共形相控阵天线的应用与关键技术

第4期

2010年8月

Journal o f CAE I T

V o. l 5N o . 4

A ug . 2010

相控阵天线 专题

共形相控阵天线的应用与关键技术

张光义

(南京电子技术研究所, 南京 210039)

摘 要:相控阵天线技术在雷达、通信、电子战、导航等领域获得了广泛应用和高速发展, 共形相控阵天线是相控阵天线发展的重点之一。文中讨论了共形相控阵天线在雷达、通信、电子战等领域的广泛应用前景及推动共形相控阵天线发展的主要原因, 进而探讨了共形相控阵天线波束形成与扫描的原理及实现共形相控阵天线的一些关键技术。

关键词:共形相控阵天线; 相控阵天线; 有源相控阵天线

中图分类号:TN821. 8 文献标识码:A 文章编号:1673 5692(2010) 04 331 06

+

Applications and Key Technol ogies of Confor mal Phased Array Antenna

Z HANG Guang y i

(N an ji ng R esearch Institute o f E l ec tron i cs T echno l ogy , N anji ng 210039, Chi na)

A bstract :Phased array antenna techno logy has been app lied w i d ely and deve l o ped rapidly i n the fie l d s of radar , co mm un ication , electronic w arfare and nav i g ati o n . Confor m al phased array antenna techno logy is the focus o f developm ent of t h e phased array antenna . The broad application pr ospects and the pro m oti o n o f the develop m en t for confor m a l phased array antennas are discussed. The bea m for m i n g and scann i n g pri n ciples and so m e key technolog ies for i m ple m entati o n of confor m al phased array antenna are briefl y d iscussed in th is paper .

K ey words :phased array antenna ; confor m a l phased array antenna ; acti v e phased array antenna

线成本的降低, 相控阵天线技术除用于各种体制的

军用、民用雷达外, 在通信、电子战、导航等领域也获得了广泛应用。目前, 在这些领域所采用的相控阵天线基本上都是平面相控阵天线。充分满足各种先进雷达、通信等平台设计的需求促进了共形相控阵天线的发展。共形相控阵天线成了相控阵天线技术

[1, 2]

发展的一个重要方向。

平面相控阵天线中天线单元的排列方式一般均较有规律, 例如天线单元按等间距排列, 阵中天线单元的形状也基本上一样, 这有利于简化天线波束指向与波束形状的控制和降低研制成本。将阵列天线中各个单元安装在雷达平台的表面上, 使阵列天线的表面与雷达平台外形相吻合, 可形成 共形阵列天线 。如果将阵列天线中各个天线单元安装在一个圆形弧段、圆柱形或球形表面上, 可分别得到圆

[3, 4]

形、圆柱形与球形阵列天线。平面相控阵天线

0 引 言

相控阵天线具有波束指向和波束形状快速变化

的能力, 易于形成多个波束, 可在空间实现信号功率合成。这些特点使相控阵天线广泛应用于雷达、通信、电子战、导航等领域。采用相控阵天线技术的电子系统称为相控阵系统, 包括相控阵雷达系统、相控阵通信系统等。由于相控阵雷达可完成多种功能, 具有稳定跟踪多批高速运动目标的能力, 从上世纪60年代开始相控阵雷达技术获得了很大发展和应用, 当时主要用于解决弹道导弹预警与探测空间目标这一紧迫问题。从20世纪70年代开始, 相控阵天线越来越多地应用于各种战术雷达, 这主要是因为要实现多种雷达功能和提高雷达数据率。随着计算机、信号处理与微电子技术的进步以及相控阵天

收稿日期:2010 06 06 修订日期:2010 07 15

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可以看成是共形相控阵天线的特例。线方向时, 这一影响就更显严重。

