一種寬帶光控相控陣實現方法

邵微笑，王思雅，張俊莎，關文碩，王 森

(中國航天科工集團第三研究院第三○三研究所，北京 100074)

0 引 言

相控陣雷達以相控陣天線陣列為核心，由多個輻射單元排列組合而成，每個陣元后接一個移相器和放大器，是一種新型有源電子掃描陣列雷達。其工作的基本原理是使用可控移相器對相移量進行控制，實現對各陣元間相對饋電相位的改變。通過饋電相位的改變，進而實現對天線陣面上電磁波分布的改變，最終實現按照一定規律對空間波束進行掃描的功能。

基于傳統移相器的普通相控陣雷達，其相控陣天線帶寬受到天線孔徑效應和天線孔徑渡越時間的限制，工作時會出現波束發散、增益降低的問題，使得它只能在相對窄的信號帶寬下工作，所以傳統的相控陣不能適應寬帶射頻。

為了獲得大的瞬時帶寬，一般方法是在陣列各單元或子陣級別上采用實時延遲線來消除孔徑效應和孔徑渡越時間的影響。由于陣列單元數目較多，即使在子陣級別上實現實時延時，也需要大量的微波延時線，再加上微波延時線體積大，重量大，調節困難，因此實現難度大。另一種方法是基于群延遲的機理，利用光信號完成射頻信號的實時延時來實現大的瞬時帶寬，即真實時間延遲線(OTTD)。

圖1為傳統移相器和真延時器2種方式下天線波束指向角度。由圖1可知，傳統移相器產生的相移量與頻率有關，當頻率發生改變時波長發生改變，導致波束角度發生偏斜，即天線的孔徑效應。當使用真延時器實現相移時，天線波束角度對所有頻率都是一樣，因此不會發生波束偏移現象。

圖1 移相器和真延時器產生的波束角度

本文介紹了基于寬帶陣列天線、微波光子延時網絡和波束控制單元實現的一種寬帶光控陣的控制方法，其工作流程如圖2 所示。

圖2 寬帶光控陣工作流程

1 寬帶陣列天線設計

陣列天線，就是由若干個在空間以一定的排列方式分布的、相位上相干的離散輻射單元組成的天線系統。相對于單個天線而言，陣列天線可以完成多波束、多功能、波束賦形和空時自適應等功能。

隨著電磁環境的日益復雜，對陣列信號處理應用范圍及陣列天線的技術指標要求進一步提高，需要陣列天線具備處理不同頻帶信號的能力。設計寬帶陣列天線可以提高天線的抗干擾能力和目標識別能力。然而，工作頻率的變化必然導致陣列天線孔徑發生改變，這給陣列天線帶來了很多新的挑戰，其核心問題在于如何實現陣列天線的寬頻帶適應性。

如圖3所示，天線的基本輻射單元為偶極子天線，偶極子并排組陣形成偶極子陣列，圖中深色部分即為一個個并排的偶極子單元。常規偶極子單元的頻帶特性較窄，若將天線的單元間距布置得較近時，互相的耦合影響會使天線性能發生變化。通常這種耦合產生的影響是在天線設計時需要避免的，而本文的設計卻正好利用了這一特性來增強天線的頻帶特性。

圖3 天線的偶極子單元排列示意圖

如圖4所示，在天線相鄰的位置增設強耦合結構，以進一步增強單元間的互耦作用。通過對耦合結構形狀、尺寸、位置的設計，可最終實現拓寬偶極子頻帶特性的目的。

圖4 強耦合結構示意圖

天線若想具有良好的寬頻帶適應性，除了強耦合結構之外，還需進行多級阻抗匹配結構的設計。從圖5偶極子單元的三維結構可看到，標注“1”的兩層強耦合結構將2個偶極子的連接處夾在中間層，同時強耦合結構接地，保持共電位。此時，原本獨立的一個個小尺寸的偶極子天線，就被串成了一個大尺寸的天線。這樣，天線既可以在小尺寸天線對應的頻段諧振，又可以在多個天線拼成的大尺寸天線上諧振，從而實現良好的寬頻特性。

圖5 偶極子單元的三維結構示意圖

除了天線輻射結構需要有很強的頻帶特性外，饋電結構也需要有足夠的帶寬。圖5中標注“2”的結構即為寬帶饋電結構。饋電結構基于Marchand巴倫設計，先根據天線結構特征將Marchand巴倫基于帶狀線設計成環狀結構，再通過多級開孔實現多級阻抗轉換，從而實現多級阻抗匹配的寬帶特性。

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本文天線工作頻率范圍為2～18 GHz，在主從邊界條件下建立模型，如圖6所示。

