雷達(dá)陣面系統(tǒng)小型化研究

雷達(dá)陣面系統(tǒng)小型化研究

李迎林何丙發(fā)張德斌

(天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210039)

摘要雷達(dá)陣面系統(tǒng)的小型化研究在機(jī)載、彈載、星載等雷達(dá)領(lǐng)域有重要應(yīng)用價值. 文中從三方面提出了小型化設(shè)計(jì)思路:1)多功能線陣設(shè)計(jì). 從系統(tǒng)的角度優(yōu)化天饋線形式,通過一種新型耦合器的設(shè)計(jì),將天線與饋線多功能、一體化設(shè)計(jì),使輻射線陣不僅具備監(jiān)測功能,同時結(jié)構(gòu)比常規(guī)線陣縮小25%;2)三維微波-數(shù)字混合電路設(shè)計(jì), 通過對三維垂直互聯(lián)機(jī)構(gòu)的建模分析,提高三維微波電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,同時從電路布局、屏蔽、端接匹配電路等方面提出了三維微波-數(shù)字混合電路設(shè)計(jì)規(guī)則;3)微波-數(shù)字協(xié)同仿真. 通過三維微波-數(shù)字電路的仿真,解決了Ku波段三維微波電路易諧振,性能不佳的問題和復(fù)雜信號傳輸易串?dāng)_、數(shù)字信號傳輸信號完整特性欠佳的問題. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述措施的有效性,一定程度上實(shí)現(xiàn)了陣面電訊、結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)整體資源的優(yōu)化配置,使雷達(dá)陣面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高集成、小型化設(shè)計(jì).

關(guān)鍵詞相控陣?yán)走_(dá);三維微波電路;數(shù)字電路;電磁干擾;SI;陣面集成

中圖分類號TN958.92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1005-0388(2015)04-0797-06

AbstractAntenna arrays are the core hardware of phased array radars. In this paper, the integration technology of phased arrays is discussed from three aspects. Firstly, antennas and feedline are designed and optimized from the system perspective. By using a new coupler, the size of the antenna array is reduced by 25%, and the performance of the array is improved. Secondly, the design technology of three-dimensional microwave and digital hybrid circuit is adopted. The three-dimensional microwave circuit is designed through the analysis on via-hole. The digital circuit used to control wave-beam is designed taking into account the layout, shield, matching circuit and so on. Thirdly, by applying the co-simulation techniques for RF and digital signals, the resonance in Ku-band is restrained, the reflection is reduced, and the performance of the digital circuit is improved. An example is given to validate the design method. The optimal allocation of array telecommunication, array structure and system resources is realized. The integration and miniaturization of the antenna array are achieved.

收稿日期：2014-09-19

作者簡介

Study on the integration technology of phased arrays

LI YinglinHE BingfaZHANG Debin

(ScienceandTechnologyonAntennaandMicrowaveLaboratory,NanjingJiangsu210039,China)

Key words phased array radar; three-dimensional microwave circuit; digital circuit; EMI; SI; integration on antenna arrays

