全數字陣列雷達天線陣面結構設計研究

中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031

全數字陣列體制[1-3]現有的源陣面已全面應用于雷達領域。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構設計將發揮關鍵作用。對于機載大型全數字陣列雷達天線，天線結構的輕質、低剖面化[4-5]可以大幅度降低天線對于雷達整機系統有效載荷重量和空間的占用；對于車載機動性雷達，天線結構的成功設計將有效緩解其折疊展開、升降、回轉結構設計及總體布局設計的壓力，反之則會加劇諸多矛盾甚至顛覆總體方案。為此，低剖面、輕質化天線的結構設計成為天線陣面研制領域中的一個熱點。文章對某頻段數種全數字陣列雷達天線陣面布局及天線結構設計過程中發現的優缺點進行對比分析，以期為后續各頻段全數字陣列雷達天線陣面的研制提供一定依據。

1 全數字陣列天線陣面系統組成

全數字相控陣雷達的天線陣面設備包括天線單元、全數字陣列模塊、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備。此外，該體制的有源天線陣面還包括必需的環控系統和內部信號傳輸等設備。內部傳輸信號是將連接器、射頻電纜及光纜等通過集成設計方式形成模塊化的部件，使陣面內部各功能組件之間形成有效、可靠互聯。有源天線陣面的組成見圖1。

圖1 全數字陣列天線陣面系統組成示意圖

2 天線陣面布局設計

2.1 陣面結構布局原則

為實現整機機動性能，全數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構設計的重點、難點。為滿足這一需求，應從以下幾個方面予以關注：

（1）為降低雷達天線損耗，提高整機性能，天線陣面各設備布局時應考慮各電子設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備，天線陣面布局時需提供高效的散熱通道，將各電子設備產生的熱量迅速傳遞出去。

（3）設備的維修性是天線陣面重要的技術指標之一，是衡量天線陣面有無生命力的重要因素。維修性設計應遵循以下原則：①提高設備組件的通用化、模塊化、組合化程度，做到備件更換后不需要調整便可正常工作；②設備組件的布局應具有良好的可達性，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備進行精心布局，合理安裝。

（4）結構學、材料學、電學、熱學協同設計，結構設計方面應注重采用新穎的結構設計方法及新材料的應用。

2.2 天線陣面布局形式

全數字陣列雷達天線陣面的設備組成見圖2。

圖2 天線系統設備組成

為實現設備合理布局，結構上將天線陣面設備劃分為三層：前層為天線、校正網絡、天線罩；中層為天線骨架及陣面液冷管網；后層為有源功分插箱、有源模塊、功分網絡等電子設備。天線設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備器件及天線振子與數字陣列模塊的盲配走線空間，結構設計可發揮余地非常小。采用有源模塊插箱形式的優點在于有源模塊的盲配精度能實現分解，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。為此，設計人員必須從陣面厚度及重量兩個指標進行優化設計。影響陣面厚度及重量的因素見表1，其中數字陣列模塊、電源模塊、功分網絡沿厚度方向是并置，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 優化設計方法

（1）一體化模塊設計。由方案1、表1可知，陣面厚度受制于電子設備器件及天線振子與數字陣列模塊電纜的連接空間，因此可將天線振子與數字陣列模塊進行一體化設計，從而節省電纜連接空間。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構布局

該體制的天線陣面結構布局（以下簡稱方案2）形式下，若對一體化模塊和電源、功分模塊進行優化設計，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、數字陣列模塊進行了集成設計，有效降低了系統厚度，減輕了系統重量。陣面厚度及重量的影響因素取決于電子設備器件。采用方案2布局的特點如下：①省電纜，損耗低；②降低厚度（優化電子設備器件）；③沒有減輕重量；④模塊維修性差，陣面設備需要前后維修；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）集成設計方式。如前所述，陣面集成設計應從陣面布局、陣面環控系統集成設計、陣面多層互聯技術等方面綜合考慮[7]，總體思路如下：①天線振子與數字陣列模塊一體化設計；②冷卻管網、電子設備安裝件與骨架一體化設計。

針對目前情況并結合工程實際，冷卻管網、電子設備安裝件與骨架一體化設計是解決天線陣面輕、薄化的較快途徑。為此，骨架一體化設計是目前結構設計亟待解決的問題。因此，對天線陣面進行如下布局：天線陣面從結構上劃分為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計，并提供天線單元及饋線轉接模塊安裝接口，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計，骨架上提供數字陣列模塊及功分網絡安裝接口，見圖5。

圖5 天線陣面結構布局示意圖

該天線陣面結構布局（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饋線轉接模塊是天線單元與數字陣列模塊聯系的紐帶，該模塊采用何種設計方法直接影響該方案設計成功與否，必須與電信設計人員協同設計、共同優化。此饋線轉接模塊與方案1中的數字陣列模塊盲配板所起的作用區別如下：第一，盲配板作用。將天線單元饋電通過盲配板與數字陣列模塊連接，其優點是可根據陣面需要對數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，導致走線凌亂，走線空間增大，損耗加大。第二，饋線轉接模塊與數字陣列模塊及相應天線單元按照一一對應法則進行排布，其優點是天線單元饋電整齊、減少饋電空間及系統損耗。②數字陣列模塊尺寸應小于對應天線單元區域內尺寸是饋線轉接模塊能否設計成功的前提條件。對于數字陣列模塊尺寸小至多少，應根據各項目使用條件及技術指標進行分析。同時，數字陣列模塊與電源集成設計應盡可能提高散熱效率，降低系統熱耗。③若難以實現數字陣列模塊與電源集成設計，則電源必須與饋線轉接模塊進行封裝組合設計。因此，要減少數字陣列模塊的維修時間，其后端不應放置其他器件（除非其尺寸非常小，電源模塊與其并行放置）。④各種電子設備輕型化設計是天線陣面輕、薄化設計的關鍵因素。

綜上所述，天線陣面布局可根據系統需要進行相應靈活布局，低剖面天線的影響因素包括天線單元尺寸及重量，數字陣列模塊、電源模塊等電子設備尺寸及重量，各器件連接方式，環控系統，天線骨架，結構附件。

對環控系統與骨架、反射板采取集成設計方法是天線陣面輕、薄化設計的重要途徑，該集成設計方法的實現又與電信器件互連設計、布局等緊密相關，為此，應將結構、電信、熱等方面進行協同設計。另外，一些新材料（復合材料等）的應用會給陣面輕、薄設計帶來積極影響。

3 結束語

文章對全數字陣列雷達天線陣面各設備布局及集成方式進行優化，得出影響陣面厚度及重量因素，包括各電子設備及設備之間的有效互連方式，后續設計中應注重機、電、熱協同設計。同時還必須關注新材料應用所帶來的積極影響，對后續全數字陣列雷達天線陣面結構設計具有一定的參考意義。