圖6 天線模型示意圖

選取不同頻點進行仿真，得到天線的增益如圖7～圖9所示。

圖7 f=3 GHz不掃描時天線增益

圖8 f=10 GHz不掃描時天線增益

圖9 f=17 GHz不掃描時天線增益

由表1可得，當頻率在2～18 GHz變化時，頻率越臨近兩邊邊界，天線的口徑效率越小，在60%左右；越到中心頻點處，口徑效率越高，在10 GHz可達到92.57%的效率。

表1 不同頻點參數對比圖

以10 GHz為例，當天線分別沿軸和軸進行-45°～ 45°掃描時，得到天線的增益如圖10～圖13所示。

圖10 f=10 GHz天線沿X軸正向掃描45°時天線增益

圖11 f=10 GHz天線沿X軸負向掃描45°時天線增益

圖12 f=10 GHz天線沿Y軸正向掃描45°時天線增益

圖13 f=10 GHz天線沿Y軸負向掃描45°時天線增益

從表2可得，在相同頻率下，天線不掃描時天線口徑效率最高，當天線沿軸或軸開始掃描時，增益降低，相應的天線口徑效率也減小，但是天線掃描角度在±45°之內時，天線口徑效率都達到了60%左右。

表2 10 GHz時不同方向掃描參數對比圖

綜合表1和表2，可證明該天線的強耦合結構和多級阻抗匹配結構設計，使得天線具備2～18 GHz的寬頻帶適應性，并且在俯仰和方位-45°～45°都能進行有效掃描。

2 基于光延時網絡的光控陣波束形成方法

基于上述內容，本文提出了一種融合了寬帶陣列天線、微波光子延時網絡的寬帶光控陣波束形成方法，具體為：

(1) 通過寬帶陣列天線進行波束掃描獲得多組檢測射頻信號。寬帶陣列天線采用第2節內容中描述的寬帶緊耦合陣列和平面陣列天線相結合的形式，與系統波控配合能實現寬帶二維波束掃描，也可僅連接其中一行或一列實現一維波束掃描。圖14為8×8陣元的二維天線陣列示意圖。

圖14 8×8陣元天線陣列示意圖

(2) 為提高天線波束掃描的靈活性，精密控制各天線單元以實現低的空間旁瓣，需要對每一天線單元提供波束控制信號。

根據波束掃描需求得到波束指向角，由公式(1)計算獲得電磁波波程差，再根據公式(2)計算獲得延時信息，通過這些延時信息生成控制碼。通過控制到達每個陣元的信號延時，實現天線陣元合成波束的二維掃描，則：

Δ=·sin

(1)

(2)

式中：為陣元間距；為波束指向角；Δ為2陣元間電磁波波程差；為延時信息。

圖15為4×4陣列天線波控設計示意圖。

圖15 4×4陣列天線波控設計示意圖

(3) 將多組檢測射頻信號分別轉換為對應的光信號，根據生成的控制碼對得到的光信號進行對應的光延時處理，獲得檢測光信號，再將檢測光信號解調為延時后的檢測射頻信號。

光延時處理單元包含調制模塊、時延處理模塊和解調模塊。調制模塊用于將接收到的多組檢測射頻信號分別轉換為對應的光信號；時延處理模塊與產生控制碼的波控單元相連接，用于通過接收到的控制碼對接收到的光信號進行對應的光延時處理，精確控制光學延時獲得檢測光信號；解調模塊用于將檢測光信號轉換為延時檢測射頻信號。由此，完成多路“射頻變光+可控光延時+光變射頻”功能，與裝置配合實現多通道射頻信號的延時控制，控制分辨率可達皮秒級。圖16所示為高精度延時網絡示意圖。

圖16 高精度延時網絡示意圖

以4階延遲網絡為例，若光纖1～4的延時量分別為10 ps、20 ps、40 ps和80 ps，通過控制光開關的通斷選擇，可實現延時從0 ps 到150 ps，步進為10 ps，共16種延時狀態。

(4) 將延時檢測射頻信號先進行放大處理，再合成射頻檢測信號，最后輸出至電子信號處理設備。

3 結束語

該寬帶光控相控陣實現方案，應用了寬帶陣列天線技術，通過天線的強耦合結構和多級阻抗匹配結構設計，使得陣列天線可以在2～18 GHz寬頻帶、俯仰和方位掃描范圍-45°～45°進行有效的波束掃描；應用光真實延時技術，通過可預先設置的光延時網絡控制碼，對接收的多路射頻信號進行光延時處理，最終實現了2～18 GHz頻率范圍內寬帶射頻信號的接收和波束掃描。

基于以上優點，寬帶光控相控陣可廣泛應用于雷達系統設計中，全面提升空間目標探測能力；若與電子對抗相結合，還可應用于電子對抗設備升級換代中，實現微波光子學與電子對抗技術的融合，提升傳統電子對抗裝置的性能。