雷达阵面系统小型化研究

雷达阵面系统小型化研究

李迎林何丙发张德斌

(天线与微波技术国家重点实验室,江苏 南京 210039)

摘要雷达阵面系统的小型化研究在机载、弹载、星载等雷达领域有重要应用价值. 文中从三方面提出了小型化设计思路:1)多功能线阵设计. 从系统的角度优化天馈线形式,通过一种新型耦合器的设计,将天线与馈线多功能、一体化设计,使辐射线阵不仅具备监测功能,同时结构比常规线阵缩小25%;2)三维微波-数字混合电路设计, 通过对三维垂直互联机构的建模分析,提高三维微波电路设计的准确性,同时从电路布局、屏蔽、端接匹配电路等方面提出了三维微波-数字混合电路设计规则;3)微波-数字协同仿真. 通过三维微波-数字电路的仿真,解决了Ku波段三维微波电路易谐振,性能不佳的问题和复杂信号传输易串扰、数字信号传输信号完整特性欠佳的问题. 实验验证了上述措施的有效性,一定程度上实现了阵面电讯、结构等系统整体资源的优化配置,使雷达阵面系统实现高集成、小型化设计.

关键词相控阵雷达;三维微波电路;数字电路;电磁干扰;SI;阵面集成

中图分类号TN958.92

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)04-0797-06

AbstractAntenna arrays are the core hardware of phased array radars. In this paper, the integration technology of phased arrays is discussed from three aspects. Firstly, antennas and feedline are designed and optimized from the system perspective. By using a new coupler, the size of the antenna array is reduced by 25%, and the performance of the array is improved. Secondly, the design technology of three-dimensional microwave and digital hybrid circuit is adopted. The three-dimensional microwave circuit is designed through the analysis on via-hole. The digital circuit used to control wave-beam is designed taking into account the layout, shield, matching circuit and so on. Thirdly, by applying the co-simulation techniques for RF and digital signals, the resonance in Ku-band is restrained, the reflection is reduced, and the performance of the digital circuit is improved. An example is given to validate the design method. The optimal allocation of array telecommunication, array structure and system resources is realized. The integration and miniaturization of the antenna array are achieved.

收稿日期：2014-09-19

作者简介

Study on the integration technology of phased arrays

LI YinglinHE BingfaZHANG Debin

(ScienceandTechnologyonAntennaandMicrowaveLaboratory,NanjingJiangsu210039,China)

Key words phased array radar; three-dimensional microwave circuit; digital circuit; EMI; SI; integration on antenna arrays

联系人： 李迎林 E-mail:liyinglin666@sina.com

引言

雷达阵面是相控阵雷达硬件的核心,通常包含天线单元、T/R 组件、馈线系统、波控单元、电源系统等模块[1]．各个模块结构上自成一体,各自分立,通过电缆和连接器等互联器件实现电气上的连通,其特点是阵面臃肿繁杂,可靠性低,不便于维修维护．随着军事需求的提高和电路设计及制造技术的进步,雷达阵面正朝着高集成、小型化、高可靠的趋势发展,传统的天线、馈线、T/R 组件、波控控制走线、电源走线等模块分立设计显然难以满足需求[2-3]．如何最大限度实现雷达阵面系统小型化集成设计,规避复杂的信号接口,用最少的互联器件,占用最小的物理空间实现多种模块不同信号的高质量传输是现代雷达阵面技术研究的难点．目前国内外学者对雷达阵面的学术研究多集中在纯粹的天线单元最优化设计、天线阵列方向图算法研究、新颖的馈线方式以及有源微波电路系统等方面[4-6],已知国外对雷达阵面集成设计的研究以类似智能蒙皮技术多见[7],其将天线、馈线、TR组件等集成设计,具有轻薄、小型化、多功能等特点,内部详细设计很难得知,涉及到微电子封装和印制电路加工,板材制造工艺等,国内尚无公开报道．因此对雷达阵面小型化集成设计研究具有学术和工程应用双重意义．