2) 天线增益随扫描角增大而降低。当天线波束在方位与仰角方向上扫描角都增大时, 收、发双程天线增益降低使得相控阵天线在整个观察空域里发射信号功率分配极不均匀。

3) 平面相控阵列天线扫描范围窄。上述两个缺点限制了平面相控阵列天线的扫描范围。目前平面相控阵天线的最大扫描范围大体上均限制在 45 ~ 60 之间。

4) 平面相控阵列天线的瞬时信号带宽有限。平面相控阵列天线的瞬时信号带宽在大扫描角情况下难以实现。这是由于在大扫描角情况下平面阵列天线各单元辐射信号在到达目标时存在较大的时间差, 阵列两端辐射信号到达目标时的时间差将更大。必须在单元层面或子天线阵层面上采用实时延迟线以解决这一问题。

5) 难以实现宽角扫描匹配。相控阵天线单元之间存在互耦, 天线单元之间互耦的影响是随扫描角变化而变化的。当天线波束指向变化时, 各天线通道中移相器提供的相移值随之变化, 各天线单元通过互耦进入某一单元通道的相位关系会发生变化, 使其合成场强发生变化, 它与各通道中的主雷达信号合并后, 使各通道之间的信号发生相位与幅度误差, 难以实现宽角扫描匹配, 天线副瓣电平也往往随扫描角增大而抬高。采用共形相控阵天线在一定程度上可克服平面相控阵天线的上述缺点。

1 推动共形相控阵天线发展的主要原因

1. 1 适应发展先进电子平台的需求

为满足发展先进电子平台, 例如雷达观测平台、通信平台或其他综合电子系统平台的需要, 必须将天线安装在这些平台上, 共形相控阵天线可带来许多系统性能的改善。

1) 克服或降低天线对平台空气动力学性能的影响

将阵列中的天线单元安装在飞行器表面上, 使阵列天线的表面与飞行器表面相吻合, 形成 共形阵列天线 , 天线对飞行器表面空气动力学性能的影响将大为降低。雷达天线与作战平台的外表面 共形 , 有利于使各种先进的飞行器, 例如飞机、导弹、巡航导弹、卫星以及舰船等获得更高的作战性能。

2) 增大平台天线面积, 提高性能

以雷达为例, 为了避免雷达天线对飞行器或其他雷达运动平台空气动力学性能的影响, 通常将雷达天线安装在整流罩内, 天线安装空间受到很大限制, 不得不缩小雷达天线尺寸, 限制了雷达探测性能和测量精度与分辨率的提高。采用共形相控阵天线则有可能增加雷达天线的安装面积。例如, 对机载雷达来说, 若采用共形相控阵天线, 则可安装在机身、机翼、机头等部分, 有利于提高天线的有效利用面积、增加天线口径, 改善雷达性能。

3) 改善雷达平台的隐身设计

采用共形相控阵天线, 使武器平台外形的设计可首先按其隐身要求来进行, 雷达天线对隐身性能的影响变得较易解决。例如, 在隐身舰船设计中, 采用共形相控阵天线是一个重要技术途径。

2 共形相控阵天线波束扫描与形成的实现

2. 1 共形相控阵天线的方向图函数的表示

共形相控阵天线的性能与平面相控阵天线一样, 可用其天线方向图函数来表示。波束指向的改变速度与精确度反映相控阵天线的扫描特性; 天线波束宽度、副瓣电平及副瓣峰值分布与波束凹口位置与深度等是天线波束形状的主要特征。由方向图函数可评估天线波束的扫描特性与形状的主要特征。

先讨论共形相控阵天线的一般情况。设阵列天线的各个单元安装在一曲面上, 如图1所示, 只要知道各个天线单元在曲面上的坐标位置及其在阵中的单元方向图函数, 便可构建共形阵列天线的方向图函数。

若令N 个天线单元或子天线阵安装在图1所示的曲面上, 它们的位置分别为曲面上的N 个点,

[5]

1. 2 克服平面相控阵天线的一些缺点

平面相控阵列天线虽然具有波束高速扫描与波束形状可快速变化等优点, 但也存在一些缺点。这些缺点是促进共形相控阵天线发展的一个重要原因。

1) 天线波束宽度随天线波束扫描角变化。天线波束宽度 1/2( B ) 随扫描角度 B 增大而增大, 其关系为

1/2( B ) = 1/2/cos B

(1)

