柔性降級技術在相控陣天線中的應用

雒寒冰 楊晶晶 張紅英 楊帆 莫志明

摘 要：本文主要討論了柔性降級技術在相控陣天線中的應用。相控陣天線主要包括波束控制器、天線陣列和發(fā)射組件（T組件），相控陣天線接收調(diào)制后的射頻信號，通過T組件的支持，天線陣列能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射波束合成及指向變化，完成終端返向功率信號對外輻射功能。這樣的設計大大提高了相控陣天線的效率和可靠性。部分支路的損壞并不能影響系統(tǒng)的正常工作，這種“柔性降級”技術可以顯著提高相控天線的可靠性、維修性和保障性。

關鍵詞：柔性降級技術;相控陣天線;可靠性

中圖分類號：TN951 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.040

本文著錄格式：雒寒冰，楊晶晶，張紅英，等.柔性降級技術在相控陣天線中的應用[J].軟件，2021，42（02）：129-130+146

Application of Graceful Degradation Technique to Phased-array Antenna

LUO Hanbing， YANG Jingjing， ZHANG Hongying， YAN Fan， MO Zhiming

（ Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Shanghai? 201109）

【Abstract】：This paper discussed the application of graceful degradation technique to phased-array antenna in relay terminal. The phased-array antenna mainly includes beam-controller， antenna array and transmitter module（T module）.The phased-array antenna receives modulated RF signal， optimizes the downlink transmitter beam and change the spatial direction of the beam with T module and finally radiates the power signal receiving from the terminal. This design greatly increases the efficiency and reliability of the system. Even if one of the branches is abnormal， the system can still work. The graceful degradation technique can significantly improve the reliability， maintainability and survivability of the phased-array antenna.

【Key words】：graceful degradation technique;phased-array antenna;reliability

0 引言

相控陣天線是中繼用戶終端的重要組成部分，受安裝空間、承載能力等多方面的限制，設計時除了滿足性能指標，還需考慮其電磁兼容性、可靠性、維修性等多方面因素，這在很多程度上取決于電子器件、結構及工藝技術。為了提高相控陣天線性能、增加可靠性、降低生產(chǎn)成本，我們采用了柔性降級技術，該技術融合了功率分配和高功率器件技術，將電氣設計與結構設計和工藝技術緊密結合在一起，在提高單元性能和可靠性的基礎上，通過高單元故障隔離和單元失效時低性能惡化保障等技術，實現(xiàn)了相控陣天線的高功率、高效率時的高工作可靠性。

1 基本原理

相控陣天線由天線陣列、功分器、發(fā)射組件（T組件）、波束控制器、電源、結構主體等組成，如圖1所示其中。其中功分器實現(xiàn)射頻信號分路;波束控制器解算得到天線的波束指向，由此計算各發(fā)射支路的移相值并配置T組件;T組件進行射頻信號的移相與放大;天線陣列完成波束合成和信號的對外輻射。

柔性降級技術是在當前相控陣天線設計的基礎上，將相控陣天線的結構進行模塊化、分體式設計，分解為相控陣天線的天線單元、T組件、電源控制等各種功能模塊，如圖2所示。模塊以分層式結構組合，通過其他級聯(lián)設備可實現(xiàn)靈活組成不同需求的完整相控陣天線系統(tǒng)。

這種設計有如下的優(yōu)點：

（1）可以通過改進各種模塊的性能指標或更改模塊數(shù)量來完成天線的組陣，快速簡潔地實現(xiàn)相控陣天線系統(tǒng)的設計;

（2）若天線出現(xiàn)故障，可以通過迅速定位故障區(qū)域，直接更換相關模塊來完成天線的快速維修，迅速恢復天線的正常工作，提高了天線系統(tǒng)的維修效率[1]。

2 柔性降級技術在相控陣天線中的應用

2.1天線陣列

天線陣列一般使用一塊微帶板加工制作，將所有微帶天線單元印制在一塊板上構成天線陣列。采用這種方式加工，不便于天線單元和天線陣列的調(diào)試。一旦某個天線單元的電性能嚴重惡化，將無法進行替換。為了實現(xiàn)柔性降級，天線陣列采用模塊化設計和加工方法，組成天線陣列的每個單元單獨加工制作[2]，并按照每個單元在陣列中的位置安裝固定在底座上，組成天線陣列。陣列調(diào)試時如發(fā)現(xiàn)某個天線單元的電性能嚴重惡化，可以通過替換單元的方式確保天線陣列正常工作。