基于上述研究背景,文中从多功能线阵设计、三维微波-数字电路设计、微波-数字电路协同仿真出发,探讨了相控阵雷达阵面系统小型化设计方法,并设计了一种高集成、小型化Ku波段雷达阵面,该阵面有三个特点:

1) 从系统角度选择馈线形式,并采用新型孔耦合定向耦合器,实现线阵多功能、一体化设计,结构尺寸比常规设计缩小25%,电性能优良．

2) 用于馈线、T/R组件、波控驱动、电源之间互联的高低频网络实现集成化设计．集成后的综合网络不仅具备Ku波段射频信号的分配功能,还具备多种供电分配和多路波控信号传输分配功能. 同时还可作为有源子阵枢纽,结构上为T/R的导向、安装、固定和盲插实现提供了平台,实现阵面模块间无引线互联．

3) 通过协同仿真优化设计,实现射频信号传输各端口带内平坦度及一致性优良;数字信号传输波形上升沿及下降沿光滑陡峭,振铃及下冲现象得到明显改善,SI特性良好．

1多功能线阵理论分析

天线和馈线是阵面的重要组成部分,能量通过馈线系统按照既定的幅度相位传递给天线系统,进而向空间辐射形成需要的方形图.正因为天线与馈线存在天然的联系,天线与馈线一体化设计要突破结构上的拼接,实现结构和电讯二者有机统一.多功能线阵是将天馈线一体化设计,具备天线辐射和馈线监测功能. 天线形式采用满足宽带宽角扫描需求的渐变槽线天线(Tapered Slot Antenna,TSA),天线阵列结构如图1所示,共MN个天线单元,单元间距为d. 阵列划分为N个子阵,每个子阵包含M个天线单元, 则阵列方向图为

(1)

图1　阵列结构示意图

图2　两种不同形式的辐射监测线阵

馈线包含功率分配、合成网络和监测网络.图2给出两种形式的辐射与监测线阵形式. 两种形式都采用多层印制电路实现天线与馈线的集成设计,但图2(上)比图2(下)体积缩小25%,这种差异主要在于馈线形式的优化. 图2(下)采用带隔离的功率合成器和常规的窄边耦合器,图2(上)采用非隔离合成网络和孔耦合定向耦合器. 图3~5为孔耦合定向耦合器仿真模型. 通过调节旋转角度和孔径形状、大小,可明显改善端口驻波、耦合度及定向性. 图6、7显示孔径和角度相关参数对驻波和耦合度性能的影响.

图3　孔耦合定向耦合器(夹角67°)

图4　孔耦合定向耦合器(夹角45°)

图5　孔耦合定向耦合器(夹角16°)

图6　孔径和角度对驻波的影响曲线

图7　孔径和角度对耦合度的影响曲线

2三维微波-数字电路设计

三维微波-数字电路设计技术可实现微波网络、波束控制网络、电源分配网络的集成设计.该综合网络电性上具备微波信号合成、分配功能,用于波束控制的数字信号传输分配功能以及电源分配功能,结构上可实现多种接口互联的浮动盲插,节省大量互联电缆和连接器,达到阵面小型化与高集成的目的.平面微波电路向三维微波电路扩展的关键在垂直过度机构.如图8显示为一多层垂直互联模型,中间为数字走线层,上下为微带电路层.图9为仿真结果,显示各层过孔参数对垂直过渡传输性能的影响.其中,r1为连接上下带线的垂直通孔半径,即图中深色金属柱,r2为该垂直通孔穿过中间电源层时的隔离孔半径,在试验中发现随机确定隔离孔半径(保证r2>r1)会对垂直过度传输特性产生较大影响,仿真结果验证了试验结果的正确性.

图8　垂直互联模型

图9　不同孔径驻波曲线

微波、数字电路集成设计中,还应考虑微波信号、数字信号、直流信号之间的电磁兼容设计[9]. 微波信号频段高,垂直互联机构应尽可能少地跨越电路层,一方面可提高垂直过度的性能,另一方面可减少不同信号之间的干扰,因此可将微波电路放置在上下表面,同时射频地也能对整个电路起到一定的屏蔽作用,使整个电路少受外界因素干扰. 数字信号用于波控对T/R组件的控制,数字信号传输的质量直接影响到阵面波束的形成质量,因此在设计中应控制好走线长度和宽度,避免传输阻抗失配严重而致反射增大,根据信号上升时间和窄线条上信号的时延,选择相应介电常数和厚度的板材. 电源层和信号层应做合理分隔,对于时钟、数据等重要信号,做必要的屏蔽处理.