式中, 1/2为天线不扫描时的波束宽度。这导致雷达角度分辨率与测角精度变差。对二维相扫的平面相控阵雷达, 当天线波束在方位与仰角上均远离法

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移相器提供。为求 Bi , 需先求式(4) 中的 R i 。 R i 是曲面上第i 个天线单元到目标的距离(R i ) 与相位参考点到目标距离(R ) 的距离差值。 R i 可以用第i 个天线单元的位置矢量i 向的单位矢量的标量乘积来表示。第i 天线单元在阵面上的位置有多种表示方法。可用它在(x, y, z ) 坐标系里的投影来表示, 即

图1 曲面上N 单元阵列天线示意图

R i =i x i +j y i +k z i (6)

式中, i , j, k 为直角坐标系的单位矢量; x i , y i , z i 为矢量R i 在x, y, z 三个坐标轴上的投影; 目标方向矢量R 可用它们的方位余弦或以极坐标中的( , ) 分别表示为

R =i cos x +j cos y +k cos z

R =i cos cos +j cos cos +k si n 故 R i 可分别表示为

R i =x i cos x +y i cos y +z i cos z

(7)

(8) (9)

以其位置矢量r i 表示, i =0, 1, (N-1) 。设第i 个天线单元的场强方向图为f i ( , ), 第i 个天线单元的幅度与相位加权系数分别为a B i 和 B i , 即第i 个单元的复加权系数w i 为

w i =a B i e

-j

B i

(2)

令目标方向以矢量r 表示, 其对应的方位与仰角分别为 与 , 如图1(b ) 所示; 另外, 假定阵列的相位参考点选在图1中的坐标原点0, 则阵列中各天线单元在目标方向合成场强(即发射天线方向图函数) 可表示为

N -1

R i =x i cos cos +y i cos sin +z i si n (10) 第i 单元相对于相位参考点的时间差 i 与相位差 i 与 R i 对应, 它们分别为

R i i =, i = R (11)

c i i 当 R i 大于信号波长, 即 R i > 时, 移相器提

供的相移值是 i 去除2 整数倍后的相移值。当需要实现宽带共形阵时, 需要对 i 进行补偿。为了使天线波束的最大值指向( B , B ) 方向, 第i 个天线单元应提供的 阵内相位差 B i 可按以下二式之一进行计算。

B i =(xi cos xB +y i cos yB +z i cos zB ) (12)

2 Bi =(x i cos B cos B +(13) y i cos n B sin B +z i si B )

2) 幅度加权系数a B i 的计算。改变天线单元的幅度加权系数a Bi , 使它满足天线口径照射函数的要求, 即应满足

a B i f i ( B , (14) B ) =a i

式中, a i 为实现一定天线副瓣要求的幅度加权系数; f i ( B , B ) 为第i 单元方向图在( i 0, B ), ( i 0, B ) 的取值, 其中 i 0与 i 0分别为第i 单元方向图在方位与仰角方向的最大值指向。

E (r ) =E ( , ) =

f ( , )w

i i=0

i

-R i

2

R i

(3)

式中, R i 为第i 单元至目标的距离。

R i =R - R i (4)

式中, R 为相位参考点(坐标原点) 至目标的距离; R i 为第i 天线单元与坐标原点在目标方向的距离差。由于阵列相位参考点(坐标原点0) 到目标的距离(R) 远大于它到各天线单元的距离R i , 即R >>R i , 故去除公共相位因子2 R / 后式(3) 可改写为

N -1

E ( , ) =

f i ( , ) a B i e

j ( R - )

i

B i

(5)

i=0

由式(5) 可以看出, 为计算共形相控阵天线的方向图函数, 必须知道天线单元在曲面上的坐标位置及天线单元的方向图函数。也就是说, 如果各天线单元在曲面上的坐标位置及单元方向图函数已知, 则通过改变各天线单元的幅度与相位加权系数d Bi 与 B i , 可以实现共形相控阵天线波束指向与波束形状的改变。