2.2功分器

功分器選用分體式方案，由一個1分2功分器和另外兩個1分N功分器級聯(lián)而成（T組件數(shù)量為2N個），功分器之間通過射頻電纜連接，模塊化、分體式的設計方案使得布局較為靈活。功分器輸出端和T組件之間采用射頻電纜連接，并采用上下疊層方式布局。

2.3電源部分

為了提高供電的可靠性，輸出的多路電源為并聯(lián)方式，互不干擾。電源模塊均采用隔離DC-DC，確保輸入輸出隔離。同時進行負壓檢測，一旦負壓輸出故障，將關斷正電壓模塊的輸出，對T組件進行保護。電源設計采用輸入輸出隔離模塊，輸入端配備了保險絲，確保了與其他單機的隔離，保證了外部單機和上級電源不受影響。整個電源板基本以并聯(lián)的方式構成，相互影響較小。另外，天線內(nèi)部的電源信號均采用雙點雙線設計。

2.4波束控制器

波控器的功能是：計算、控制各發(fā)射支路的移相值，反饋相控陣天線的工作狀態(tài)?？紤]到本方案采用多個單元組成天線陣列，因此建立行列分離的分布式配相模型，即將移相碼數(shù)據(jù)流同步并行發(fā)送給分組的T組件移相器單元[3]。每組T組件單元包含若干個T組件移相器，其中每個T組件移相器將從串行數(shù)據(jù)流中截取和它相對應的移相碼完成移相功能[4]。

3可靠性分析

使用柔性降級技術的相控陣天線的不僅有著快速設計以及維修效率高的優(yōu)點，同時也可以改善他的可靠性。

相控陣天線任何一個功能的失效都能導致單元模塊的失效進而影響相控陣天線的性能。為了對采用了柔性降級技術的相控陣天線有更直觀的了解，我們對相控陣天線從理論上進行了可靠性分析?？煽啃阅Ｐ鸵话阌写?lián)結構、k/n余結構兩種形式。在串聯(lián)結構中，在系統(tǒng)內(nèi)所有的單元必須正常運行，整個系統(tǒng)才可以正常運行[5]。

根據(jù)相控陣天線系統(tǒng)的組成及工作原理，各部套在電路功能上相對獨立，屬于串聯(lián)結構，未采用柔性降級技術的相控陣天線系統(tǒng)可靠性框圖如圖3所示。

柔性降級技術中采用模塊化、分體式的設計，在原來模型基礎上對各部套進行柔性降級，原相控陣天線可靠性模型中的各個部套均進行了一定的并行設計，改變了簡單的串聯(lián)可靠性模型，加入了k/n余結構，通過增加各部套的可靠性來提高相控陣天線的整機可靠性。

4 結語

通過深入分析柔性降級技術在相控陣天線系統(tǒng)中的應用和可靠度分析可知，該類型的相控陣天線系統(tǒng)有較高的可靠性。柔性降級技術在提高相控陣天線設計和維修效率的同時，天線系統(tǒng)仍具有較高的任務可靠性。隨著目前對相控陣天線的集成度要求的越來越高，采用柔性降級技術的相控陣天線組陣結構簡單，如果相控陣系統(tǒng)需要，可以將T組件增加，對應改變功分器或增加功分器的個數(shù)，以及改變框圖中電源模塊、天線陣列數(shù)量，最后只需根據(jù)任務需求，對波控軟件進行相應修改就可以實現(xiàn)一個新型相控陣天線的設計，并且使用過程中維修方便，可靠性高。所以柔性降級技術在相控陣天線中良好的應用前景。

參考文獻

[1] 錢林.基于可擴充陣列模塊的相控陣天線及其可靠性分析[J].硅谷，2012（11）：55-56.

[2] 胡明春，周志鵬，嚴偉.相控陣雷達收發(fā)組件技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[3] 王貞松，丁丁.星載合成孔徑雷達有源相控陣天線研究[J].電子與信息學報，2009（5）：598-605.

[4] 張中偉.相控陣天線關鍵技術的研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2012.

[5] 朱文冰.星載合成孔徑雷達的可靠性設計[J].現(xiàn)代雷達，2006

（4）：75-78.

[6] 束咸榮，何炳發(fā)，高鐵.相控陣雷達天線[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.