星載高增益毫米波SAR 相控天線陣設(shè)計(jì)

葉 聲，蘇 醒，張?zhí)鞓?lè)，徐顯文，張麗娜，歐陽(yáng)尚榮

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）因其全天候、全天時(shí)、高分辨的對(duì)地觀測(cè)能力而廣泛應(yīng)用于微波測(cè)繪、遙感等領(lǐng)域，是目前最前沿的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，小型化、多功能化以及高度集成化將是未來(lái)SAR 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。天線位于SAR 系統(tǒng)的最前端，其電性能直接影響了SAR 的工作特性，其結(jié)構(gòu)大小則往往決定了整機(jī)的集成度。毫米波天線具有結(jié)構(gòu)尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，極大地縮小系統(tǒng)體積。然而毫米波頻段的傳輸損耗也較大，天線子系統(tǒng)需要具有較高的增益來(lái)補(bǔ)償鏈路上的損失。傳統(tǒng)的金屬反射面天線與喇叭天線具有增益高、效率高、寬帶等性能，但天線的剖面往往過(guò)高，且需要一個(gè)較大的支撐結(jié)構(gòu)，難以集成到小型化的系統(tǒng)中。基于介質(zhì)材料的微帶天線具有剖面低、易共形的優(yōu)點(diǎn)，在各種軍用民用等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如文獻(xiàn)［16-18］采用電磁偶極子實(shí)現(xiàn)了寬帶高增益的毫米波天線；文獻(xiàn)［19-20］采用多層介質(zhì)板過(guò)孔模擬了開口喇叭，所設(shè)計(jì)的天線單元在60 GHz 頻段增益大于8 dBi。然而微帶天線在毫米波頻段的損耗會(huì)增加，當(dāng)組成陣列時(shí)會(huì)影響陣列的輻射效率，因此陣列一般采用基片集成波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)。基于金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縫隙天線具有損耗小、增益高、效率高的優(yōu)點(diǎn)，且性能穩(wěn)定，適于星載毫米波SAR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的波導(dǎo)窄邊縫隙天線為了有效激勵(lì)輻射場(chǎng)，輻射縫隙需要旋轉(zhuǎn)一定的角度，抬高了天線交叉極化電平。此外，對(duì)有源通道數(shù)目較大的相控陣天線，陣面與射頻前端之間仍需通過(guò)大量的射頻連接器及同軸電纜連接，一方面增加了損耗，降低了天線的實(shí)際增益，另一方面提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

本文圍繞星載毫米波SAR 對(duì)于高性能天線子系統(tǒng)的需求，研究設(shè)計(jì)了高增益高效率的波導(dǎo)縫隙相控陣天線。天線采用與波導(dǎo)寬邊垂直的輻射縫隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)了波導(dǎo)饋電及定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

1 天線單元與直線陣

天線單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示，天線采用金屬波導(dǎo)縫隙結(jié)構(gòu)。單元縫隙開在了波導(dǎo)的窄邊，波導(dǎo)的尺寸為，壁厚為0.8 mm。與傳統(tǒng)的傾斜縫隙天線不一樣，這里采用非傾斜縫隙結(jié)構(gòu)，即輻射縫隙方向與波導(dǎo)寬邊方向垂直?？p隙切入波導(dǎo)寬邊的深度為，縫隙的寬度為。為了有效激勵(lì)起波導(dǎo)內(nèi)的輻射模式，在每個(gè)縫隙的兩端加入金屬擾動(dòng)塊。擾動(dòng)塊長(zhǎng)為，寬為，高度為。相鄰縫隙的擾動(dòng)塊成反對(duì)稱放置。圖1 中顯示了單元數(shù)為2×12 的一段直線陣，為了保證陣列口徑的均勻性，直線陣內(nèi)縫隙的參數(shù)一致，各縫隙均勻排布，間距為。能量從波導(dǎo)的一端饋入，波導(dǎo)的另一端短路，各縫隙等效為串聯(lián)饋電。