2. 2 共形相控阵天线的加权系数计算

用于改变共形相控阵天线波束指向与形状的控制参数只有各天线单元的复加权系数w i , 即式(2) 中的相移值 B i 与幅度加权值a Bi 。

1) 相移值 Bi 与时间差 i 的计算。相移值亦称为相位加权系数或相位补偿值, 由时间延迟线与

3 实现共形相控阵天线的一些关键技术

3. 1 共形相控阵天线波束扫描的实现方法

共形相控阵天线波束扫描方法大体上有两种,

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一是采用与平面相控阵天线相同的方法, 即在天线单元通道中采用移相器、衰减器实现要求的天线孔径照射函数。另一种方法采用开关矩阵选通共形相控阵天线的辐射孔径, 改变等效辐射孔径的指向, 例如, 对于圆形、圆柱形共形相控阵天线, 可采用开关矩阵选通工作阵面, 然后用移相器修调单元通道的

[2, 6]

相位。

对前一种方法, 根据前面讨论, 可以得出, 为实现天线波束扫描与改变波束形状, 需要进行以下操作:1) 单独计算每一单元的波束控制数码。共形相控阵天线中每一单元移相器的相移值, 除与要求的波束最大值指向( B , B ) 有关外, 还与每一单元的坐标位置(xi , y i , z i ) 有关; 各天线单元之间的相位关系与线阵或平面阵不同, 不存在简单的线性关系; 因此, 对每一天线单元, 其移相器的波束控制信号需要单独运算, 故共形相控阵天线的波束控制较线阵或平面阵要复杂许多。

2) 按单元方向图因子进行幅度修正。由于天线单元安装在曲面上, 因而天线单元或子天线阵方向图, 哪怕它们的形状都是一样的, 但因其在曲面上的位置不同会导致单元方向图最大值指向不同, 因而在综合方向图要求的最大值方向( B , B ) 上, 各天线单元发射与接收信号的幅度是不相等的, 这使得单元方向图因子f i ( , ) 不能像线阵或平面阵那样, 从天线方向图函数中作为公因子从求和符号 里提出。为了满足一定的天线副瓣电平及自适应波瓣置零等要求, 应使a B i f i ( B , B ) 满足一定的天线口径加权函数的要求, 亦即要求a B i 要随着共形阵列天线中辐射部分的口径变化和天线波束最大值指向的变化而相应变化。这些要求将显著增加共形相控阵天线波束控制系统的运算量。

3) 宽带信号情况下, 同样需要实现时间延迟补偿。考虑以上各点, 为了实现共形相控阵天线, 每一个天线单元通道内均要有一个可以调节信号幅度和相位的调节器, 或 可变幅相器 (VAP, variable a m plitude phase sh ifter) 与时间延迟单元(TDU ), 这是为实现共形相控阵天线所必需的硬件设备。

对图2所示圆形阵列天线, 通过矩阵开关等选择圆形或圆柱形相控阵天线孔径的一部分作为工作孔径, 使其在圆周或圆柱面上移动, 可使天线波束指向发生转动。当由-k 至k 天线单元构成的圆形阵列工作时, 天线波束最大值指向在(0 0) 方向上。这一天线波束可看成是与此天线阵对应的等效线阵(-k 至k ) 形成的波束。如果将工作圆弧天线阵

按顺时钟方向移动一个天线单元间距, 即由圆弧[(-k +1), 0, (k +1) ]的各个天线单元工作, 天线波束指向将由(0 0) 方向转变为(0 1) 方向, 从而实

现天线波束指向的改变。因此, 通过射频矩阵开关或其它控制电路均可方便地实现天线波束的快速扫描。

图2 圆形阵列天线工作原理示意图

在共形相控阵天线的馈线系统中, 除矩阵开关可用于实现天线波束位置的转换外, 在每一天线单元通道中还可接入移相器实现天线波束在小角度范围内的扫描, 在单元通道中再接入衰减器, 以改变天线形状, 例如降低天线副瓣。

