的适应性需求，提出了一种结构功能一体化天线，该天线可与飞行器平台进行深度融合。它将辐射阵面、收发组件、馈电网络和热控系统进行高密度集成设计，并加工制造了一个原理样机。

文献[14]研制了一个X频段片式有源天线模块样机，该样机采用了片式收发组件、多功能板馈电以及微型盲配同轴连接器等技术，通过一体化集成和片式组装，将64个单元的天线辐射阵面、64个片式收发组件、9个1分8功分网络和1个多功能板集成在一起。

文献[15]设计了一个1×4单元的柔性薄膜有源相控阵天线，该天线在柔性聚酰亚胺薄膜的基体上集成了线极化天线、微型T/R组件、功分网络、控制线和供电线。

1.3 星载有源相控阵天线的特点

综合以上国内外研究，星载有源相控阵天线有如下特点。

(1)模块化：在设计上引入模块化思想，使得有源天线单机和阵面能够像积木一样组装和扩展，有助于天线设计标准化和安装互换化，提高了天线的维修性和适应性，降低了天线的成本。

(2)结构功能一体化：模块化虽然实现了有源相控阵天线灵活、快速和可扩充式装配，但是模块化的单机和天线阵面具有重复结构，并不能有效的降低天线质量面密度。结构功能一体化将相同或相似的结构和功能进行融合，天线的结构承载性能、电性能、热控性能以及抗空间环境能力一体化，从而实现天线的轻小型化。

(3)片式集成化：随着高密度集成技术的发展，有源相控阵天线能够将多个平行分布的功能瓦片通过垂直互连技术集成在一起。同时微波电路和数字电路的高度集成化减少了功能瓦片的数量，免去了不同功能瓦片之间的互连。

(4)智能化：随着现代电子科技和制造水平的极大提高，将具有感知、处理和动态调整功能的先进传感器布置在天线阵面上以及系统内部智能化的电子元器件实现天线阵面动态测量，并提供实时补偿，以保证天线阵面的刚性和平面度。

(5)柔性薄膜化：刚性天线已不能满足未来中高轨星载SAR对体积和质量的要求，而柔性薄膜由于其特殊的结构和形态特点可以显著地降低天线的质量和体积。

2 架构设计

国内外对星载SAR有源相控阵天线的集成架构做了大量研究。本文介绍3种典型的架构设计：传统砖块式有源相控阵天线架构设计、一体化有源相控阵天线架构设计和片式有源相控阵天线架构设计。

2.1 传统砖块式有源相控阵天线架构设计

在早期传统的有源相控阵天线中，由于体积、质量和电性能指标的要求不高，通常采用经典的功能模块或者单机的形式进行任务划分、下发和设计加工。一般把这种有源相控阵天线称作砖块式有源相控阵天线，砖块式意味着厚重。这种有源相控阵天线的每个功能模块或者单机是独立的个体，均有各自独立的功能件和结构件。在接口设计中，需要规定功能模块或单机的外形尺寸、机械接口、电接口以及热接口。这种设计的优点是功能模块或者单机独立设计、简单可靠，每个功能模块或者单机之间界面清晰；缺点是每个功能模块或者单机的结构件存在重合部分，功能模块或者单机用紧固件安装在结构板上，功能模块或者单机之间电连接关系复杂。因此造成有源相控阵天线剖面高度较大，质量面密度较大。

图7是某砖块式星载砖块式有源相控阵天线架构设计剖面示意图，该有源相控阵天线采用模块化设计，包含碳纤维框架、有源安装板、波导天线、T/R组件、功分网络、波控与电源等单机和结构件。按传统砖块式布局，T/R组件和功分网络安装在有源安装板的一侧，波控与电源安装在有源安装板另一侧。有源安装板内预埋热管，热管的作用是为有源单机均热、散热，并保证T/R组件的温度一致性。因此有源安装板既是各单机的结构支撑件，同时也是T/R组件、波控与电源的散热通道。波导天线和有源安装板通过碳纤维框架安装在一起，形成一个完整的有源相控阵天线。各单机之间通过低频电缆和高频电缆实现互连。该有源相控阵天线剖面高约174 mm，质量面密度约93 kg/m2。