圖1 天線單元及直線陣圖Fig.1 Diagram of the antenna element and the linear antenna array

為了保證陣列的緊湊特性，選用減高波導(dǎo)，尺寸為=0.6，=0.25。各縫隙等幅同相饋電，因此縫隙間距為/2（為中心頻率的波導(dǎo)波長(zhǎng)）。根據(jù)縫隙的諧振條件，由如下公式確定縫隙切入的深度：

擾動(dòng)塊的高度及長(zhǎng)度決定了波導(dǎo)對(duì)其所在輻射縫隙的饋電能量大小，同時(shí)又影響著端口的阻抗特性。采用商業(yè)仿真軟件HFSS 對(duì)直線陣進(jìn)行建模并仿真及對(duì)于直線陣駐波的影響，直線陣含24 個(gè)縫隙單元，并從中心饋電，仿真結(jié)果如圖2和圖3 所示。隨著從0.13增加到0.17，天線中心頻率的電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）從約2.5 開始下降，在=0.15有最小值1.1，隨后增大至＞3。隨著從0.09上升至0.13，中心頻率的VSWR下降再上升，在=0.11時(shí)，帶內(nèi)的VSWR 平均較小。單元的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 天線單元結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of the antenna element

圖2 不同Hs對(duì)直線陣VSWR 的影響Fig.2 Effects of Hs on the VSWR of the linear antenna array

圖3 不同Ls對(duì)直線陣VSWR 的影響Fig.3 Effects of Ls on the VSWR of the linear antenna array

由所設(shè)計(jì)的直線陣沿長(zhǎng)邊放置，結(jié)合波導(dǎo)功分器可在方位向組成更大的直線陣列以得到更高的增益。功分網(wǎng)絡(luò)有2 種實(shí)現(xiàn)形式，如圖4 所示。若采用H 面T 型結(jié)波導(dǎo)功分器，兩級(jí)功分器高度過(guò)高，如圖4（a）所示。若采用E 面T 型結(jié)波導(dǎo)功分器，通過(guò)在波導(dǎo)的寬邊進(jìn)行折疊，能有效降低了整體功分器的高度，如圖4（b）所示。

圖4 T 型結(jié)波導(dǎo)功分器Fig.4 T-junction waveguide power divider

最終設(shè)計(jì)的天線直線陣列如圖5（a）所示，陣列含96 個(gè)縫隙單元。仿真結(jié)果如圖5（b）和圖5（c）所示，直線陣的電壓駐波比在帶內(nèi)小于1.3。陣列的仿真增益為27 dB，仿真的主極化（Co-極化）和交叉極化（X-極化）方向圖的對(duì)比如圖5（c）所示，交叉極化小于-47 dB，表明天線具有良好輻射特性。

圖5 96 元直線陣結(jié)構(gòu)及仿真性能Fig.5 Structure of the 96-element linear array and its simulated performance

續(xù)圖5 96元直線陣結(jié)構(gòu)及仿真性能Continued fig.5 Structure of the 96-element linear array and its simulated performance

2 天線子系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)布局

有源相控陣天線的組成框架如圖6 所示。相控陣沿方位向由1×8 個(gè)子陣列組成，每個(gè)子陣列內(nèi)包含84 個(gè)直線陣，沿距離向并排放置，間距為0.67，每個(gè)直線陣后端接T/R 組件形成有源通道，全陣共672 個(gè)有源通道。天線收發(fā)分時(shí)工作，通過(guò)T/R 組件的內(nèi)置開關(guān)進(jìn)行收發(fā)狀態(tài)切換，全陣的T/R 組件通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，并匯總至雷達(dá)信號(hào)輸入/輸出端口。相控陣前端包括天線直線陣、T/R 組件、子陣列的饋電及定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和全陣列的饋電及定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。各部組件的連接關(guān)系如圖6 所示。在天線直線陣的端口集成了耦合器，定標(biāo)信號(hào)由耦合器進(jìn)入有源通道或從有源通道輸出至終端，從而能對(duì)各通道的幅相特性進(jìn)行在軌監(jiān)測(cè)。