聯(lián)系人： 李迎林 E-mail:liyinglin666@sina.com

引言

雷達(dá)陣面是相控陣?yán)走_(dá)硬件的核心,通常包含天線單元、T/R 組件、饋線系統(tǒng)、波控單元、電源系統(tǒng)等模塊[1]．各個模塊結(jié)構(gòu)上自成一體,各自分立,通過電纜和連接器等互聯(lián)器件實(shí)現(xiàn)電氣上的連通,其特點(diǎn)是陣面臃腫繁雜,可靠性低,不便于維修維護(hù)．隨著軍事需求的提高和電路設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的進(jìn)步,雷達(dá)陣面正朝著高集成、小型化、高可靠的趨勢發(fā)展,傳統(tǒng)的天線、饋線、T/R 組件、波控控制走線、電源走線等模塊分立設(shè)計(jì)顯然難以滿足需求[2-3]．如何最大限度實(shí)現(xiàn)雷達(dá)陣面系統(tǒng)小型化集成設(shè)計(jì),規(guī)避復(fù)雜的信號接口,用最少的互聯(lián)器件,占用最小的物理空間實(shí)現(xiàn)多種模塊不同信號的高質(zhì)量傳輸是現(xiàn)代雷達(dá)陣面技術(shù)研究的難點(diǎn)．目前國內(nèi)外學(xué)者對雷達(dá)陣面的學(xué)術(shù)研究多集中在純粹的天線單元最優(yōu)化設(shè)計(jì)、天線陣列方向圖算法研究、新穎的饋線方式以及有源微波電路系統(tǒng)等方面[4-6],已知國外對雷達(dá)陣面集成設(shè)計(jì)的研究以類似智能蒙皮技術(shù)多見[7],其將天線、饋線、TR組件等集成設(shè)計(jì),具有輕薄、小型化、多功能等特點(diǎn),內(nèi)部詳細(xì)設(shè)計(jì)很難得知,涉及到微電子封裝和印制電路加工,板材制造工藝等,國內(nèi)尚無公開報(bào)道．因此對雷達(dá)陣面小型化集成設(shè)計(jì)研究具有學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用雙重意義．

基于上述研究背景,文中從多功能線陣設(shè)計(jì)、三維微波-數(shù)字電路設(shè)計(jì)、微波-數(shù)字電路協(xié)同仿真出發(fā),探討了相控陣?yán)走_(dá)陣面系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)方法,并設(shè)計(jì)了一種高集成、小型化Ku波段雷達(dá)陣面,該陣面有三個特點(diǎn):

1) 從系統(tǒng)角度選擇饋線形式,并采用新型孔耦合定向耦合器,實(shí)現(xiàn)線陣多功能、一體化設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)尺寸比常規(guī)設(shè)計(jì)縮小25%,電性能優(yōu)良．

2) 用于饋線、T/R組件、波控驅(qū)動、電源之間互聯(lián)的高低頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)．集成后的綜合網(wǎng)絡(luò)不僅具備Ku波段射頻信號的分配功能,還具備多種供電分配和多路波控信號傳輸分配功能. 同時還可作為有源子陣樞紐,結(jié)構(gòu)上為T/R的導(dǎo)向、安裝、固定和盲插實(shí)現(xiàn)提供了平臺,實(shí)現(xiàn)陣面模塊間無引線互聯(lián)．

3) 通過協(xié)同仿真優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)射頻信號傳輸各端口帶內(nèi)平坦度及一致性優(yōu)良;數(shù)字信號傳輸波形上升沿及下降沿光滑陡峭,振鈴及下沖現(xiàn)象得到明顯改善,SI特性良好．

1多功能線陣?yán)碚摲治?/p>

天線和饋線是陣面的重要組成部分,能量通過饋線系統(tǒng)按照既定的幅度相位傳遞給天線系統(tǒng),進(jìn)而向空間輻射形成需要的方形圖.正因?yàn)樘炀€與饋線存在天然的聯(lián)系,天線與饋線一體化設(shè)計(jì)要突破結(jié)構(gòu)上的拼接,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和電訊二者有機(jī)統(tǒng)一.多功能線陣是將天饋線一體化設(shè)計(jì),具備天線輻射和饋線監(jiān)測功能. 天線形式采用滿足寬帶寬角掃描需求的漸變槽線天線(Tapered Slot Antenna,TSA),天線陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示,共MN個天線單元,單元間距為d. 陣列劃分為N個子陣,每個子陣包含M個天線單元, 則陣列方向圖為

(1)

圖1　陣列結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　兩種不同形式的輻射監(jiān)測線陣

饋線包含功率分配、合成網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò).圖2給出兩種形式的輻射與監(jiān)測線陣形式. 兩種形式都采用多層印制電路實(shí)現(xiàn)天線與饋線的集成設(shè)計(jì),但圖2(上)比圖2(下)體積縮小25%,這種差異主要在于饋線形式的優(yōu)化. 圖2(下)采用帶隔離的功率合成器和常規(guī)的窄邊耦合器,圖2(上)采用非隔離合成網(wǎng)絡(luò)和孔耦合定向耦合器. 圖3~5為孔耦合定向耦合器仿真模型. 通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度和孔徑形狀、大小,可明顯改善端口駐波、耦合度及定向性. 圖6、7顯示孔徑和角度相關(guān)參數(shù)對駐波和耦合度性能的影響.