美海军在协同作战能力项目(CEC ) 中研制的舰载圆柱形相控阵雷达天线的方框图如图3所示。该雷达为收发共用天线雷达。发射时, 射频输入信号经发射功率分配网络, 分为24路, 每一功分网络连接一个1/4矩阵开关, 矩阵开关输出分别与一个天线单元通道相连接, 经一个1/10功率分配器分至每一列的10个单元。圆周上天线单元总数N =96, 工作圆阵上单元总数n =24, 矩阵开关的输出路数m =4, 该圆柱形天线在垂直方向有10个单元, 为实现仰角扫描, 每一天线单元通道中均有一移相器, 因此整个圆柱阵面上一共有96 10=960个天线单元, 960个移相器

[2]

。

图3 圆柱形相控阵天线构成图

由于整个圆周上只有96个天线单元, 矩阵开关每更换一次天线单元, 使工作弧段移动2 /96, 故天线波束指向在方位上的转换亦即波束跃度为3. 75 。为获得更小的波束跃度, 可通过移相器实现天线波束指向的左右移动。在接收状态, 每一列上

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10个天线单元分别经过移相器移相后再行相加, 然后经过24个收发开关连接幅度换向器, 改变衰减值, 对24个单元构成的工作线阵进行幅度加权, 以得到要求的低副瓣天线。

对一个具有两维相扫能力的共形相控阵天线, 必须对曲面(例如球面) 上每一个天线单元通道信号进行幅度与时间、相位控制, 为此, 应事先对天线单元的阵内辐射方向图及其与参考单元之间的行程差进行测量与计算; 对大型的共形相控阵天线, 由于曲面上天线单元数目很大, 因此, 这一测量、计算与修正的工作量很大。为了降低两维相扫共形相控阵天线波束控制的复杂性, 可以采用如图4所示方法, 将曲面划分为许多个平面, 由多个平面子阵构成一个大的共形相控阵天线。图4(a) 为用于卫星双向

[7]

通信与空间监视的球形相控阵天线外形, 图4(b) 所示为RMRL (西门子) 公司研制的用于 动中通 的高增益通信天线。利用矩阵开关按要求的波束指向, 选通若干个子阵构成工作阵面。在每一子阵内采用较简单的平面相控阵天线的波束控制方法, 仅需按各子阵面相位中心进行复杂的幅度、相位修正。由于工作阵面内的子阵数目已大为减少, 共形相控阵天线的波束控制得以明显简化。

组件实现天线波束指向与形状的改变, 而每一平面子阵的波束控制则相对简单。

如果要求共形相控阵天线形成多个波束, 覆盖更宽的空域, 则在发射状态, 只需要在雷达信号重复周期Tr 内及时改变每一发射信号的波控数码, 即可获得要求的波束指向变化; 当雷达工作在接收状态时, 由于接收波束必须在整个重复周期内等待雷达最大作用距离内的回波到来之后才能转换方向, 故必须形成并行工作的多个接收波束, 不同指向的接收波束对应不同的工作阵面, 因此, 在采用矩阵开关选通工作阵面的共形相控阵天线中, 若要形成多个接收波束, 需要复杂的馈线网络。在有源共形相控阵天线中, 可在子天线阵层次上将接收信号转换为数字信号, 在多波束形成处理机中实现信号幅度与相位补偿, 形成需要的多个接收波束。这时子阵T /R 组件的接收输出端为数字信号如图5所示。

图5 子阵层次上的有源共形相控阵天线示意图

由于集成电路、数字技术的高速发展, 出现了数字式T /R组件。一种数字式T /R组件的原理图如

图4 由多平面子阵构成的共形相控阵天线示意图

图6所示。图中DDS 的输入信号包括时钟信号(参考频率) 及频率、相位、幅度三个二进制数字控制信号。由DDS 产生的基带信号经上变频后产生雷达发射激励信号, 经高功率放大器放大和收发开关后送到天线单元或子天线阵辐射。接收时, DDS 产生本振基带信号, 经上变频变为接收本振信号, 与经过低噪声放大器放大、混频等处理后, 以数字信号形式送处理机进行空域(波束形成) 与时域、频域处理。

