星載SAR有源相控陣天線集成架構發展與關鍵技術

王志剛 陳梁玉 楊聽廣 張先鋒

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

星載合成孔徑雷達(SAR)是一種主動微波成像裝置，是將雷達安裝在衛星平臺上，利用衛星平臺與觀測目標之間的相對運動而引起的多普勒頻率變化進行數據處理來獲取大面積、高質量的圖像。圖像在抗災救災、國土資源普查、農業領域以及軍事領域得到了廣泛的應用。星載SAR具備穿透云層和黑暗的能力，因此能在任何時間、任何天氣情況下對目標進行觀測和成像[1]。

星載SAR的核心組成部分是天線系統，決定著星載SAR的性能。有源相控陣天線是星載SAR天線的主要類別之一，有源相控陣天線具有波束控制靈活、掃描角度大等特性，越來越廣泛應用在雷達系統中，也將成為未來大口徑星載SAR雷達的主流技術。未來星載SAR要實現高分辨對地成像等任務，較大的口徑和較強的電性能是必不可少的要求，這也造成了系統的復雜度和設備量急劇增加。而衛星平臺、火箭發射能力和效費比等因素又制約著SAR載荷的體積、質量和成本。綜合國內外在軌應用或者正在研制的星載SAR，輕質、大口徑、高性能的星載有源相控陣天線，己成為當前星載有源相控陣天線研究領域的熱點[2-4]。

由于材料、工藝和元器件等技術的限制，在早期的有源相控陣天線系統中，每個功能模塊或單機獨立存在，并且體積、質量和功耗都居高不下。而且每個功能模塊或單機之間一般采用高頻電纜和低頻電纜連接的方式進行射頻信號與和低頻信號的傳輸。隨著微波系統中有源通道數量的增多，每個功能模塊或單機之間的連接器和電纜數量也隨之增多，使得其體積、質量增加，占用較多的空間尺寸，其電纜走線關系復雜、電纜交錯盤繞，電纜的安裝固定繁瑣，對系統的輕小型化和可維修性帶來很大不便[5]。據有關統計，在傳統的星載有源相控陣天線中，天線系統總質量中無源部分(饋電網絡和高低頻電纜)質量占比30%以上，比例最高[6]。因此，傳統的設計方法不能滿足衛星平臺對體積質量的要求，必須采用新的設計思路和集成方法。

本文在總結國內外星載有源相控陣天線研究現狀的基礎上，介紹了3種典型的有源相控陣天線架構設計：傳統磚塊式有源相控陣天線架構設計、一體化有源相控陣天線架構設計和片式有源相控陣天線架構設計，并比較了其優缺點。提出了星載有源相控陣天線的發展趨勢：柔性薄膜有源相控陣天線，并介紹了其關鍵技術。

1 星載有源相控陣天線研究現狀

1.1 國外星載有源相控陣天線研究現狀

以美國和歐洲為代表的國外星載SAR發展迅速，其核心組成部分即天線，從反射面體制發展到多功能、多工作模式的有源相控陣體制，有源相控陣天線技術得到了充分的研究和應用。

雷達衛星2號(RadarSat-2)SAR天線是由加拿大MDA公司為滿足全球對地觀測市場的需求而研制開發的有源相控陣天線。整個天線分成了4個陣面，每個陣面上安裝了天線輻射單元、收發(T/R)組件、列驅動單元和相關的電源、控制和射頻信號互連線纜以及配電網絡，如圖1所示。陣面采用一體化的鋁制結構，其優勢是更輕的質量和更佳的結構效率[7]。

圖1 RadarSat-2 SAR天線陣面總成布局圖

陸地合成孔徑雷達(TerraSAR-X)是德國航空航天中心和Astrium Gmbh公司聯合設計開發的X頻段合成孔徑雷達。天線前端包含了12個電氣陣面，每個陣面分成了32個子陣，圖2是天線陣面示意圖。每個子陣由1個水平極化和1個垂直極化裂縫波導和連接到波導上的T/R組件組成。陣面還有2個射頻分配網絡和1個電源模塊。射頻分配網絡包含微帶功分器和面板與中央電子設備之間的同軸電纜[8]。

圖2 TerraSAR-X天線陣面

從RadarSat-2 SAR天線和TerraSAR-X天線來看，系統的集成度仍然較低，大都采用獨立單機設計加工組裝的方式，但都采用模塊化設計，這種模式有利于天線的安裝集成和擴展。

