星載雷達(dá)有源相控陣天線輕量化技術(shù)

1引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)，基于星載平臺的雷達(dá)探測已成為軍事偵察和戰(zhàn)略預(yù)警的重要手段。隨著應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，更多新型星載雷達(dá)的研制已提上日程。這些不同類型的星載雷達(dá)在分辨率、工作模式以及部署軌道高度方面都有更高的要求，考慮到其基于衛(wèi)星平臺發(fā)射和在空間環(huán)境下應(yīng)用的特性，如何控制雷達(dá)載荷重量，即實現(xiàn)雷達(dá)的輕量化成為研制過程中迫切需要解決的共性問題。

星載雷達(dá)的輕量化主要集中于對天線的輕量化。近年來，有源相控陣天線由于具有波束靈活可控以及高可靠性的優(yōu)勢，在星載雷達(dá)上的應(yīng)用已日趨廣泛，其重量也通常占到整個雷達(dá)載荷重量的80%以上。未來星載雷達(dá)要有效完成高分辨率對地成像、快速動目標(biāo)實時搜索跟蹤等軍事任務(wù)，需要具備更大口徑和更強(qiáng)的電性能。在口徑不斷增大、電性能指標(biāo)不斷提高以至設(shè)備量越來越多的情況下，如采用傳統(tǒng)相控陣設(shè)計方法，天線重量將呈現(xiàn)指數(shù)級的增長，必然造成載荷重量及體積過大，難以適應(yīng)發(fā)射要求。此外，為滿足空間多星組網(wǎng)應(yīng)用需要，雷達(dá)的小型化、低成本也同樣需要天線在保證性能的前提下解決輕量化的問題。

實現(xiàn)相控陣天線的輕量化，不僅可為整個雷達(dá)系統(tǒng)的重量控制做出更大貢獻(xiàn)，同時由于天線在集成度方面的不斷提高，客觀上也將對雷達(dá)性能的提升產(chǎn)生較大地推動作用。輕量化天線技術(shù)作為未來星載相控陣天線技術(shù)發(fā)展的主流方向，涉及先進(jìn)的設(shè)計思想、設(shè)計手段、材料、器件以及制造工藝，涵蓋有源相控陣天線技術(shù)的幾乎全部方面，已事實上成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究重點。

2技術(shù)趨勢分析

星載有源相控陣天線現(xiàn)多用于星載合成孔徑雷達(dá)，設(shè)計上均采用模塊化設(shè)計，即將全陣劃分為多個獨立模塊，模塊內(nèi)由沿距離向排列的輻射子陣（子陣內(nèi)單元沿方位向排列）及配套設(shè)備構(gòu)成：每個子陣接入獨立的T/R組件，通過進(jìn)行模塊級別的分布式供電和控制，實現(xiàn)輻射子陣級別的幅度、相位獨立控制，從而滿足雷達(dá)提出的僅距離向一維波束掃描或準(zhǔn)二維波束掃描要求。

從發(fā)展趨勢來看，國外在星載雷達(dá)相控陣天線方面的發(fā)展已呈現(xiàn)出明顯的輕量化態(tài)勢。表1列出了若干近年來國外已發(fā)射或待發(fā)射的星載SAR相控陣天線的關(guān)鍵參數(shù)。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)來看，較低頻段（指L、C波段）天線由于單個組件輸出功率較大，T/R組件數(shù)量相對較少，單位面積重量偏低，為40kg/m2左右；而對于X波段工作天線，組件輸出功率低且數(shù)量大，天線則重得多?，F(xiàn)已發(fā)射的TerraSAR-X平均重量在100kg/m2以上，預(yù)定在2010年發(fā)射的Discover-II，工作于X波段，天線口徑為40m2，在組件數(shù)量達(dá)2800個的情況下，平均重量僅為37.5kg/m2，可見該天線的設(shè)計在集成化、輕量化方面將有較大的突破。

