高分三號衛(wèi)星C頻段多極化有源相控陣天線系統(tǒng)設(shè)計

任波 趙良波 朱富國

(1中國電子科技集團公司第十四研究所,南京 210039)

(2天線與微波國防科技重點實驗室,南京 210039)(3北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

高分三號衛(wèi)星C頻段多極化有源相控陣天線系統(tǒng)設(shè)計

任波1,2趙良波3朱富國1,2

(1中國電子科技集團公司第十四研究所,南京 210039)

(2天線與微波國防科技重點實驗室,南京 210039)(3北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

高分三號(GF-3)衛(wèi)星SAR載荷天線是中國首副成功在軌應(yīng)用的C頻段多極化天線,其采用有源相控陣體制,多極化共孔徑設(shè)計,波束控制靈活,能夠?qū)崿F(xiàn)12種常規(guī)工作模式及多種擴展模式。GF-3衛(wèi)星C頻段多極化有源相控陣天線(簡稱SAR天線)質(zhì)量占到衛(wèi)星總質(zhì)量的46%,工作時最大功耗占衛(wèi)星能源功耗的60%以上,而其發(fā)射功率、帶寬特性、方向圖等都對成像性能有著至關(guān)重要的影響。文章針對GF-3衛(wèi)星SAR天線C頻段、多極化、大帶寬、高功耗、高精度、大尺寸、輕量化等特點,介紹了天線系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容及主要性能結(jié)果,可為中國后續(xù)SAR衛(wèi)星有源相控陣天線的研制提供參考。

高分三號衛(wèi)星;合成孔徑雷達;有源相控陣天線;C頻段;多極化

1 引言

與光學(xué)成像系統(tǒng)相比,星載合成孔徑雷達(SAR)由于其不受天氣、氣候的影響,能全天時、全天候?qū)Φ赜^測,已經(jīng)成為空間對地觀測的重要手段[1-2]。目前,星載SAR已經(jīng)在民用和軍用方面獲得廣泛應(yīng)用。民用上主要應(yīng)用于測繪、氣象、災(zāi)害監(jiān)測與環(huán)境保護、國土資源勘查等;軍事上主要用于軍事目標偵察和監(jiān)視。隨著需求的牽引,其正朝著高分辨率、大幅寬、多極化、多頻段和多模式的方向發(fā)展[3-4]。

天線是星載SAR中重要的子系統(tǒng)之一,隨著SAR技術(shù)的發(fā)展,天線技術(shù)也取得了重要突破。目前,星載SAR天線主要包括有源相控陣和反射面兩種體制。與反射面天線相比,有源相控陣天線具有天線波束形狀捷變、跟蹤波束快速掃描、空域濾波和空間定向、空間功率合成、多通道接收和可靠性高等優(yōu)點[5]。因此,作為我國第一顆高分辨率多極化SAR衛(wèi)星,高分三號(GF-3)衛(wèi)星采用二維寬帶多極化有源相控陣天線。電性能上,天線的設(shè)計主要包括射頻、電源和控制部分,而射頻上主要涉及輻射單元、收發(fā)組件(T/R)、延時線和功分網(wǎng)絡(luò)等。由于空間環(huán)境的特殊性,除電性能外,系統(tǒng)還需滿足體積、質(zhì)量和環(huán)境適應(yīng)性等多個方面的要求。本文主要介紹GF-3衛(wèi)星有源相控陣天線的功能、組成、設(shè)計及主要性能。

2 天線系統(tǒng)設(shè)計

本節(jié)介紹天線系統(tǒng)的主要功能、組成以及各部分的工作原理和主要指標。

2．1 工作原理

GF-3衛(wèi)星SAR天線工作于C頻段,具有多極化、多工作模式能力,采用可展開平面二維掃描固態(tài)有源相控陣天線體制。發(fā)射模式下,發(fā)射鏈路完成輸入線性調(diào)頻信號的功率放大,向指定空域輻射水平極化或垂直極化電磁能量;接收模式下,天線陣面接收水平極化或垂直極化回波信號,也可同時接收雙極化回波信號,并經(jīng)過低噪聲放大鏈路后送至中央電子設(shè)備。為實現(xiàn)天線的性能監(jiān)測、故障檢測和隔離,天線具有獨立定標網(wǎng)絡(luò),在中央電子設(shè)備的控制下,可完成收發(fā)鏈路的標定。SAR天線接收監(jiān)控定時器的控制指令,按照指令要求實現(xiàn)二維波束掃描、波束展寬、極化切換等功能。