图7 某砖块式有源相控阵天线架构剖视图

2.2 一体化有源相控阵天线架构设计

从图7中可以看出，波导天线和T/R组件之间采用高频电缆连接。但是由于波导天线和有源安装板之间被碳纤维框架封闭成一个近似不开放的空间，高频电缆安装固定非常困难，操作非常不方便。高频电缆连接要预留足够的安装和操作空间，因此造成有源相控阵天线的剖面高。而且为了保证不同通道的幅相一致性，高频电缆一般采用等长设计，因此造成了高频电缆质量大幅度增加。由于电缆等长和系统布局的影响，高频电缆品种也繁多，给生产、试验和装配造成了诸多不便。为满足卫星发射平台的要求，作为有效载荷的有源相控阵天线进行了部分轻小型化设计，但是受制于砖块式有源相控阵天线的体系架构，轻小型化设计效果有限。为此我们提出了一体化设计的思想，以降低有源相控阵天线剖面高度和质量为目标，将垂直互连技术引入有源相控阵天线设计中，把部分结构和功能进行融合，形成了一体化有源相控阵天线。

图8为某一体化有源相控阵天线架构剖面示意图。该一体化有源相控阵天线同砖块式有源相控阵天线相比，最明显的区别是取消了有源安装板，将有源安装板的结构和功能融合到波导天线中。将T/R组件、功分网络和延时放大组件等单机直接平铺安装在波导天线的背面，用盲配射频连接器垂直互连代替了波导天线和T/R组件之间的高频电缆连接。通过上述设计，有源相控阵天线的剖面高度和质量得到了明显降低和减轻。同时，该设计有助于有源相控阵天线的模块化。该有源相控阵天线剖面高约44 mm，质量面密度约51 kg/m2。

图8 某一体化有源相控阵天线架构剖视图

2.3 片式有源相控阵天线架构设计

虽然一体化有源天线模块相比砖块式有源天线模块降低了剖面高度和质量，但是其余单机之间仍然采用了高频电缆和低频电缆进行连接。高频电缆和低频电缆之间连接关系复杂，电缆走线路径需要专门设计，对于大口径、高密度、轻量化的星载有源天线来说，电缆的质量和密集的电缆走线路径是需要解决的问题。为应对未来新一代的空天飞行器平台对天线体积、质量的更高要求，片式有源相控阵天线是实现大口径、高性能相控阵雷达的优选方案之一。

片式有源相控阵天线相对砖块式而言，将平行于天线阵面的天线组成部分分为若干个轻薄的功能瓦片，采用分层叠加集成组装技术，将多个不同功能的瓦片进行垂直互连[16]。

图9是某片式有源相控阵天线架构剖面示意图，该片式有源相控阵天线以去电缆为设计思路，通过弹性连接器、微型盲配连接器和弹性毛纽扣进行高频和低频信号垂直互连，将片式有源相控阵天线的辐射层、背腔兼结构/热控层、片式T/R组件层和综合馈电网络层高密度集成在一起。相对于传统有源天线，体积和质量都得到了降低和减轻，实现了轻小型化设计。该有源相控阵天线剖面高约31 mm，质量面密度约39 kg/m2。

图9 某片式有源相控阵天线架构剖视图

2.4 3种有源相控阵天线架构的比较和应用

上述3种有源相控阵天线架构是根据不同的总体技术指标设计的，各有其优点和缺点。表1对上述3种有源相控阵天线架构的剖面高度、质量面密度、集成度、成熟度、技术难度、应用前景及研制成本做了一个简单的比较。从表1可以看出，砖块式有源相控阵天线由于存在大量的多余结构和硬件冗余，导致体积和质量研制成本大幅上升[17]，已逐渐不适应发展要求。片式有源相控阵天线由于成熟度低，技术难度高，目前没有广泛应用。但是片式有源相控阵天线可以通过提高系统集成度、简化系统架构、采用数字技术和多功能芯片技术来降低研制成本[18-19]。而一体化有源相控阵天线由于体积质量适中，集成度相比砖块式有源相控阵天线有所提高，技术相对容易实现，成本也相对可控，可以成为星载有源相控阵天线的折衷选择。商业小卫星SAR因市场化的需要，要求研发周期短、成本低、技术难度相对不大，因此一体化有源相控阵天线将成为未来商业小卫星SAR天线非常有竞争力的选择之一。而片式有源相控阵天线可以应用在未来大规模阵面的星载雷达上。

表1 3种有源相控阵天线架构比较

3 架构发展趋势分析

未来布置在中高轨的星载相控阵雷达需要甚大口径的天线来完成相关的地球科学观测任务，天线的口径可能到达400～700 m2，目前传统的有源相控阵天线质量面密度约为8～15 kg/m2[20]。要实现如此大口径的天线，传统的有源相控阵天线在体积、质量和成本上已无法满足要求。星载有源相控阵天线的架构面临着革命性和颠覆性的变化。柔性薄膜有源相控阵天线相对当前刚性板状有源相控阵天线在体积、质量上更具有优势，在技术上更具有先进性和前瞻性。柔性薄膜有源相控阵天线与刚性板状有源相控阵天线相比，最大的不同是天线的安装承载基体由刚性变成了柔性。柔性基体更利于大口径天线阵面的折叠，实现包络轻薄化。

