星載雷達(dá)有源相控陣天線輕量化技術(shù)

從整體結(jié)構(gòu)上來看，該方案天線由上而下可分為五個(gè)層面，依次為輻射陣面、結(jié)構(gòu)支撐層、高集成饋電網(wǎng)絡(luò)、熱控層以及有源器件層（含組件、波控和電源）。上述各層在保證性能指標(biāo)滿足的前提下，均設(shè)計(jì)為片式結(jié)構(gòu)，通過結(jié)合盲插連接方式，進(jìn)而減輕天線重量。整個(gè)天線模塊的僅包含三種連接關(guān)系，即天線陣面、T/R組件、電源和波控分別與一體化饋電網(wǎng)絡(luò)盲插，從而實(shí)現(xiàn)無電纜式的相控陣天線模塊設(shè)計(jì)。

通過采用新型的分層式低剖面方案，在二維大角度掃描要求下，天線內(nèi)部各部分重量比例關(guān)系如圖3所示，其中無源饋電網(wǎng)絡(luò)的比例基本保持不變，T/R組件重量比例上升。天線平均重量可基本保持一維掃描狀態(tài)下的天線重量水平。

圖3低剖面相控陣天線內(nèi)部重量比例分配

3.1.2薄膜相控陣天線方案

薄膜有源相控陣天線將用于滿足未來星載雷達(dá)天線的輕型、可展開應(yīng)用需求，尤其適用于大口徑（幾十至數(shù)百平方米）、低功率密度要求的應(yīng)用場(chǎng)合，如天基預(yù)警雷達(dá)。薄膜式結(jié)構(gòu)將給相控陣天線帶來革命性的變化，這類大型柔性可展開天線為獲得較輕天線重量和較小折疊體積，天線輻射陣面采用薄膜材料，展開框架則采用充氣式柔性或剛?cè)峤Y(jié)合支撐結(jié)構(gòu)。

此型天線方案可在現(xiàn)有的平板式星載相控陣天線的基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)展。

圖4示意了采用孔徑耦合微帶天線的薄膜相控陣天線剖面結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的輕型板狀天線結(jié)構(gòu)相比，該型天線采用多層薄膜結(jié)構(gòu)，利用周邊張緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大型膜面的平整度控制。通過在薄膜陣面的各層集成先進(jìn)的輕型柔性T/R組件、高集成饋網(wǎng)、輕型電源及波控，并配以柔性或剛?cè)峄旌鲜秸归_機(jī)構(gòu)，薄膜相控陣天線不僅有望把天線平均重量降至10kg/m2以下，同時(shí)也將極大地推動(dòng)相控陣天線集成技術(shù)的發(fā)展。

圖4微帶天線結(jié)構(gòu)的薄膜陣面剖面示意圖

3.2設(shè)備功能一體化及集成化設(shè)計(jì)

在新方案的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步提升單機(jī)設(shè)計(jì)集成度，以適應(yīng)新型天線方案的設(shè)計(jì)需求。

3.2.1綜合饋電網(wǎng)絡(luò)

有源相控陣面中的電源、控制、微波饋電網(wǎng)絡(luò)采用綜合電路技術(shù)一體化設(shè)計(jì)，可以極大的提高陣面的性能和可靠性，同時(shí)減輕陣面重量、縮小體積。這類綜合網(wǎng)絡(luò)在解決多層微波與高速數(shù)字電路一體化仿真與設(shè)計(jì)技術(shù)、復(fù)雜信號(hào)完整性及電磁兼容分析技術(shù)、微波多層電路垂直互聯(lián)技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)后，有望使得饋電網(wǎng)絡(luò)整體重量得到大幅下降。

3.2.2高集成小型化T/R組件

新型三維架構(gòu)片式TR組件利用集成電路技術(shù)將眾多的有源器件集成在一塊襯底上，從而省掉組件之間電氣連接，一方面可減小損耗和噪聲，提高可靠性，另一方面也使得組件結(jié)構(gòu)更為緊湊、重量更輕、外形更為靈活[5]。這類片式TR組件需研究微波多層基板制造、器件封裝、芯片檢測(cè)以及板間垂直互連等多項(xiàng)內(nèi)容，具有高集成度的片式高集成T/R組件與當(dāng)前T/R組件重量相比，可減輕1/3以上。

3.3.3分布式電源與波控

采用分布式的電源和波束控制方案，一方面更有利于提高天線的可靠性，降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，從而有利于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，滿足天線整體輕量化的技術(shù)需要。在具體設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，采用高集成度的芯片器件，設(shè)計(jì)出切合有源陣系統(tǒng)的功能完善、可靠性高、功耗低且適應(yīng)空間環(huán)境的分布式電源和波束控制模塊，通過與綜合饋電網(wǎng)絡(luò)的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)天線供電和波束控制系統(tǒng)小型化、高可靠的目標(biāo)。

3.3.4輕型高精度支撐結(jié)構(gòu)

相控陣框架結(jié)構(gòu)在確保相控陣天線性能實(shí)現(xiàn)方面起著重要作用。高精度、輕型化是天線結(jié)構(gòu)面臨的重要研究課題。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)需要密切配合天線陣面電性能設(shè)計(jì)，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)自身重量的輕型化以及大尺寸下天線各部對(duì)接的精確性。因此一方面將優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，同時(shí)還研究采用輕型的復(fù)合材料，從而保證天線不僅結(jié)構(gòu)重量輕，而且強(qiáng)度高，且適應(yīng)空間環(huán)境應(yīng)用需要。

3.3輕量化技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)星載有源相控陣天線的輕量化，是一項(xiàng)長期系統(tǒng)的工程。圍繞這一目標(biāo)，不僅需要有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)也需要有先進(jìn)的器件、工藝技術(shù)相配合，確保整個(gè)天線從設(shè)計(jì)到制造環(huán)節(jié)流程暢通。在設(shè)計(jì)理念方面，著重于開展輕量化天線的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化，從天線內(nèi)部構(gòu)造、布局以及機(jī)電一體化結(jié)合方面，進(jìn)行全局考慮，獲得系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)；與此同時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)適應(yīng)于星載環(huán)境應(yīng)用的高性能、高可靠和長壽命集成器件的研發(fā)，包括對(duì)T/R組件、波控及二次電源變換相關(guān)器件；最后為確保天線從設(shè)計(jì)到制造環(huán)節(jié)的暢通，對(duì)高集成化天線涉及的關(guān)鍵工藝也需要大量的研發(fā)投入。

4結(jié)論

星載雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展要求有輕量化的相控陣天線與之相適應(yīng)。本文就現(xiàn)有星載雷達(dá)相控陣天線在輕量化方面面臨的技術(shù)問題以及研究重點(diǎn)進(jìn)行了探討。就目前技術(shù)狀態(tài)而言，星載相控陣天線的輕量化，勢(shì)必要突破現(xiàn)有天線結(jié)構(gòu)制式，利用新設(shè)計(jì)理論、輕型材質(zhì)、新器件以及新工藝來構(gòu)建一體化的有源相控陣天線，以達(dá)到在大口徑下保持天線較小收攏體積和較輕重量的目的。從這個(gè)意義上來看，星載天線的輕量化，將不僅僅指天線在重量方面得到下降，同時(shí)也意味著天線集成度和性能的進(jìn)一步提升，這將是一個(gè)長期的、復(fù)雜的過程，其中涉及到的新技術(shù)，也正是保持相控陣天線技術(shù)領(lǐng)先需要進(jìn)行的攻關(guān)內(nèi)容。