全數(shù)字陣列雷達天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031

全數(shù)字陣列體制[1-3]現(xiàn)有的源陣面已全面應(yīng)用于雷達領(lǐng)域。為保證天線整體性能，作為有源天線陣面主要組成部分的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計將發(fā)揮關(guān)鍵作用。對于機載大型全數(shù)字陣列雷達天線，天線結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)、低剖面化[4-5]可以大幅度降低天線對于雷達整機系統(tǒng)有效載荷重量和空間的占用；對于車載機動性雷達，天線結(jié)構(gòu)的成功設(shè)計將有效緩解其折疊展開、升降、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計及總體布局設(shè)計的壓力，反之則會加劇諸多矛盾甚至顛覆總體方案。為此，低剖面、輕質(zhì)化天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計成為天線陣面研制領(lǐng)域中的一個熱點。文章對某頻段數(shù)種全數(shù)字陣列雷達天線陣面布局及天線結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)缺點進行對比分析，以期為后續(xù)各頻段全數(shù)字陣列雷達天線陣面的研制提供一定依據(jù)。

1 全數(shù)字陣列天線陣面系統(tǒng)組成

全數(shù)字相控陣雷達的天線陣面設(shè)備包括天線單元、全數(shù)字陣列模塊、電源組件、校正濾波組件、時鐘本振功分組件及陣面骨架等各種機電設(shè)備。此外，該體制的有源天線陣面還包括必需的環(huán)控系統(tǒng)和內(nèi)部信號傳輸?shù)仍O(shè)備。內(nèi)部傳輸信號是將連接器、射頻電纜及光纜等通過集成設(shè)計方式形成模塊化的部件，使陣面內(nèi)部各功能組件之間形成有效、可靠互聯(lián)。有源天線陣面的組成見圖1。

圖1 全數(shù)字陣列天線陣面系統(tǒng)組成示意圖

2 天線陣面布局設(shè)計

2.1 陣面結(jié)構(gòu)布局原則

為實現(xiàn)整機機動性能，全數(shù)字陣列體制的天線陣面所具有的輕、薄化特點是整個天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點、難點。為滿足這一需求，應(yīng)從以下幾個方面予以關(guān)注：

（1）為降低雷達天線損耗，提高整機性能，天線陣面各設(shè)備布局時應(yīng)考慮各電子設(shè)備之間的電連接盡可能降至最低，布局時兼顧可靠性、安全性等方面因素[6]。

（2）對于有熱耗的電子設(shè)備，天線陣面布局時需提供高效的散熱通道，將各電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量迅速傳遞出去。

（3）設(shè)備的維修性是天線陣面重要的技術(shù)指標之一，是衡量天線陣面有無生命力的重要因素。維修性設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：①提高設(shè)備組件的通用化、模塊化、組合化程度，做到備件更換后不需要調(diào)整便可正常工作；②設(shè)備組件的布局應(yīng)具有良好的可達性，主要部件可視、可及，易于檢查、維修和更換；③對天線陣面的主要設(shè)備進行精心布局，合理安裝。

（4）結(jié)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)協(xié)同設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計方面應(yīng)注重采用新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及新材料的應(yīng)用。

2.2 天線陣面布局形式

全數(shù)字陣列雷達天線陣面的設(shè)備組成見圖2。

圖2 天線系統(tǒng)設(shè)備組成

為實現(xiàn)設(shè)備合理布局，結(jié)構(gòu)上將天線陣面設(shè)備劃分為三層：前層為天線、校正網(wǎng)絡(luò)、天線罩；中層為天線骨架及陣面液冷管網(wǎng)；后層為有源功分插箱、有源模塊、功分網(wǎng)絡(luò)等電子設(shè)備。天線設(shè)備分層安裝的分解圖見圖3。

圖3 天線陣面分層安裝示意圖

此布局形式（以下簡稱方案1）下，天線厚度受制于電子設(shè)備器件及天線振子與數(shù)字陣列模塊的盲配走線空間，結(jié)構(gòu)設(shè)計可發(fā)揮余地非常小。采用有源模塊插箱形式的優(yōu)點在于有源模塊的盲配精度能實現(xiàn)分解，降低制造成本，其對于大型陣面、重量要求不嚴格的地面固定式雷達具有一定優(yōu)勢；而對于機載及地面具備高機動性能（對天線重量及厚度有嚴格限制）雷達，此種天線陣面布局方式已不適應(yīng)。為此，設(shè)計人員必須從陣面厚度及重量兩個指標進行優(yōu)化設(shè)計。影響陣面厚度及重量的因素見表1，其中數(shù)字陣列模塊、電源模塊、功分網(wǎng)絡(luò)沿厚度方向是并置，故其影響歸為一類。

表1 方案1影響陣面厚度、重量的因素

2.3 優(yōu)化設(shè)計方法

（1）一體化模塊設(shè)計。由方案1、表1可知，陣面厚度受制于電子設(shè)備器件及天線振子與數(shù)字陣列模塊電纜的連接空間，因此可將天線振子與數(shù)字陣列模塊進行一體化設(shè)計，從而節(jié)省電纜連接空間。一體化模塊天線陣面采用前插方式并通過組件支撐安裝于天線骨架上，布局形式見圖4。

圖4 一體化模塊形式的天線陣面結(jié)構(gòu)布局

該體制的天線陣面結(jié)構(gòu)布局（以下簡稱方案2）形式下，若對一體化模塊和電源、功分模塊進行優(yōu)化設(shè)計，其厚度必然降低。與方案1相比，影響陣面重量的因素見表2。