圖3　孔耦合定向耦合器(夾角67°)

圖4　孔耦合定向耦合器(夾角45°)

圖5　孔耦合定向耦合器(夾角16°)

圖6　孔徑和角度對駐波的影響曲線

圖7　孔徑和角度對耦合度的影響曲線

2三維微波-數(shù)字電路設(shè)計(jì)

三維微波-數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)、波束控制網(wǎng)絡(luò)、電源分配網(wǎng)絡(luò)的集成設(shè)計(jì).該綜合網(wǎng)絡(luò)電性上具備微波信號合成、分配功能,用于波束控制的數(shù)字信號傳輸分配功能以及電源分配功能,結(jié)構(gòu)上可實(shí)現(xiàn)多種接口互聯(lián)的浮動盲插,節(jié)省大量互聯(lián)電纜和連接器,達(dá)到陣面小型化與高集成的目的.平面微波電路向三維微波電路擴(kuò)展的關(guān)鍵在垂直過度機(jī)構(gòu).如圖8顯示為一多層垂直互聯(lián)模型,中間為數(shù)字走線層,上下為微帶電路層.圖9為仿真結(jié)果,顯示各層過孔參數(shù)對垂直過渡傳輸性能的影響.其中,r1為連接上下帶線的垂直通孔半徑,即圖中深色金屬柱,r2為該垂直通孔穿過中間電源層時的隔離孔半徑,在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨機(jī)確定隔離孔半徑(保證r2>r1)會對垂直過度傳輸特性產(chǎn)生較大影響,仿真結(jié)果驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的正確性.

圖8　垂直互聯(lián)模型

圖9　不同孔徑駐波曲線

微波、數(shù)字電路集成設(shè)計(jì)中,還應(yīng)考慮微波信號、數(shù)字信號、直流信號之間的電磁兼容設(shè)計(jì)[9]. 微波信號頻段高,垂直互聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)盡可能少地跨越電路層,一方面可提高垂直過度的性能,另一方面可減少不同信號之間的干擾,因此可將微波電路放置在上下表面,同時射頻地也能對整個電路起到一定的屏蔽作用,使整個電路少受外界因素干擾. 數(shù)字信號用于波控對T/R組件的控制,數(shù)字信號傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到陣面波束的形成質(zhì)量,因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)控制好走線長度和寬度,避免傳輸阻抗失配嚴(yán)重而致反射增大,根據(jù)信號上升時間和窄線條上信號的時延,選擇相應(yīng)介電常數(shù)和厚度的板材. 電源層和信號層應(yīng)做合理分隔,對于時鐘、數(shù)據(jù)等重要信號,做必要的屏蔽處理.

3微波-數(shù)字協(xié)同仿真

微波-數(shù)字協(xié)同仿真技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字信號傳輸網(wǎng)絡(luò)一體化建模仿真,對多種信號傳輸中的EMI和SI特性進(jìn)行評估,進(jìn)而根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì). 可利用CST軟件中的PCB-studio為平臺[8],直接將用于制板的光繪文件導(dǎo)入生成仿真模型,該模型與實(shí)物高度相似,設(shè)置相關(guān)參數(shù),模擬出微波電路、數(shù)字電路、電源網(wǎng)絡(luò)同時工作的物理場景. 電路的EMI特性,如圖10所示,三維情況尤其是微波、數(shù)字、直流電源信號同時工作時,射頻端口在某些頻點(diǎn)易出現(xiàn)諧振現(xiàn)象,通過優(yōu)化金屬化通孔的疏密分布、大小、微帶線的寬度、數(shù)字信號走線方向、電源層隔離盤大小等,可使諧振現(xiàn)象得到改善. 網(wǎng)絡(luò)的SI仿真參數(shù)設(shè)置如下:電壓5 V、上升沿及下降沿時間為10 ns、脈寬50 ns、周期100 ns. 對信號源端進(jìn)行電容濾波處理,終端采用阻抗匹配的振鈴抑制方法,串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò),優(yōu)化計(jì)算得到源端并聯(lián)端接電容取100 pF,末端RC端接分別為50 Ω、50 pF.經(jīng)過上述處理,抑制了信號傳輸過程中明顯的上沖或下沖現(xiàn)象．

