電子吊艙中繼平臺陣列天線設計

井浩宇，汪 洋

(中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

隨著電子干擾吊艙在訓練裝備中越來越廣泛的應用，可通過在電子干擾吊艙內(nèi)安裝遙測遙控系統(tǒng)實現(xiàn)對低空大射程目標的實時測控。文獻[1]介紹了電子吊艙在試驗中的應用特點及需要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)，包括吊艙內(nèi)設備小型化技術(shù)、頻率收發(fā)干擾和隔離技術(shù)以及設備的寬范圍工作技術(shù)等，但是文獻[1]并沒有對設備小型化和頻率收發(fā)隔離方法做進一步闡述。文獻[2]對飛行測試吊艙遙測遙控系統(tǒng)進行了介紹，但其方案中并沒有采用陣列天線，而且傳輸數(shù)據(jù)速率也較低，與本系統(tǒng)要求的技術(shù)指標差別較大。本系統(tǒng)吊艙采用外掛吊艙形式，吊艙內(nèi)部安裝遙測遙控系統(tǒng)，其中的遙測遙控系統(tǒng)主要包含陣列天線、收發(fā)組件、饋電網(wǎng)絡、波束控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)發(fā)器和電源等設備，由于電子吊艙有效結(jié)構(gòu)尺寸非常有限，嚴重制約了遙測遙控系統(tǒng)的總體指標的設計。通過在吊艙安裝前后視渡越陣列跟蹤天線，保證了天線波束對吊艙頭部和尾部的無縫覆蓋；通過采用收發(fā)全雙工兩維電掃陣列天線，較好地解決了天線波束的跟蹤、掃描和波束覆蓋問題；通過采用天線與射頻信道一體化設計技術(shù)，減輕了設備重量。通過采用以上措施，較好地解決了陣列天線增益、波束覆蓋、重量體積與吊艙空間受限的矛盾，提高了對低空大射程目標實時測控的連續(xù)性、有效性和可靠性。

1 總體設計

在電子吊艙內(nèi)部安裝遙測遙控系統(tǒng)，除了對設備的體積、重量和功耗有特殊要求之外，還需要解決的關(guān)鍵問題是陣列天線增益和天線的覆蓋范圍。

1.1 天線波束覆蓋范圍設計

在不穩(wěn)定平臺上，如何既能保證天線覆蓋范圍，又能實現(xiàn)天線波束的穩(wěn)定跟蹤，文獻[3-7]分別從抗搖擺、角度補償和伺服控制等方面進行了論述，但是存在體積和重量大的問題，不太適合于吊艙安裝。本系統(tǒng)電子吊艙艙體前后兩端采用了透波材料設計，而艙體則是屏蔽體，為了保證天線波束能夠?qū)Φ跖摰撞咳采w，采用了前后視渡越陣列跟蹤天線和收發(fā)全雙工兩維電掃陣列天線相結(jié)合技術(shù)。

在電子吊艙頭部、尾部分別安裝前視、后視天線，技術(shù)指標要求相同。天線形式為S/L雙工相控陣天線、S頻段接收采用右旋圓極化和L頻段發(fā)射采用左旋圓極化。電子吊艙天線系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 天線系統(tǒng)工作原理

電子吊艙天線系統(tǒng)采用二維電掃相控陣天線，為了滿足系統(tǒng)對天線增益要求，并結(jié)合載體所能提供的安裝尺寸和功耗，天線采用平面陣列形式；為了減少移相及饋電網(wǎng)絡的損耗，采用分布式功放的設計方案。系統(tǒng)主要包括2套相控陣天線和1套天線控制器，2套相控陣天線分別位于吊艙的兩端，天線控制器位于吊艙的中部。天線控制器包括電源模塊、信號處理板、接口板和跟蹤接收機(含收發(fā)開關(guān)、數(shù)控衰減器)等，封裝于一個金屬屏蔽殼內(nèi)。遙控發(fā)射天線為L頻段，遙測接收天線為S頻段，L、S頻段天線極化方式均為圓極化，電掃范圍為俯仰±60°、方位±60°。天線單元通過電橋分出2路：一路為右旋圓極化接收；一路為左旋圓極化。饋電網(wǎng)絡包含1路發(fā)射、2路接收，共3套饋電網(wǎng)絡。在接收網(wǎng)絡中，將陣面均分為4個子陣，實現(xiàn)俯仰差、方位差與和路信號，3路信號通過單通道，天線控制器跟蹤接收機提取角誤差和AGC電平實現(xiàn)天線單脈沖跟蹤，角度跟蹤精度不大于2°。

1.2 天線與射頻信道一體化設計

文獻[7-12]分別從天線陣元設計、天線和差波束成形、天線波束控制等方面對陣列天線的設計進行了論述，但都是各自獨立作為一個部件設計，沒有采用一體化設計。收發(fā)共面相控陣天線采用一體化設計技術(shù)，主要包含電源模塊、信號處理模塊(含波控器)、射頻模塊(T/R組件)及天線陣面。結(jié)構(gòu)外形如圖2所示。

圖2 收發(fā)共面相控陣天線結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用頻分全雙工設計，天線覆蓋收發(fā)頻段，因此收發(fā)模式不需要通過信號控制切換。接收模式下陣面相關(guān)單元收集空間中的電磁信號，并轉(zhuǎn)發(fā)給后級接收通道，經(jīng)幅相調(diào)制合成后發(fā)給主機；在發(fā)射模式下，由主機發(fā)出的射頻信號經(jīng)過功率分配并幅相調(diào)制后，發(fā)送到天線陣面上，由陣列相關(guān)單元輻射到空間中。陣列天線波束指向由信號處理模塊(波控器)控制，整個執(zhí)行過程僅包括波控器接收指向更改指令、波控器計算各單元移相數(shù)，并發(fā)送至各移相器以及移相器等。整個系統(tǒng)的波束捷變響應時間為μs級。