盡管不同技術(shù)指標(biāo)要求（包括天線口徑、功率密度、工作帶寬、掃描能力、極化方式等）直接影響天線設(shè)備量，從而導(dǎo)致天線在重量上的差異，但不論是以單位面積重量或單位功率孔徑積重量來衡量，表1均顯示星載雷達(dá)有源相控陣天線的重量控制水平正在不斷提高。

表1國外星載雷達(dá)相控陣天線參數(shù)

2.2天線設(shè)備組成與重量分布

基于對目前有源相控陣天線的重量組成分析，可為實現(xiàn)天線的進(jìn)一步輕量化提供參考依據(jù)。傳統(tǒng)形式的星載相控陣天線方案多為層疊結(jié)構(gòu)，單機(jī)通過大量電纜進(jìn)行連接。圖1列舉了一典型的星載X波段距離向一維相掃有源相控陣天線內(nèi)部重量的分配情況，可大致說明現(xiàn)有相控陣天線設(shè)計方案中各部分的重量比例關(guān)系。由圖中數(shù)據(jù)可知，按現(xiàn)有的天線設(shè)計方案，無源網(wǎng)絡(luò)部分（高頻饋電網(wǎng)絡(luò)和低頻電纜）總重量占到天線總重的30%以上，比例最大；其次為輻射天線，比例約占2成；結(jié)構(gòu)框架、T/R組件和供電控制設(shè)備重量也分別占10%以上。

圖1典型星載有源相控陣天線的重量分配

隨著新型雷達(dá)對天線掃描范圍要求的不斷擴(kuò)大（一維距離向掃描擴(kuò)展到二維大角度掃描），直接使得天線子陣規(guī)模變小，天線形式將升級為近似全有源相控陣天線，此時天線所含T/R組件數(shù)量將成倍增加，與其配套的高低頻網(wǎng)絡(luò)、供電和控制設(shè)備數(shù)量必然隨之增長。根據(jù)現(xiàn)有天線的設(shè)計模式，此時天線內(nèi)部T/R組件、高低頻網(wǎng)絡(luò)及供電和控制設(shè)備的重量比例將急劇上升，這將導(dǎo)致所設(shè)計的天線無論是在重量上還是體積上都無法適應(yīng)空間應(yīng)用需要。

可見，要實現(xiàn)天線的輕量化，就必須優(yōu)先考慮對上述六部分尤其是T/R組件和網(wǎng)絡(luò)部分的減重，其余部分如展開機(jī)構(gòu)等所占重量比例相對較低，且設(shè)計相對獨立，可獨立進(jìn)行研究。

3輕量化技術(shù)措施與研究重點

3.1新型系統(tǒng)方案

實現(xiàn)星載有源相控陣天線的輕量化，需要從具體的應(yīng)用需求出發(fā)，采取由上而下的減重策略：即先從天線架構(gòu)上進(jìn)行突破，優(yōu)化整體設(shè)計方案，再基于新的設(shè)計架構(gòu)，發(fā)展相應(yīng)的底層設(shè)計技術(shù)，最終實現(xiàn)對高性能天線的輕量化。

3.1.1輕型低剖面方案

直觀上看，將基于傳統(tǒng)方案設(shè)計的各型單機(jī)直接進(jìn)行對接，即可省去互連電纜，大幅降低電纜重量比重。而考慮到星載相控陣天線厚度受限，要實現(xiàn)單機(jī)的直接對接，勢必引起天線分層方式的根本性變化，傳統(tǒng)的單機(jī)獨立設(shè)計結(jié)合電纜連接的實現(xiàn)方案，將由新型的單機(jī)分層布局結(jié)合盲插互連的低剖面設(shè)計方案替代，這一新型星載相控陣設(shè)計方案如圖2所示。其重點在于實現(xiàn)T/R組件的小型化及對功分網(wǎng)絡(luò)和電纜的進(jìn)一步減重。

圖2低剖面相控陣天線剖面結(jié)構(gòu)示意圖