為解決傳統星載有源相控陣天線體積、質量過于龐大和集成度低的問題，國外進行了大量研究。一方面采用集成技術，另一方面采用柔性薄膜技術實現有源相控陣天線質量面密度大幅度縮減。

地中海盆地觀測小衛星星座系統(COSMO-SkyMed)是意大利空間局和國防部共同資助的一個4衛星星座。天線分成了3個機械陣面，每個陣面包含40個瓦片。天線是由瓦片和其他無源部分組成的。瓦片天線安裝在鋁陣面框架上，它是一個具有完全功能的有源相控陣天線，包括4列每列8個水平和垂直雙極化輻射單元，每列對應8個雙極化T/R組件以及延遲組件、波束控制器和2個電源模塊。瓦片天線內部分成了7個獨立的空間，T/R組件占了4個空間，電源單元分配了2個空間，另一個用于數字控制器和延遲組件。瓦片天線的散熱是通過安裝在瓦片天線背面的7個獨立的蓋板來實現的。通過在T/R組件的熱區域放置熱填料來改善T/R組件與瓦片天線的熱交換。圖3展示了瓦片天線內部和外部情況。

圖3 COSMO-SkyMed 瓦片天線內部

圖4是COSMO-SkyMed輻射單元的截面圖，輻射單元由12層共線極化貼片天線組成，通過縫隙耦合將射頻信號饋給功分網絡。輻射單元使用了兩個功分網絡，每個功分網絡分別連接一種線極化的天線端口。天線通過盲插連接器與有源模塊互連。8個輻射單元集成在一起形成一個輻射板[9]。

圖4 COSMO-SkyMed輻射單元截面圖

德國航空航天中心資助的智能天線終端(Smart Antenna Terminal，SANTANA)項目介紹了一個高度集成的Ka頻段有源天線前端模塊架構的概念和設計。由于采用了數字波束形成技術，需要適當的系統架構來處理高頻率帶來的天線集成密度高的問題。它將天線、射頻電路和冷卻系統集成在一個功能模塊中，實現了機電熱一體化設計。圖5是有源模塊射頻電路示意圖，模塊的背面是天線，射頻電路與天線在一個模塊中集成減少了高頻互連的數量并減少了總體尺寸[10]。

圖5 SANTANA 模塊射頻電路

美國噴氣推進實驗室(JPL)圍繞柔性薄膜有源相控陣天線研究已開展了多年的工作。JPL在前期的三層無源天線的基礎上進一步研制了集成T/R組件和功分網絡的2×4個單元柔性薄膜有源相控陣天線(見圖6)。該天線僅有2層，第一層是有源電路層，第二層是無源電路層。T/R組件位于接地面背面，并通過狹槽與天線貼片單元射頻耦合。T/R組件是一個基于柔性基板的混合多層模塊，它是獨立組裝和連接到薄膜天線上的。每個薄膜層是一種商用的覆銅全聚酰亞胺柔性電路材料制成的[11]。

圖6 JPL柔性薄膜天線架構

1.2 國內星載有源相控陣天線研究現狀

為降低有源天線的質量和體積，國內在結構功能一體化天線和片式有源天線集成以及柔性薄膜天線方面也進行了很多研究。

文獻[12]所闡述的星載SAR有源天線系統包括輻射單元、有源模塊、電源/控制模塊和安裝板等。天線陣面應用了結構功能一體化天線技術的設計思想，將結構、熱控和安裝件進行融合，將機電熱功能進行合并，以及采用智能電路板等技術，研制開發了一體化模塊樣件，該樣機包含鋁波導輻射單元、蜂窩夾層一體化天線安裝板、輕質多芯片組件等。

文獻[13]針對有源相控陣天線在飛行器平臺的適應性需求，提出了一種結構功能一體化天線，該天線可與飛行器平臺進行深度融合。它將輻射陣面、收發組件、饋電網絡和熱控系統進行高密度集成設計，并加工制造了一個原理樣機。

文獻[14]研制了一個X頻段片式有源天線模塊樣機，該樣機采用了片式收發組件、多功能板饋電以及微型盲配同軸連接器等技術，通過一體化集成和片式組裝，將64個單元的天線輻射陣面、64個片式收發組件、9個1分8功分網絡和1個多功能板集成在一起。