電子吊艙頭尾部端框可以安裝尺寸325 mm×475 mm×150 mm，改造后承重35 kg，但考慮結(jié)構(gòu)件和外圍棱角跟吊艙天線罩干涉影響，實際天線有效尺寸為300 mm×380 mm。天線需在方位/俯仰方向掃描60°，按照波束掃描后不出現(xiàn)柵瓣的條件，則單元間距D需要滿足：

D≤λmin/(1+cos60°)=86.9 mm。

系統(tǒng)整個陣列邊長L不超過300 mm，則單元間距D=L/5=60 mm，滿足掃描60°不出現(xiàn)柵瓣的條件。陣面的俯仰、水平方向外側(cè)還需要20 mm、25 mm的金屬邊框用于安裝和固定，因此天線俯視尺寸為350 mm×300 mm。天線陣面設計6×6個陣元，陣列單元間距dx=50 mm，dy=60 mm。每個天線單元與1個T/R組件相接，整個天線共需要6×6=36個收發(fā)組件。天線單元由正交振子組成，尺寸為50 mm×50 mm×53 mm。因為收發(fā)模式的頻率與極化各不相同，因此每個陣元都包含2個獨立的輻射單元，這2個輻射單元在垂直方向上堆疊，并通過各自的饋電實現(xiàn)頻分雙工。垂直方向上天線陣面分4層：天線罩、空氣(隔離天線與天線罩)、天線主體和金屬基(包括結(jié)構(gòu)強度的考慮并作為天線接插件的安裝基礎)，4層結(jié)構(gòu)總厚度為25 mm，T/R組件、波控器等模塊厚度為60 mm，因此總厚度在80 mm以內(nèi)，重量30 kg。

1.3 天線功耗設計

陣列天線由于陣元數(shù)目多、布局密集、T/R組件多等原因，造成了陣列天線散熱困難等問題，因此陣列天線單元的功耗設計就尤為重要。文獻[13-15]就天線的流道布局、熱傳導的冷卻方式等散熱措施進行了討論。本系統(tǒng)整個陣列共6×6=36個天線單元，當L波段發(fā)射天線EIRP值為30 dBW時，天線陣列增益為15 dB，發(fā)射組件功耗為30-15=15 dBW=31.6 W。發(fā)射天線陣面共36個發(fā)射組件，每個單元按1 W計算，共36 W。發(fā)射組件效率按30%計算，36/30%=120 W。接收天線陣面每個組件按0.5 W計算，為36×0.5=18 W。波控器功耗按5 W計算。若電源轉(zhuǎn)換效率按照75%計算，收發(fā)同時工作時整個陣列功耗為：(120+18+5)/75%=191 W；系統(tǒng)采用28 V 供電，電流I=191/28=6.82 A。系統(tǒng)收發(fā)分時工作，整個陣列功耗為發(fā)射通路功耗 (5+120)/75%=167 W。接收通路功耗為18/75%=24 W。28 V供電，電流I=166.7/28=5.95，約為6 A。

L波段發(fā)射天線設計有2個工作狀態(tài)：大功率和小功率。剛加電時，天線處于小功率狀態(tài)，不加射頻信號，功率一般60 W左右。整個陣面全開射頻時，為大功率狀態(tài)。

2 天線增益仿真

陣列天線增益是系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標，其仿真結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 L頻段0°，60°天線方向圖

圖4 S頻段0°，60°天線方向圖

由仿真方向圖可以看出，L頻段發(fā)射天線法向增益16.86 dB，S頻段接收天線增益19.65 dB，這是理想情況?？紤]相控陣天線工程實現(xiàn)與仿真差異以及互耦的影響，相控陣饋電網(wǎng)絡的插入損耗按2 dB考慮，天線法向增益L頻段發(fā)射天線增益14.86 dB，S頻段接收天線為17.65 dB；天線掃描角度在60°以內(nèi)時，發(fā)射頻段增益不小于9.9 dB，接收天線增益不小于12.5 dB。

不管是陣列天線還是拋物面天線，天線增益與天線的口徑密切相關(guān)。本文采用S/L雙波段單元天線設計，與L、S單波段相比有效地增加了天線口徑，確保了天線陣列的增益，較好地解決了陣列天線增益與吊艙空間受限的矛盾。

3 天線安裝角度設計

系統(tǒng)主要用于對低空大射程目標的實時測控，目標在載機下方一側(cè)飛行，水平投影距離15 km；載機平臺掛吊艙飛行高度8 km。在目標發(fā)射功率為4 W時，彈上發(fā)射天線增益-2 dB，對海面目標安全裕量12 dB，遙測碼率2 Mbps，接收機靈敏度-98 dBm，電子吊艙對海作用距離50 km。如目標速度快于載機，按照遠距離跟蹤最大增益法向?qū)誓繕说脑瓌t，得出電子吊艙前后天線方位外傾20°，俯仰下傾10°較合適。俯仰和方位傾角分別如圖5和圖6所示。

圖5 天線俯仰下傾10°

圖6 天線方位外傾20°

4 結(jié)束語

本文依據(jù)電子吊艙有限的空間尺寸、重量和功耗，采用全固態(tài)收發(fā)雙工相控陣方案及天線與信道一體化設計思路，有效降低了饋線損耗、提高了天線增益。根據(jù)應用需求，提出了電子吊艙前后天線安裝角度，可實現(xiàn)對目標穿越電子吊艙前、后、側(cè)面和下方時天線波束的全覆蓋。經(jīng)仿真分析和測試，可滿足系統(tǒng)設計要求。該設計思想對于受限空間內(nèi)的系統(tǒng)設計具有較好的參考意義。