圖10　仿真結(jié)果

4試驗(yàn)結(jié)果分析

按照文中闡述方法,設(shè)計(jì)了一種適用于機(jī)載平臺的Ku波段小型化雷達(dá)陣面系統(tǒng),陣面有多條輻射與監(jiān)測線陣組成,部分陣面見圖11(左). 陣面背面則集成了微波、波控、電源等多種信號傳輸網(wǎng)絡(luò),該綜合網(wǎng)絡(luò)直接與線陣實(shí)現(xiàn)盲插,省掉了大量互聯(lián)器件,部分陣面見圖11(右).

圖11　小型化陣面(部分)

表1為線陣頻帶內(nèi)典型頻率點(diǎn)測試結(jié)果,駐波在1.3以下、耦合度(含一比四功率分配器)理論值-31 dB,起伏±0.8 dB、相位一致性優(yōu)于±3°,指標(biāo)優(yōu)良. 數(shù)字信號部分,用示波器觀測敏感信號CP、CLK、DATA等,信號傳輸波形無明顯過沖和震蕩現(xiàn)象,信號完整性好．

表1　測試結(jié)果

5結(jié)論

陣面作為相控陣?yán)走_(dá)硬件的核心,涉及到的單機(jī)和模塊眾多,陣面系統(tǒng)小型化技術(shù)一方面應(yīng)從雷達(dá)系統(tǒng)的角度分析研究,另一方面也有待各單機(jī)模塊本身技術(shù)的提升. 本文從多功能線陣設(shè)計(jì)技術(shù)、三維微波-數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)、微波-數(shù)字協(xié)同仿真技術(shù)三個方面出發(fā),探討了當(dāng)前階段其在相控陣?yán)走_(dá)陣面系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,并給出設(shè)計(jì)實(shí)例. 結(jié)果證明上述方法在陣面系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)中的有效性,一定程度上實(shí)現(xiàn)了陣面電訊、結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)整體資源的優(yōu)化配置,使雷達(dá)陣面實(shí)現(xiàn)高集成和小型化.

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李迎林(1984-),男,河南人，工程師,從事雷達(dá)陣面信號傳輸及天饋線研究,負(fù)責(zé)或參與多種型號星載、彈載、機(jī)載雷達(dá)研究,在核心期刊發(fā)表論文十余篇．

何丙發(fā)(1963-),男,湖北人，研究員,中國電子學(xué)會高級會員,IEEE會員．中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所天線室主任,天線與微波技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員．長期從事相控陣?yán)走_(dá)陣面系統(tǒng)研究,在雷達(dá)天饋線系統(tǒng)研究方面有較深造詣,主持或參與多種重點(diǎn)型號雷達(dá)陣面研制,如新一代機(jī)載火控雷達(dá),毫米波雷達(dá)等．獲國防科技一等獎,二等獎各一次,集團(tuán)公司科技進(jìn)步一等獎一次,核心期刊發(fā)表論文60余篇．

張德斌(1957-),男,研究員,中國電子學(xué)會高級會員,享受國務(wù)院政府特殊津貼．曾任十四所饋線室主任,天線與微波技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員,全國印制電路標(biāo)準(zhǔn)化委員會副主任委員．長期從事相控陣?yán)走_(dá)有源及無源微波電路系統(tǒng)研究,主持多項(xiàng)國防重點(diǎn)型號雷達(dá)饋線系統(tǒng)設(shè)計(jì),如某大型預(yù)警機(jī)雷達(dá)T/R組件技術(shù)攻關(guān)．發(fā)表論文20余篇．

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