3. 2 有源共形相控阵天线技术

如果在共形相控阵天线的每一个单元通道中接

入发射/接收组件(T /R组件), 即构成有源共形相控阵天线, 它与平面有源相控阵天线一样, 同样具有许多工作特点与技术特点。此外, 由于有源共形相控阵天线中每一单元通道中均有T /R组件, 因此可利用T /R组件中的移相器与衰减器对各单元通道中的幅度与相位误差进行有效补偿, 不仅可方便地实现天线波束扫描, 也可按式(5) 要求的天线孔径照射函数, 降低天线的副瓣电平, 快速改变波束形状。

对图5所示的经选通后由m 个平面子天线阵构成的共形相控阵天线工作阵面, 子阵可以是有源子阵或无源子阵。工作阵面内子阵的相位中心是在球面上, 每一子阵内均有T /R组件, 利用子阵T /R

图6 数字式T /R组件原理框图

高度集成的直接数字频率综合器(DDS) 是数字式T /R组件的核心, 高速、低成本DDS 使各个单元

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通道或子阵通道中应用雷达信号波形的产生完全数字化, 这意味着包括发射激励信号与接收时的本振信号的波形、相位、幅度均可在各单元通道中产生, 因而用于选通共形相控阵天线工作阵面的射频矩阵开关、功率分配网络、功率相加网络从原理上讲均可去除, 为各种共形相控阵雷达的相位、幅度修正、时间延迟补偿和发射多波束形成提供了方便。

采用数字T /R组件的有源共形相控阵天线为先进数字信号处理技术提供了更多的应用潜力, 例如, 用先进信号处理修正雷达平台构件及运动平台外形动态变化对共形相控阵天线性能的影响, 在部分天线单元通道或T /R组件损坏情况下, 保持天线性能, 使共形相控阵天线平台成为所谓的 灵巧蒙皮 ( Sm art skin ), 根据目标与电磁环境的变化, 合理调度资源, 提高自适应工作能力。

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3. 3 宽带共形相控阵天线

宽带相控阵天线是实现综合电子系统的关键, 是实现宽带通信、宽带对抗、高分辨雷达成像与提高雷达测量精度和分辨率的关键。美国HRL 实验室研制成功的光控宽带共形相控阵天线如图7(a)

所示。该L 波段天线有196个天线单元, 扫描范围为 60 , 采用11位实时时间延迟网络, 实现了带宽覆盖, 频带宽度大于50%。其中高5位由集成光学电路实现, 其延时特性如图7(b) 所示。

[8]

图7 L 波段光控宽带共形相控阵天线

[9~11]

作者简介

张光义(1935-), 男, 四川泸州人, 中国工程院院士, 毕业于莫斯科动力学院无线电技术系, 历任第14研究所总体室主任, 副所长、总工程师, 我国第一部电扫描三坐标雷达和第一部大型相控阵预警雷达的主要技术负责人之一, 1995年后担任载人航天工程中所需的三部大型精密跟踪雷达和一部相控阵雷达的总设计师, 1997年后担任机载预警雷达研究项目技术负责人, 曾参加多项国家重点工程研制工作, 解决多项关键技术, 获1994年电子工业部科技进步奖特等奖和1995年国家科技进步奖二等奖, 主要研究方向为雷达探测。

E m a i:l zgyn j 14@si na . com

4 结 语

各种嵌入了雷达信息获取、通信、导航和电子对抗、反对抗等装备的平台, 包括多种小运动平台的发展对共形相控阵天线提出了新需求; 有源相控阵天

线技术, 先进数字信号处理技术的发展使实现共形相控阵天线所需要的通道(天线单元通道或子天线阵通道) 信号幅度、相位、时间的测量、补偿与修正可以得到解决。随着T /R组件、数字T /R组件成本的进一步降低, 宽带有源共形相控阵天线将获得更广的实际应用。