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安裝遙測遙控系統實現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鍵技術，包括吊艙內設備小型化技術、頻率收發干擾和隔離技術以及設備的寬范圍工作技術等，但是文獻[1]并沒有對設備小型化和頻率收發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進行了介紹，但其方案中并沒有采用陣列天線，而且傳輸數據速率也較低，與本系統要求的技術指標差別較大。本系統吊艙采用外掛吊艙形式，吊艙內部安裝遙測遙控系統，其中的遙測遙控系統主要包含陣列天線、收發組件、饋電網絡、波束控制系統、轉發器和電源等設備，由于電子吊艙有效結構尺寸非常有限，嚴重制約了遙測遙控系統的總體指標的設計。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，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性、有效性和可靠性。

1 總體設計

在電子吊艙內部安裝遙測遙控系統，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

在不穩定平臺上，如何既能保證天線覆蓋范圍，又能實現天線波束的穩定跟蹤，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對吊艙底部全覆蓋，采用了前后視渡越陣列跟蹤天線和收發全雙工兩維電掃陣列天線相結合技術。

在電子吊艙頭部、尾部分別安裝前視、后視天線，技術指標要求相同。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頻段發射采用左旋圓極化。電子吊艙天線系統工作原理如圖1所示。

圖1 天線系統工作原理

電子吊艙天線系統采用二維電掃相控陣天線，為了滿足系統對天線增益要求，并結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絡的損耗，采用分布式功放的設計方案。系統主要包括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(含收發開關、數控衰減器)等，封裝于一個金屬屏蔽殼內。遙控發射天線為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。饋電網絡包含1路發射、2路接收，共3套饋電網絡。在接收網絡中，將陣面均分為4個子陣，實現俯仰差、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。收發共面相控陣天線采用一體化設計技術，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。結構外形如圖2所示。

圖2 收發共面相控陣天線結構

系統采用頻分全雙工設計，天線覆蓋收發頻段，因此收發模式不需要通過信號控制切換。接收模式下陣面相關單元收集空間中的電磁信號，并轉發給后級接收通道，經幅相調制合成后發給主機；在發射模式下，由主機發出的射頻信號經過功率分配并幅相調制后，發送到天線陣面上，由陣列相關單元輻射到空間中。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，并發送至各移相器以及移相器等。整個系統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，但考慮結構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柵瓣的條件，則單元間距D需要滿足：

D≤λmin/(1+cos60°)=86.9 mm。

系統整個陣列邊長L不超過300 mm，則單元間距D=L/5=60 mm，滿足掃描60°不出現柵瓣的條件。陣面的俯仰、水平方向外側還需要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(包括結構強度的考慮并作為天線接插件的安裝基礎)，4層結構總厚度為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，重量30 kg。

1.3 天線功耗設計

陣列天線由于陣元數目多、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。本系統整個陣列共6×6=36個天線單元，當L波段發射天線EIRP值為30 dBW時，天線陣列增益為15 dB，發射組件功耗為30-15=15 dBW=31.6 W。發射天線陣面共36個發射組件，每個單元按1 W計算，共36 W。發射組件效率按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。若電源轉換效率按照75%計算，收發同時工作時整個陣列功耗為：(120+18+5)/75%=191 W；系統采用28 V 供電，電流I=191/28=6.82 A。系統收發分時工作，整個陣列功耗為發射通路功耗 (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波段發射天線設計有2個工作狀態：大功率和小功率。剛加電時，天線處于小功率狀態，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。

2 天線增益仿真

陣列天線增益是系統關鍵技術指標，其仿真結果分別如圖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。考慮相控陣天線工程實現與仿真差異以及互耦的影響，相控陣饋電網絡的插入損耗按2 dB考慮，天線法向增益L頻段發射天線增益14.86 dB，S頻段接收天線為17.65 dB；天線掃描角度在60°以內時，發射頻段增益不小于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。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。在目標發射功率為4 W時，彈上發射天線增益-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對準目標的原則，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 結束語

本文依據電子吊艙有限的空間尺寸、重量和功耗，采用全固態收發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。根據應用需求，提出了電子吊艙前后天線安裝角度，可實現對目標穿越電子吊艙前、后、側面和下方時天線波束的全覆蓋。經仿真分析和測試，可滿足系統設計要求。該設計思想對于受限空間內的系統設計具有較好的參考意義。