圖6 相控陣天線框架Fig.6 Diagram of the phased antenna array

圖6 所示的相控陣包括了數(shù)量眾多的直線陣、T/R 組件、饋電及定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，各部組件之間的連接是影響陣列集成的關(guān)鍵因素。若采用傳統(tǒng)的同軸電纜進(jìn)行射頻連接，則需大量的電纜及轉(zhuǎn)換接頭，存在以下不足：提高了陣列內(nèi)的傳輸損耗及噪聲；提高了陣列的復(fù)雜度，擴(kuò)大了占用空間；降低了通道間的一致性；提高了加工成本，尤其是部分電纜需嚴(yán)格配相；各電纜間相互纏繞，存在電磁兼容方面的風(fēng)險(xiǎn)。

為了克服所述的不足之處，這里采用波導(dǎo)功分器來(lái)實(shí)現(xiàn)所有的射頻傳輸網(wǎng)絡(luò)，并從結(jié)構(gòu)上考慮和波導(dǎo)天線陣面緊密集成。在連接上，T/R 組件采用盲插的射頻接頭，并以整個(gè)天線陣作為安裝載體，緊扣于天線背面；天線和射頻網(wǎng)絡(luò)的連接則采用標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)端口，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)以天線陣面作為安裝載體，集成于陣面背面。通過(guò)此方式，整個(gè)射頻前端緊密的集成在一起，且不需要使用同軸電纜。

2.2 波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)

天線的射頻網(wǎng)絡(luò)主要包括定標(biāo)及饋電網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于子陣列內(nèi)的定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，其耦合端口設(shè)置在直線陣的饋電端口。定標(biāo)過(guò)程如下：發(fā)射定標(biāo)時(shí)，T/R組件的輸出射頻信號(hào)大部分經(jīng)波導(dǎo)管進(jìn)入直線陣并往外輻射，小部分作為定標(biāo)信號(hào)經(jīng)波導(dǎo)管上的耦合口進(jìn)入定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)并傳輸至SAR 的后端處理單元，接收定標(biāo)過(guò)程則與上述相反。實(shí)際工作時(shí)，由于天線本身無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的阻抗匹配，饋往直線陣的返回波也會(huì)通過(guò)耦合端口進(jìn)入定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)形成干擾信號(hào)，從而惡化各定標(biāo)通道的一致性及帶內(nèi)起伏特性。本方案使用緊湊的定向耦合器對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行隔離，如圖7（a）所示。波導(dǎo)管上設(shè)置了兩個(gè)耦合小孔，從輻射端口返回的干擾信號(hào)經(jīng)耦合口進(jìn)入定標(biāo)波導(dǎo)時(shí)，將饋往匹配層并被吸波材料吸收。使用HFSS 對(duì)該耦合器進(jìn)行仿真如圖7（b）所示，耦合系數(shù)在帶內(nèi)起伏小于0.3 dB。

圖7 定向耦合器結(jié)構(gòu)圖及仿真的耦合系數(shù)Fig.7 Directional coupler structure and simulated coupling coefficients

子陣的定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)最終設(shè)計(jì)如圖8 所示。網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)84 路的功分器，由若干波導(dǎo)T 形結(jié)級(jí)聯(lián)組成。定向耦合器集成在功分器的末端，通過(guò)耦合端口與84 路天線直線陣連接。

圖8 子陣定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of the subarray calibration network

子陣內(nèi)的饋電網(wǎng)絡(luò)由多級(jí)T 形結(jié)功分器進(jìn)行級(jí)聯(lián)而成。為了保證各有源通道之間相互隔離，T形結(jié)功分器采用波導(dǎo)魔T 結(jié)構(gòu)，如圖9（a）所示，仿真的參數(shù)如圖9（b）所示，在帶內(nèi)反射系數(shù)小于-25 dB，隔離度大于20 dB，在中心頻率大于35 dB。最終合成的子陣饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為一個(gè)28 路的功分器，如圖10 所示，各分端口分別接一個(gè)3 通道的T/R 組件。