2．2 陣面劃分

天線陣面分為4塊可展開面板,其中面板a、面板b組成天線陣面－X翼,面板c、面板d組成天線陣面＋X翼,其關(guān)系如圖1所示,每個面板包含6個相同的模塊。單個模塊由波導(dǎo)縫隙天線、四通道T/R組件、延時線、波束控制單元、射頻收發(fā)及定標饋電網(wǎng)絡(luò)、二次電源、高低頻電纜、有源安裝板和熱控等部分組成。圖2為GF-3天線展開示意圖。

2．3 輻射單元

常見的SAR天線輻射單元主要有微帶天線和波導(dǎo)縫隙天線兩種形式,各有優(yōu)缺點。微帶天線具有剖面低、質(zhì)量輕、便于與器件集成的優(yōu)點,但其輻射效率和抗燒毀功率較低。與微帶天線相比,波導(dǎo)縫隙天線的輻射效率較高。綜合考慮效率、輕薄化和空間環(huán)境適應(yīng)性,采用了波導(dǎo)縫隙天線。因此,寬帶、雙極化和輕薄化是其設(shè)計的難點。

采用16單元雙極化波導(dǎo)縫隙子陣一體化設(shè)計,由窄邊直縫水平極化波導(dǎo)縫隙天線和共線寬邊縫垂直極化波導(dǎo)縫隙天線排列組成,使兩種極化天線實現(xiàn)獨立饋電,物理隔離,有效減小了兩種天線之間的互耦,提高了天線的端口隔離度,進而降低天線的交叉極化電平。波導(dǎo)縫隙天線的示意見圖3。水平極化波導(dǎo)縫隙天線采用窄邊開直縫形式,有效抑制了交叉極化。為了實現(xiàn)寬帶工作,在波導(dǎo)的一邊增加了功分器。為降低整個天線的剖面高度,輻射波導(dǎo)和饋電波導(dǎo)采用加脊設(shè)計,最大限度壓縮了整個波導(dǎo)縫隙天線的高度。垂直極化波導(dǎo)縫隙天線,采用新型的脊波導(dǎo)寬邊開共線縫隙結(jié)構(gòu),使得所有邊縫隙共線排列,改善了垂直極化波導(dǎo)天線的掃描性能,同時降低了兩種極化的互耦效應(yīng),有效提高了極化端口隔離度。

雙極化波導(dǎo)縫隙天線的主要性能如圖4～圖6所示,水平極化(H)和垂直極化(V)在工作帶寬內(nèi)的駐波均小于1．5,且端口隔離度(|S12|)大于65 dB,除此之外,雙極化波導(dǎo)縫隙天線在中心頻點處,波束掃描范圍內(nèi)的交叉極化電平小于－55 dB。

2．4 T/R組件

T/R組件是有源相控陣天線的核心器件,提高T/R組件的效率,將提高星上能源利用率,降低對載荷對平臺供電能力要求和降低對天線熱控指標的最有效的途徑。GF-3衛(wèi)星中C頻段T/R組件采用四通道模塊化設(shè)計,每個T/R通道由發(fā)射和接收通道構(gòu)成,由收發(fā)開關(guān)、移相器、衰減器、定向耦合器、電源調(diào)制器及控制驅(qū)動電路等組成。其單通道工作原理如圖7所示,發(fā)射期間完成發(fā)射信號的高功率放大,接收期間完成接收信號的低噪聲放大,在T/R信號控制下完成收發(fā)轉(zhuǎn)換。每個T/R組件的天線端口設(shè)置定標定向耦合器,發(fā)射期間耦合輸出發(fā)射定標信號,接收期間將定標信號耦合輸入到T/R組件接收通道,四路定標信號通過功分器進行組合。單通道發(fā)射鏈路峰值輸出功率為20 W,最大占空比為20%,接收鏈路噪聲系數(shù)小于2．8 dB。