文獻[15]設計了一個1×4單元的柔性薄膜有源相控陣天線，該天線在柔性聚酰亞胺薄膜的基體上集成了線極化天線、微型T/R組件、功分網絡、控制線和供電線。

1.3 星載有源相控陣天線的特點

綜合以上國內外研究，星載有源相控陣天線有如下特點。

(1)模塊化：在設計上引入模塊化思想，使得有源天線單機和陣面能夠像積木一樣組裝和擴展，有助于天線設計標準化和安裝互換化，提高了天線的維修性和適應性，降低了天線的成本。

(2)結構功能一體化：模塊化雖然實現了有源相控陣天線靈活、快速和可擴充式裝配，但是模塊化的單機和天線陣面具有重復結構，并不能有效的降低天線質量面密度。結構功能一體化將相同或相似的結構和功能進行融合，天線的結構承載性能、電性能、熱控性能以及抗空間環境能力一體化，從而實現天線的輕小型化。

(3)片式集成化：隨著高密度集成技術的發展，有源相控陣天線能夠將多個平行分布的功能瓦片通過垂直互連技術集成在一起。同時微波電路和數字電路的高度集成化減少了功能瓦片的數量，免去了不同功能瓦片之間的互連。

(4)智能化：隨著現代電子科技和制造水平的極大提高，將具有感知、處理和動態調整功能的先進傳感器布置在天線陣面上以及系統內部智能化的電子元器件實現天線陣面動態測量，并提供實時補償，以保證天線陣面的剛性和平面度。

(5)柔性薄膜化：剛性天線已不能滿足未來中高軌星載SAR對體積和質量的要求，而柔性薄膜由于其特殊的結構和形態特點可以顯著地降低天線的質量和體積。

2 架構設計

國內外對星載SAR有源相控陣天線的集成架構做了大量研究。本文介紹3種典型的架構設計：傳統磚塊式有源相控陣天線架構設計、一體化有源相控陣天線架構設計和片式有源相控陣天線架構設計。

2.1 傳統磚塊式有源相控陣天線架構設計

在早期傳統的有源相控陣天線中，由于體積、質量和電性能指標的要求不高，通常采用經典的功能模塊或者單機的形式進行任務劃分、下發和設計加工。一般把這種有源相控陣天線稱作磚塊式有源相控陣天線，磚塊式意味著厚重。這種有源相控陣天線的每個功能模塊或者單機是獨立的個體，均有各自獨立的功能件和結構件。在接口設計中，需要規定功能模塊或單機的外形尺寸、機械接口、電接口以及熱接口。這種設計的優點是功能模塊或者單機獨立設計、簡單可靠，每個功能模塊或者單機之間界面清晰；缺點是每個功能模塊或者單機的結構件存在重合部分，功能模塊或者單機用緊固件安裝在結構板上，功能模塊或者單機之間電連接關系復雜。因此造成有源相控陣天線剖面高度較大，質量面密度較大。

圖7是某磚塊式星載磚塊式有源相控陣天線架構設計剖面示意圖，該有源相控陣天線采用模塊化設計，包含碳纖維框架、有源安裝板、波導天線、T/R組件、功分網絡、波控與電源等單機和結構件。按傳統磚塊式布局，T/R組件和功分網絡安裝在有源安裝板的一側，波控與電源安裝在有源安裝板另一側。有源安裝板內預埋熱管，熱管的作用是為有源單機均熱、散熱，并保證T/R組件的溫度一致性。因此有源安裝板既是各單機的結構支撐件，同時也是T/R組件、波控與電源的散熱通道。波導天線和有源安裝板通過碳纖維框架安裝在一起，形成一個完整的有源相控陣天線。各單機之間通過低頻電纜和高頻電纜實現互連。該有源相控陣天線剖面高約174 mm，質量面密度約93 kg/m2。

圖7 某磚塊式有源相控陣天線架構剖視圖

2.2 一體化有源相控陣天線架構設計

從圖7中可以看出，波導天線和T/R組件之間采用高頻電纜連接。但是由于波導天線和有源安裝板之間被碳纖維框架封閉成一個近似不開放的空間，高頻電纜安裝固定非常困難，操作非常不方便。高頻電纜連接要預留足夠的安裝和操作空間，因此造成有源相控陣天線的剖面高。而且為了保證不同通道的幅相一致性，高頻電纜一般采用等長設計，因此造成了高頻電纜質量大幅度增加。由于電纜等長和系統布局的影響，高頻電纜品種也繁多，給生產、試驗和裝配造成了諸多不便。為滿足衛星發射平臺的要求，作為有效載荷的有源相控陣天線進行了部分輕小型化設計，但是受制于磚塊式有源相控陣天線的體系架構，輕小型化設計效果有限。為此我們提出了一體化設計的思想，以降低有源相控陣天線剖面高度和質量為目標，將垂直互連技術引入有源相控陣天線設計中，把部分結構和功能進行融合，形成了一體化有源相控陣天線。

