星載雷達有源相控陣天線(xiàn)輕量化技術(shù)

從整體結構上來(lái)看，該方案天線(xiàn)由上而下可分為五個(gè)層面，依次為輻射陣面、結構支撐層、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滿(mǎn)足的前提下，均設計為片式結構，通過(guò)結合盲插連接方式，進(jìn)而減輕天線(xiàn)重量。整個(gè)天線(xiàn)模塊的僅包含三種連接關(guān)系，即天線(xiàn)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)現無(wú)電纜式的相控陣天線(xiàn)模塊設計。

通過(guò)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(xiàn)內部各部分重量比例關(guān)系如圖3所示，其中無(wú)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(xiàn)平均重量可基本保持一維掃描狀態(tài)下的天線(xiàn)重量水平。

圖3低剖面相控陣天線(xiàn)內部重量比例分配

3.1.2薄膜相控陣天線(xiàn)方案

薄膜有源相控陣天線(xiàn)將用于滿(mǎn)足未來(lái)星載雷達天線(xiàn)的輕型、可展開(kāi)應用需求，尤其適用于大口徑（幾十至數百平方米）、低功率密度要求的應用場(chǎng)合，如天基預警雷達。薄膜式結構將給相控陣天線(xiàn)帶來(lái)革命性的變化，這類(lèi)大型柔性可展開(kāi)天線(xiàn)為獲得較輕天線(xiàn)重量和較小折疊體積，天線(xiàn)輻射陣面采用薄膜材料，展開(kāi)框架則采用充氣式柔性或剛柔結合支撐結構。

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

圖4示意了采用孔徑耦合微帶天線(xiàn)的薄膜相控陣天線(xiàn)剖面結構，與現有的輕型板狀天線(xiàn)結構相比，該型天線(xiàn)采用多層薄膜結構，利用周邊張緊機構實(shí)現大型膜面的平整度控制。通過(guò)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，并配以柔性或剛柔混合式展開(kāi)機構，薄膜相控陣天線(xiàn)不僅有望把天線(xiàn)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(xiàn)集成技術(shù)的發(fā)展。

圖4微帶天線(xiàn)結構的薄膜陣面剖面示意圖

3.2設備功能一體化及集成化設計

在新方案的基礎上，需要進(jìn)一步提升單機設計集成度，以適應新型天線(xiàn)方案的設計需求。

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)一體化設計，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(lèi)綜合網(wǎng)絡(luò )在解決多層微波與高速數字電路一體化仿真與設計技術(shù)、復雜信號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構更為緊湊、重量更輕、外形更為靈活[5]。這類(lèi)片式TR組件需研究微波多層基板制造、器件封裝、芯片檢測以及板間垂直互連等多項內容，具有高集成度的片式高集成T/R組件與當前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(xiàn)的可靠性，降低設計的復雜度，從而有利于簡(jiǎn)化設計，滿(mǎn)足天線(xiàn)整體輕量化的技術(shù)需要。在具體設計過(guò)程當中，采用高集成度的芯片器件，設計出切合有源陣系統的功能完善、可靠性高、功耗低且適應空間環(huán)境的分布式電源和波束控制模塊，通過(guò)與綜合饋電網(wǎng)絡(luò )的緊密結合，實(shí)現天線(xiàn)供電和波束控制系統小型化、高可靠的目標。

3.3.4輕型高精度支撐結構

相控陣框架結構在確保相控陣天線(xiàn)性能實(shí)現方面起著(zhù)重要作用。高精度、輕型化是天線(xiàn)結構面臨的重要研究課題。結構的設計實(shí)現需要密切配合天線(xiàn)陣面電性能設計，同時(shí)也強調自身重量的輕型化以及大尺寸下天線(xiàn)各部對接的精確性。因此一方面將優(yōu)化整體結構方案設計，同時(shí)還研究采用輕型的復合材料，從而保證天線(xiàn)不僅結構重量輕，而且強度高，且適應空間環(huán)境應用需要。

3.3輕量化技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)

實(shí)現星載有源相控陣天線(xiàn)的輕量化，是一項長(cháng)期系統的工程。圍繞這一目標，不僅需要有創(chuàng )新性的設計理念，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(xiàn)從設計到制造環(huán)節流程暢通。在設計理念方面，著(zhù)重于開(kāi)展輕量化天線(xiàn)的系統方案設計與優(yōu)化，從天線(xiàn)內部構造、布局以及機電一體化結合方面，進(jìn)行全局考慮，獲得系統最優(yōu)設計；與此同時(shí)，進(jìn)一步加強對適應于星載環(huán)境應用的高性能、高可靠和長(cháng)壽命集成器件的研發(fā)，包括對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(xiàn)從設計到制造環(huán)節的暢通，對高集成化天線(xiàn)涉及的關(guān)鍵工藝也需要大量的研發(fā)投入。

4結論

星載雷達技術(shù)的發(fā)展要求有輕量化的相控陣天線(xiàn)與之相適應。本文就現有星載雷達相控陣天線(xiàn)在輕量化方面面臨的技術(shù)問(wèn)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(xiàn)的輕量化，勢必要突破現有天線(xiàn)結構制式，利用新設計理論、輕型材質(zhì)、新器件以及新工藝來(lái)構建一體化的有源相控陣天線(xiàn)，以達到在大口徑下保持天線(xiàn)較小收攏體積和較輕重量的目的。從這個(gè)意義上來(lái)看，星載天線(xiàn)的輕量化，將不僅僅指天線(xiàn)在重量方面得到下降，同時(shí)也意味著(zhù)天線(xiàn)集成度和性能的進(jìn)一步提升，這將是一個(gè)長(cháng)期的、復雜的過(guò)程，其中涉及到的新技術(shù)，也正是保持相控陣天線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)先需要進(jìn)行的攻關(guān)內容。