圖9 魔T 結(jié)構(gòu)及仿真S 系數(shù)Fig.9 Magic T structure and simulated S parameters

圖10 子陣饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of the subarray feed network

全陣的饋電及定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)均為8 路的波導(dǎo)功分器，類似地，由多級(jí)T 型結(jié)功分器組成，T 型結(jié)采用波導(dǎo)魔T 結(jié)構(gòu)。全陣與子陣的不同網(wǎng)絡(luò)之間的連接通過(guò)BJ320 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)接口進(jìn)行裝配。

2.3 系統(tǒng)集成

基于所設(shè)計(jì)的天線與波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)用于星載毫米波SAR 的相控陣天線射頻前端結(jié)構(gòu)如圖11 所示。其中子陣的定標(biāo)及饋電網(wǎng)絡(luò)與84 路直線陣集成一體化加工并焊接，以減少人工裝配帶來(lái)的誤差，最終形成8 個(gè)子陣列。各子陣列先安裝在碳纖維框架上，T/R 組件通過(guò)SMP 接插件平扣于子陣背面，中間是配以控溫的鋁蜂窩金屬板。全陣的饋電及定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)跨過(guò)碳纖維框架并與各個(gè)子陣列內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)端口連接，兩者通過(guò)金屬螺釘緊密固定，最終形成完整陣面。整個(gè)天線子系統(tǒng)不使用射頻同軸電纜，結(jié)構(gòu)緊湊，傳輸損耗小且各通道一致性良好。

圖11 天線全陣的裝配Fig.11 Assembly diagram of the antenna array

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)天線進(jìn)行加工，實(shí)物如圖12 所示。方向圖測(cè)試在平面近場(chǎng)進(jìn)行。由于天線是收發(fā)共陣，接收、發(fā)射分時(shí)工作，測(cè)試過(guò)程中，利用探頭分別測(cè)得每路收/發(fā)通道的相位及幅度，然后對(duì)組件的收/發(fā)通道進(jìn)行移相和衰減，最后分別測(cè)出天線的近場(chǎng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)，并推算出對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。當(dāng)天線工作在接收狀態(tài)時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖13 所示。當(dāng)天線工作在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖14 所示。圖中同時(shí)給出了陣列在距離向掃描至15°時(shí)的方向圖。實(shí)測(cè)方向圖與仿真基本吻合，掃描范圍內(nèi)旁瓣小于-12 dB，差異主要是由加工精度及有源器件工作狀態(tài)的不一致性導(dǎo)致的。采用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭作對(duì)比測(cè)試可得到陣列天線的等效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）值，由于各T 通道的發(fā)射功率值為已知值，取全陣平均值得值，根據(jù)EIRP=+可計(jì)算天線的增益值，天線的增益約為54.37 dBi，口徑效率65.2%，表明了天線設(shè)計(jì)的有效性。

圖12 全陣天線子系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)Fig.12 Structure of the whole antenna array subsystem integration

圖13 陣列天線工作在接收時(shí)的方向圖Fig.13 Farfield patterns of the antenna array at the receiving state

圖14 陣列天線工作在發(fā)射時(shí)的方向圖Fig.14 Farfield patterns of the antenna array at the transmitting state

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的高增益星載毫米波SAR 有源相控陣天線設(shè)計(jì)。天線采用了非傾斜輻射縫隙的波導(dǎo)窄邊開縫結(jié)構(gòu)，提高了直線陣的增益，進(jìn)一步采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)天線的饋電網(wǎng)絡(luò)及定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，減小了網(wǎng)絡(luò)的傳輸損耗并提高了各通道的一致性。

仿真及實(shí)測(cè)的結(jié)果均表明，所設(shè)計(jì)的相控陣天線具有高增益、高效率特性，且天線在距離向具有±15°的掃描能力，天線在結(jié)構(gòu)上具有緊湊、低剖面的優(yōu)點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的天線子系統(tǒng)可以用于未來(lái)的星載毫米波SAR 系統(tǒng)中。