圖8為某一體化有源相控陣天線架構剖面示意圖。該一體化有源相控陣天線同磚塊式有源相控陣天線相比，最明顯的區別是取消了有源安裝板，將有源安裝板的結構和功能融合到波導天線中。將T/R組件、功分網絡和延時放大組件等單機直接平鋪安裝在波導天線的背面，用盲配射頻連接器垂直互連代替了波導天線和T/R組件之間的高頻電纜連接。通過上述設計，有源相控陣天線的剖面高度和質量得到了明顯降低和減輕。同時，該設計有助于有源相控陣天線的模塊化。該有源相控陣天線剖面高約44 mm，質量面密度約51 kg/m2。

圖8 某一體化有源相控陣天線架構剖視圖

2.3 片式有源相控陣天線架構設計

雖然一體化有源天線模塊相比磚塊式有源天線模塊降低了剖面高度和質量，但是其余單機之間仍然采用了高頻電纜和低頻電纜進行連接。高頻電纜和低頻電纜之間連接關系復雜，電纜走線路徑需要專門設計，對于大口徑、高密度、輕量化的星載有源天線來說，電纜的質量和密集的電纜走線路徑是需要解決的問題。為應對未來新一代的空天飛行器平臺對天線體積、質量的更高要求，片式有源相控陣天線是實現大口徑、高性能相控陣雷達的優選方案之一。

片式有源相控陣天線相對磚塊式而言，將平行于天線陣面的天線組成部分分為若干個輕薄的功能瓦片，采用分層疊加集成組裝技術，將多個不同功能的瓦片進行垂直互連[16]。

圖9是某片式有源相控陣天線架構剖面示意圖，該片式有源相控陣天線以去電纜為設計思路，通過彈性連接器、微型盲配連接器和彈性毛紐扣進行高頻和低頻信號垂直互連，將片式有源相控陣天線的輻射層、背腔兼結構/熱控層、片式T/R組件層和綜合饋電網絡層高密度集成在一起。相對于傳統有源天線，體積和質量都得到了降低和減輕，實現了輕小型化設計。該有源相控陣天線剖面高約31 mm，質量面密度約39 kg/m2。

圖9 某片式有源相控陣天線架構剖視圖

2.4 3種有源相控陣天線架構的比較和應用

上述3種有源相控陣天線架構是根據不同的總體技術指標設計的，各有其優點和缺點。表1對上述3種有源相控陣天線架構的剖面高度、質量面密度、集成度、成熟度、技術難度、應用前景及研制成本做了一個簡單的比較。從表1可以看出，磚塊式有源相控陣天線由于存在大量的多余結構和硬件冗余，導致體積和質量研制成本大幅上升[17]，已逐漸不適應發展要求。片式有源相控陣天線由于成熟度低，技術難度高，目前沒有廣泛應用。但是片式有源相控陣天線可以通過提高系統集成度、簡化系統架構、采用數字技術和多功能芯片技術來降低研制成本[18-19]。而一體化有源相控陣天線由于體積質量適中，集成度相比磚塊式有源相控陣天線有所提高，技術相對容易實現，成本也相對可控，可以成為星載有源相控陣天線的折衷選擇。商業小衛星SAR因市場化的需要，要求研發周期短、成本低、技術難度相對不大，因此一體化有源相控陣天線將成為未來商業小衛星SAR天線非常有競爭力的選擇之一。而片式有源相控陣天線可以應用在未來大規模陣面的星載雷達上。

表1 3種有源相控陣天線架構比較

3 架構發展趨勢分析

未來布置在中高軌的星載相控陣雷達需要甚大口徑的天線來完成相關的地球科學觀測任務，天線的口徑可能到達400～700 m2，目前傳統的有源相控陣天線質量面密度約為8～15 kg/m2[20]。要實現如此大口徑的天線，傳統的有源相控陣天線在體積、質量和成本上已無法滿足要求。星載有源相控陣天線的架構面臨著革命性和顛覆性的變化。柔性薄膜有源相控陣天線相對當前剛性板狀有源相控陣天線在體積、質量上更具有優勢，在技術上更具有先進性和前瞻性。柔性薄膜有源相控陣天線與剛性板狀有源相控陣天線相比，最大的不同是天線的安裝承載基體由剛性變成了柔性。柔性基體更利于大口徑天線陣面的折疊，實現包絡輕薄化。