2．5 延時線

由于SAR系統(tǒng)工作在寬帶模式,波束掃描時,延時線用于補償孔徑渡越時間,可以降低孔徑效應(yīng)引起的波束色散。同時通過延時線中的功率放大模塊對延遲線和網(wǎng)絡(luò)的損耗進行補償,可以在發(fā)射鏈路中減小總激勵功放的輸出電平;在接收支路中提高系統(tǒng)總增益,改善系統(tǒng)噪聲系數(shù)。延時線為單通道集成設(shè)計,由一個四位延時線、一個高功率發(fā)射放大器(High Power Amplifier,HPA)、一個低噪聲接收放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、一個收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)以及配套電源及控制電路組成,其組成如圖8所示。接收鏈路的非線性相位誤差是延時線的關(guān)鍵指標之一,如圖9所示,本項目中的延時線非線性相位誤差小于3°。

2．6 功分網(wǎng)絡(luò)

考慮到C頻段功分網(wǎng)絡(luò),在能實現(xiàn)寬帶電性能指標要求的前提下,電路的設(shè)計主要采用一級阻抗變換的Wilkinson功分器形式,通過級聯(lián)可以得到需要的任意端口的多路功分器。圖10給出了定標網(wǎng)絡(luò)所采用的1∶16功分器三維示意圖。如圖11所示,各端口駐波小于1．4,插入損耗小于0．7 dB,端口插入損耗一致性優(yōu)于±0．2 dB,插入相位一致性小于±1°。

2．7 二次電源

天線系統(tǒng)所需的電壓品種為＋8 V和±5 V,從技術(shù)的繼承性、成熟性,電路的穩(wěn)定性和復(fù)雜程度,主電路功率管及相關(guān)器件承受的電應(yīng)力,輸出功率大小、可靠性、效率、體積、質(zhì)量等因素綜合考慮,＋8 V輸出采用了全橋＋同步整流功率拓撲,＋5 V輸出采用了單管正激＋同步整流功率拓撲,－5 V輸出采用了單管正激＋二極管整流功率拓撲。同時,每一路均采用電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的閉環(huán)控制方式,可以保證每一路輸出的電壓精度、穩(wěn)定度及動態(tài)特性滿足要求。其三維示意如圖12所示,電源的電壓轉(zhuǎn)換效率大于82%。

2．8 波束控制

波束控制主要由波束控制器和波束控制單元來實現(xiàn),其三維示意見圖13。波束控制器的功能主要是:接收雷達控制計算機輸入的控制數(shù)據(jù)和指令;完成全陣T/R組件和延遲放大組件的移相碼、幅度碼及延遲碼產(chǎn)生并驅(qū)動傳輸;完成陣面檢測信息的采集和量化,并傳送給雷達監(jiān)控機以及完成波位代碼存儲。波束控制單元的功能,主要是根據(jù)雷達波束控制器的控制及其自檢要求,完成相控陣天線陣面波束控制信號的分發(fā),同時完成電源、組件自檢信息的采集及溫度檢測信息的量化,打包后回傳給波束控制器。

3 方向圖性能

對于有源相控陣天線而言,除了收發(fā)鏈路、效率、功耗等指標外,方向圖是衡量有源相控陣天線的重要指標之一,例如,波束掃描范圍、波束指向精度、波束寬度精度、副瓣電平等等。同時,寬帶相控陣天線的設(shè)計需要考慮帶內(nèi)色散的影響。以下簡要介紹GF-3衛(wèi)星有源相控陣天線方向圖的主要性能指標。

3．1 寬帶掃描性能

綜合考慮天線整體性能、系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本等多方面因素,GF-3衛(wèi)星天線系統(tǒng)在子陣級接入以固定參考周期為步進的實時延時線,并采用基于隨機延時分布的子陣延時量化位態(tài)優(yōu)化方法[6],使得天線波束色散性能得到了較大改善。圖14[6]比較了三種方案的延時優(yōu)化方法,方案1和2分別為傳統(tǒng)的優(yōu)化方法(向下取整法和四舍五入法),方案3即項目中所采取的隨機優(yōu)化法。圖14中結(jié)果表明,采用此方法后,在0°～20°掃描范圍內(nèi),天線的帶內(nèi)波束指向誤差小于1%。