柔性薄膜有源相控阵天线的架构是将辐射阵面、馈电网络和T/R组件集成在柔性薄膜上，而电源、波控等独立于柔性薄膜天线阵面之外。天线阵面的基体是多层覆铜薄膜，天线辐射单元和馈电网络通过印制或者胶粘的方式固定在薄膜上。T/R组件则是在柔性基板上设计电路。T/R组件使用敞开式结构或者半敞开式结构使之与薄膜可以灵活兼容。柔性薄膜有源相控阵天线的架构设计在充分借鉴现有成熟的天线架构基础上，要针对柔性薄膜材料的特点进行相应的适应性改进和创新突破。

4 关键技术

柔性薄膜有源相控阵天线作为一种有源相控阵天线实现的新型方式，在元器件、材料和体系架构等方面与传统形式的有源相控阵天线有很大区别，需要集成化、一体化的新型设计技术。需要在柔性薄膜辐射阵面、轻小型柔性T/R组件、一体化柔性综合馈电网络、热控设计和柔性薄膜天线阵面自动测量与调整等多个方面进行技术攻关和深入研究，解决大型柔性薄膜有源相控阵天线的设计、制造及测试问题。

1)柔性薄膜天线辐射阵面技术

在柔性薄膜上生产天线辐射阵面将面临着以往在刚性基体上完全不同的挑战。在保证电性能的前提下，柔性薄膜天线辐射阵面要解决天线辐射阵面和柔性薄膜一体化适应性问题，从设计仿真、材料选择、试验分析、生产工艺和测试等方面进行工程可实现性研究。

2)轻小型柔性T/R组件技术

轻小型柔性T/R组件技术是在传统砖块式T/R组件和新型片式T/R组件的基础上，在多层柔性薄膜基板上开展有源收发系统集成技术。该技术需要解决基于柔性非平面的高密度和高效率微波电路系统、多芯片模块的互连、元器件在柔性基板上的安装固定以及敞开式或半敞开式环境下信号稳定等问题。

3)一体化柔性综合馈电网络技术

一体化柔性综合馈电网络面临的技术难题与柔性天线辐射阵面和柔性T/R组件相似，有区别的是一体化柔性综合馈电网络不仅仅是微波电路，还涉及到数字信号甚至是电源的一体化设计。

4)热控设计技术

柔性薄膜有源相控阵天线系统架构与传统刚性的有源相控阵天线架构差别很大，其热控设计必然是一个全新的挑战。如何基于柔性薄膜构建高效热控网络，保证天线各部分正常工作，是亟需解决的问题。具体情况要考虑热耗大小及分布、环境工况以及工程可实现性等，综合系统的一体化集成进行设计。

5)柔性薄膜天线阵面自动测量与调整技术

柔性薄膜天线由于自身固有频率不高，并且展开面积大，自身质量和外界微小扰动会导致天线阵面平面度发生变化。为防止天线阵面平面度恶化，将具有三维感知能力和动态调整功能的先进传感器布置在天线阵面上以实现天线阵面平面度自动动态测量，并提供实时补偿，以保证天线阵面的刚性和平面度。

5 结束语

传统有源相控阵天线由于质量和体积的限制逐渐无法适应发射平台对载荷轻小型化的要求，为此国内外从系统集成度和架构体系进行了大量研究。本文提出了星载有源相控阵天线的3种架构形式，并分析了星载有源相控阵天线的发展趋势。随着技术的发展，可以预料的是柔性薄膜化也不应是星载有源相控阵天线发展的唯一架构和发展路径。未来星载合成孔径雷达对地球观测覆盖率的提高和重访时间的缩短，需要更高性能和极大口径的有源相控阵天线，而最大的挑战也许是天线口径的极大化和天线质量的极小化。值得一提的是，随着天线口径不断增加，电性能指标不断提高的情况下，要实现超大规模星载有源相控阵天线的研制，需要对天线体积、质量、成本和性能进行全方位的均衡。只有对天线体系架构进行不断创新和突破，对关键技术进行攻关，才能最终实现大口径、轻质量和高性能的星载有源相控阵天线设计。