柔性薄膜有源相控陣天線的架構是將輻射陣面、饋電網絡和T/R組件集成在柔性薄膜上，而電源、波控等獨立于柔性薄膜天線陣面之外。天線陣面的基體是多層覆銅薄膜，天線輻射單元和饋電網絡通過印制或者膠粘的方式固定在薄膜上。T/R組件則是在柔性基板上設計電路。T/R組件使用敞開式結構或者半敞開式結構使之與薄膜可以靈活兼容。柔性薄膜有源相控陣天線的架構設計在充分借鑒現有成熟的天線架構基礎上，要針對柔性薄膜材料的特點進行相應的適應性改進和創新突破。

4 關鍵技術

柔性薄膜有源相控陣天線作為一種有源相控陣天線實現的新型方式，在元器件、材料和體系架構等方面與傳統形式的有源相控陣天線有很大區別，需要集成化、一體化的新型設計技術。需要在柔性薄膜輻射陣面、輕小型柔性T/R組件、一體化柔性綜合饋電網絡、熱控設計和柔性薄膜天線陣面自動測量與調整等多個方面進行技術攻關和深入研究，解決大型柔性薄膜有源相控陣天線的設計、制造及測試問題。

1)柔性薄膜天線輻射陣面技術

在柔性薄膜上生產天線輻射陣面將面臨著以往在剛性基體上完全不同的挑戰。在保證電性能的前提下，柔性薄膜天線輻射陣面要解決天線輻射陣面和柔性薄膜一體化適應性問題，從設計仿真、材料選擇、試驗分析、生產工藝和測試等方面進行工程可實現性研究。

2)輕小型柔性T/R組件技術

輕小型柔性T/R組件技術是在傳統磚塊式T/R組件和新型片式T/R組件的基礎上，在多層柔性薄膜基板上開展有源收發系統集成技術。該技術需要解決基于柔性非平面的高密度和高效率微波電路系統、多芯片模塊的互連、元器件在柔性基板上的安裝固定以及敞開式或半敞開式環境下信號穩定等問題。

3)一體化柔性綜合饋電網絡技術

一體化柔性綜合饋電網絡面臨的技術難題與柔性天線輻射陣面和柔性T/R組件相似，有區別的是一體化柔性綜合饋電網絡不僅僅是微波電路，還涉及到數字信號甚至是電源的一體化設計。

4)熱控設計技術

柔性薄膜有源相控陣天線系統架構與傳統剛性的有源相控陣天線架構差別很大，其熱控設計必然是一個全新的挑戰。如何基于柔性薄膜構建高效熱控網絡，保證天線各部分正常工作，是亟需解決的問題。具體情況要考慮熱耗大小及分布、環境工況以及工程可實現性等，綜合系統的一體化集成進行設計。

5)柔性薄膜天線陣面自動測量與調整技術

柔性薄膜天線由于自身固有頻率不高，并且展開面積大，自身質量和外界微小擾動會導致天線陣面平面度發生變化。為防止天線陣面平面度惡化，將具有三維感知能力和動態調整功能的先進傳感器布置在天線陣面上以實現天線陣面平面度自動動態測量，并提供實時補償，以保證天線陣面的剛性和平面度。

5 結束語

傳統有源相控陣天線由于質量和體積的限制逐漸無法適應發射平臺對載荷輕小型化的要求，為此國內外從系統集成度和架構體系進行了大量研究。本文提出了星載有源相控陣天線的3種架構形式，并分析了星載有源相控陣天線的發展趨勢。隨著技術的發展，可以預料的是柔性薄膜化也不應是星載有源相控陣天線發展的唯一架構和發展路徑。未來星載合成孔徑雷達對地球觀測覆蓋率的提高和重訪時間的縮短，需要更高性能和極大口徑的有源相控陣天線，而最大的挑戰也許是天線口徑的極大化和天線質量的極小化。值得一提的是，隨著天線口徑不斷增加，電性能指標不斷提高的情況下，要實現超大規模星載有源相控陣天線的研制，需要對天線體積、質量、成本和性能進行全方位的均衡。只有對天線體系架構進行不斷創新和突破，對關鍵技術進行攻關，才能最終實現大口徑、輕質量和高性能的星載有源相控陣天線設計。