3．2 高精度掃描性能

需要準確獲取特定波束形狀,核心即快速實現(xiàn)對陣列天線通道幅相的高精度優(yōu)化和配置調(diào)整。GF-3衛(wèi)星研制過程中,采用了基于全位態(tài)遍歷與快速優(yōu)化算法相結(jié)合的高精度建模仿真方法[7]。該方法利用天線定標網(wǎng)絡(luò),準確錄取天線各收發(fā)通道衰減和移相位態(tài)特性作為相控陣路級先驗數(shù)據(jù),通過近場測試陣元輻射方向圖特性作為場級先驗數(shù)據(jù),同時結(jié)合差分進化算法及方向圖快速計算方法,建立高精度仿真評價模型。根據(jù)波位需求計算最佳幅相控制位態(tài),從而實現(xiàn)對大型相控陣天線的方向圖性能快速評估和準確預(yù)測,大幅度提高天線性能重構(gòu)的靈活性和準確性。

圖15[7]分別示意了法向、掃描20°及波束展寬3種典型工況下的對比結(jié)果,從模型預(yù)測與近場實測方向圖結(jié)果統(tǒng)計來看,兩者具有很高的一致性,特別在波束主能量區(qū)域兩者非常吻合。由于建模誤差的存在,真實測試近場分布相對于模型預(yù)測近場分布而言,還存在小量的幅相誤差,在遠區(qū)場值較小處兩者方向圖有一定的差異。

表1列出了7種典型波束的模型預(yù)測及實測統(tǒng)計結(jié)果[7],可見兩者相對波束寬度而言指向誤差低于1%,波束寬度誤差低于2%,副瓣電平在不進行低副瓣加權(quán)時誤差不超過0．6 d B,加權(quán)到－20 d B后副瓣誤差不超過2 dB,模型預(yù)測與實測數(shù)據(jù)之間具有很高的吻合度,同時也表明了所采用高精度模型的準確性。

表1 典型波位預(yù)測/實測特性對比Table 1 Comparison of predication and measurement for various typical patterns

4 結(jié)束語

天線是星載合成孔徑雷達的重要子系統(tǒng)之一,其性能決定了成像雷達的優(yōu)劣。本文主要對GF-3衛(wèi)星SAR天線的組成、系統(tǒng)設(shè)計和主要性能做了介紹。該C頻段雙極化天線采用可展開平面二維掃描固態(tài)有源相控陣天線體制,共口徑設(shè)計,具有端口隔離度大、交叉極化電平低、帶內(nèi)幅相一致性好、波束指向精度高、寬帶波束指向色散誤差小的特點,性能滿足SAR系統(tǒng)指標要求。

References)

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Design of C-band Multi-polarized Active Phased Array Antenna System for GF-3 Satellite

REN Bo1,2ZHAO Liangbo3ZHU Fuguo1,2
(1 The 14thResearch Institute,CETC,Nanjing 210039,China)
(2 Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory,Nanjing 210039,China)
(3 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

The antenna system of the synthetic aperture radar(SAR)imaging satellite(GF-3)is the first Chinese C-band multi-polarized phased array antenna which is operating on-orbit successfully．The antenna features characteristics of co-aperture design,multi-polarization,flexibility of beam control,and can achieve twelve general working modes and several extensional modes．As a key equipment of the SAR system,the weight and peak power consumption of the whole system account for more than 46%and 60%of the satellite,respectively．Moreover,the performances of its emitting power,wideband bandwidth and radiation patterns play an important role on the imaging performance．The paper presents the design and main performances of the SAR antenna system for GF-3 satellite to demonstrate its features of C-band,multi-polarization,broad bandwidth,large power consumption,high-precision scanning,large aperture folding and lowweight,which will provide useful guidelines on the design of phased array antenna for Chinese space-borne SAR in the future．

GF-3 satellite;SAR;active phased array;C-band;multi-polarization

2017-10-23;

2017-11-16

國家重大科技專項工程

任波,男,高級工程師,從事超寬帶天線設(shè)計、固態(tài)有源相控陣天線設(shè)計、空饋相控陣天線設(shè)計。Email:youkoa＠163．com。

TN958

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.011

(編輯:李多)