表2 方案2影響陣面厚度、重量的因素

將表1與表2對比分析可知，由于反射板、天線單元、數(shù)字陣列模塊進行了集成設(shè)計，有效降低了系統(tǒng)厚度，減輕了系統(tǒng)重量。陣面厚度及重量的影響因素取決于電子設(shè)備器件。采用方案2布局的特點如下：①省電纜，損耗低；②降低厚度（優(yōu)化電子設(shè)備器件）；③沒有減輕重量；④模塊維修性差，陣面設(shè)備需要前后維修；⑤陣面防護性差；⑥天線校正采用外校正方式。其適用場合為地面固定式雷達、小型機載雷達等。

（2）集成設(shè)計方式。如前所述，陣面集成設(shè)計應(yīng)從陣面布局、陣面環(huán)控系統(tǒng)集成設(shè)計、陣面多層互聯(lián)技術(shù)等方面綜合考慮[7]，總體思路如下：①天線振子與數(shù)字陣列模塊一體化設(shè)計；②冷卻管網(wǎng)、電子設(shè)備安裝件與骨架一體化設(shè)計。

針對目前情況并結(jié)合工程實際，冷卻管網(wǎng)、電子設(shè)備安裝件與骨架一體化設(shè)計是解決天線陣面輕、薄化的較快途徑。為此，骨架一體化設(shè)計是目前結(jié)構(gòu)設(shè)計亟待解決的問題。因此，對天線陣面進行如下布局：天線陣面從結(jié)構(gòu)上劃分為2層，分別為反射板和天線骨架；反射板與末級水道采用一體化設(shè)計，并提供天線單元及饋線轉(zhuǎn)接模塊安裝接口，反射板水道入口與骨架上主水道采用快接連接；天線骨架與主水道采用一體化設(shè)計，骨架上提供數(shù)字陣列模塊及功分網(wǎng)絡(luò)安裝接口，見圖5。

圖5 天線陣面結(jié)構(gòu)布局示意圖

該天線陣面結(jié)構(gòu)布局（以下簡稱方案3）與方案1、方案2相比，影響陣面重量的因素見表3。

表3 方案3影響陣面厚度、重量的因素

（3）方案比較。①饋線轉(zhuǎn)接模塊是天線單元與數(shù)字陣列模塊聯(lián)系的紐帶，該模塊采用何種設(shè)計方法直接影響該方案設(shè)計成功與否，必須與電信設(shè)計人員協(xié)同設(shè)計、共同優(yōu)化。此饋線轉(zhuǎn)接模塊與方案1中的數(shù)字陣列模塊盲配板所起的作用區(qū)別如下：第一，盲配板作用。將天線單元饋電通過盲配板與數(shù)字陣列模塊連接，其優(yōu)點是可根據(jù)陣面需要對數(shù)字陣列模塊放置位置進行靈活處理[8]，缺點是天線單元與盲配板電纜連接過長，導(dǎo)致走線凌亂，走線空間增大，損耗加大。第二，饋線轉(zhuǎn)接模塊與數(shù)字陣列模塊及相應(yīng)天線單元按照一一對應(yīng)法則進行排布，其優(yōu)點是天線單元饋電整齊、減少饋電空間及系統(tǒng)損耗。②數(shù)字陣列模塊尺寸應(yīng)小于對應(yīng)天線單元區(qū)域內(nèi)尺寸是饋線轉(zhuǎn)接模塊能否設(shè)計成功的前提條件。對于數(shù)字陣列模塊尺寸小至多少，應(yīng)根據(jù)各項目使用條件及技術(shù)指標進行分析。同時，數(shù)字陣列模塊與電源集成設(shè)計應(yīng)盡可能提高散熱效率，降低系統(tǒng)熱耗。③若難以實現(xiàn)數(shù)字陣列模塊與電源集成設(shè)計，則電源必須與饋線轉(zhuǎn)接模塊進行封裝組合設(shè)計。因此，要減少數(shù)字陣列模塊的維修時間，其后端不應(yīng)放置其他器件（除非其尺寸非常小，電源模塊與其并行放置）。④各種電子設(shè)備輕型化設(shè)計是天線陣面輕、薄化設(shè)計的關(guān)鍵因素。

綜上所述，天線陣面布局可根據(jù)系統(tǒng)需要進行相應(yīng)靈活布局，低剖面天線的影響因素包括天線單元尺寸及重量，數(shù)字陣列模塊、電源模塊等電子設(shè)備尺寸及重量，各器件連接方式，環(huán)控系統(tǒng)，天線骨架，結(jié)構(gòu)附件。

對環(huán)控系統(tǒng)與骨架、反射板采取集成設(shè)計方法是天線陣面輕、薄化設(shè)計的重要途徑，該集成設(shè)計方法的實現(xiàn)又與電信器件互連設(shè)計、布局等緊密相關(guān)，為此，應(yīng)將結(jié)構(gòu)、電信、熱等方面進行協(xié)同設(shè)計。另外，一些新材料（復(fù)合材料等）的應(yīng)用會給陣面輕、薄設(shè)計帶來積極影響。

3 結(jié)束語

文章對全數(shù)字陣列雷達天線陣面各設(shè)備布局及集成方式進行優(yōu)化，得出影響陣面厚度及重量因素，包括各電子設(shè)備及設(shè)備之間的有效互連方式，后續(xù)設(shè)計中應(yīng)注重機、電、熱協(xié)同設(shè)計。同時還必須關(guān)注新材料應(yīng)用所帶來的積極影響，對后續(xù)全數(shù)字陣列雷達天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考意義。