星載雷達有源相控陣天線(xiàn)輕量化技術(shù)

1引言

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

星載雷達的輕量化主要集中于對天線(xiàn)的輕量化。近年來(lái)，有源相控陣天線(xiàn)由于具有波束靈活可控以及高可靠性的優(yōu)勢，在星載雷達上的應用已日趨廣泛，其重量也通常占到整個(gè)雷達載荷重量的80%以上。未來(lái)星載雷達要有效完成高分辨率對地成像、快速動(dòng)目標實(shí)時(shí)搜索跟蹤等軍事任務(wù)，需要具備更大口徑和更強的電性能。在口徑不斷增大、電性能指標不斷提高以至設備量越來(lái)越多的情況下，如采用傳統相控陣設計方法，天線(xiàn)重量將呈現指數級的增長(cháng)，必然造成載荷重量及體積過(guò)大，難以適應發(fā)射要求。此外，為滿(mǎn)足空間多星組網(wǎng)應用需要，雷達的小型化、低成本也同樣需要天線(xiàn)在保證性能的前提下解決輕量化的問(wèn)題。

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

2技術(shù)趨勢分析

星載有源相控陣天線(xiàn)現多用于星載合成孔徑雷達，設計上均采用模塊化設計，即將全陣劃分為多個(gè)獨立模塊，模塊內由沿距離向排列的輻射子陣（子陣內單元沿方位向排列）及配套設備構成：每個(gè)子陣接入獨立的T/R組件，通過(guò)進(jìn)行模塊級別的分布式供電和控制，實(shí)現輻射子陣級別的幅度、相位獨立控制，從而滿(mǎn)足雷達提出的僅距離向一維波束掃描或準二維波束掃描要求。

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

盡管不同技術(shù)指標要求（包括天線(xiàn)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(xiàn)設備量，從而導致天線(xiàn)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(lái)衡量，表1均顯示星載雷達有源相控陣天線(xiàn)的重量控制水平正在不斷提高。

表1國外星載雷達相控陣天線(xiàn)參數

2.2天線(xiàn)設備組成與重量分布

基于對目前有源相控陣天線(xiàn)的重量組成分析，可為實(shí)現天線(xiàn)的進(jìn)一步輕量化提供參考依據。傳統形式的星載相控陣天線(xiàn)方案多為層疊結構，單機通過(guò)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(xiàn)內部重量的分配情況，可大致說(shuō)明現有相控陣天線(xiàn)設計方案中各部分的重量比例關(guān)系。由圖中數據可知，按現有的天線(xiàn)設計方案，無(wú)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(xiàn)總重的30%以上，比例最大；其次為輻射天線(xiàn)，比例約占2成；結構框架、T/R組件和供電控制設備重量也分別占10%以上。

圖1典型星載有源相控陣天線(xiàn)的重量分配

隨著(zhù)新型雷達對天線(xiàn)掃描范圍要求的不斷擴大（一維距離向掃描擴展到二維大角度掃描），直接使得天線(xiàn)子陣規模變小，天線(xiàn)形式將升級為近似全有源相控陣天線(xiàn)，此時(shí)天線(xiàn)所含T/R組件數量將成倍增加，與其配套的高低頻網(wǎng)絡(luò )、供電和控制設備數量必然隨之增長(cháng)。根據現有天線(xiàn)的設計模式，此時(shí)天線(xiàn)內部T/R組件、高低頻網(wǎng)絡(luò )及供電和控制設備的重量比例將急劇上升，這將導致所設計的天線(xiàn)無(wú)論是在重量上還是體積上都無(wú)法適應空間應用需要。

可見(jiàn)，要實(shí)現天線(xiàn)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(kāi)機構等所占重量比例相對較低，且設計相對獨立，可獨立進(jìn)行研究。

3輕量化技術(shù)措施與研究重點(diǎn)

3.1新型系統方案

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

3.1.1輕型低剖面方案

直觀(guān)上看，將基于傳統方案設計的各型單機直接進(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(xiàn)厚度受限，要實(shí)現單機的直接對接，勢必引起天線(xiàn)分層方式的根本性變化，傳統的單機獨立設計結合電纜連接的實(shí)現方案，將由新型的單機分層布局結合盲插互連的低剖面設計方案替代，這一新型星載相控陣設計方案如圖2所示。其重點(diǎn)在于實(shí)現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(xiàn)剖面結構示意圖