3微波-数字协同仿真

微波-数字协同仿真技术可实现微波网络和数字信号传输网络一体化建模仿真,对多种信号传输中的EMI和SI特性进行评估,进而根据仿真结果优化设计. 可利用CST软件中的PCB-studio为平台[8],直接将用于制板的光绘文件导入生成仿真模型,该模型与实物高度相似,设置相关参数,模拟出微波电路、数字电路、电源网络同时工作的物理场景. 电路的EMI特性,如图10所示,三维情况尤其是微波、数字、直流电源信号同时工作时,射频端口在某些频点易出现谐振现象,通过优化金属化通孔的疏密分布、大小、微带线的宽度、数字信号走线方向、电源层隔离盘大小等,可使谐振现象得到改善. 网络的SI仿真参数设置如下:电压5 V、上升沿及下降沿时间为10 ns、脉宽50 ns、周期100 ns. 对信号源端进行电容滤波处理,终端采用阻抗匹配的振铃抑制方法,串联RC网络,优化计算得到源端并联端接电容取100 pF,末端RC端接分别为50 Ω、50 pF.经过上述处理,抑制了信号传输过程中明显的上冲或下冲现象．

图10　仿真结果

4试验结果分析

按照文中阐述方法,设计了一种适用于机载平台的Ku波段小型化雷达阵面系统,阵面有多条辐射与监测线阵组成,部分阵面见图11(左). 阵面背面则集成了微波、波控、电源等多种信号传输网络,该综合网络直接与线阵实现盲插,省掉了大量互联器件,部分阵面见图11(右).

图11　小型化阵面(部分)

表1为线阵频带内典型频率点测试结果,驻波在1.3以下、耦合度(含一比四功率分配器)理论值-31 dB,起伏±0.8 dB、相位一致性优于±3°,指标优良. 数字信号部分,用示波器观测敏感信号CP、CLK、DATA等,信号传输波形无明显过冲和震荡现象,信号完整性好．

表1　测试结果

5结论

阵面作为相控阵雷达硬件的核心,涉及到的单机和模块众多,阵面系统小型化技术一方面应从雷达系统的角度分析研究,另一方面也有待各单机模块本身技术的提升. 本文从多功能线阵设计技术、三维微波-数字电路设计技术、微波-数字协同仿真技术三个方面出发,探讨了当前阶段其在相控阵雷达阵面系统小型化设计中的应用,并给出设计实例. 结果证明上述方法在阵面系统小型化设计中的有效性,一定程度上实现了阵面电讯、结构等系统整体资源的优化配置,使雷达阵面实现高集成和小型化.

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李迎林(1984-),男,河南人，工程师,从事雷达阵面信号传输及天馈线研究,负责或参与多种型号星载、弹载、机载雷达研究,在核心期刊发表论文十余篇．

何丙发(1963-),男,湖北人，研究员,中国电子学会高级会员,IEEE会员．中国电子科技集团公司第十四研究所天线室主任,天线与微波技术国防重点实验室研究员．长期从事相控阵雷达阵面系统研究,在雷达天馈线系统研究方面有较深造诣,主持或参与多种重点型号雷达阵面研制,如新一代机载火控雷达,毫米波雷达等．获国防科技一等奖,二等奖各一次,集团公司科技进步一等奖一次,核心期刊发表论文60余篇．

张德斌(1957-),男,研究员,中国电子学会高级会员,享受国务院政府特殊津贴．曾任十四所馈线室主任,天线与微波技术国防重点实验室研究员,全国印制电路标准化委员会副主任委员．长期从事相控阵雷达有源及无源微波电路系统研究,主持多项国防重点型号雷达馈线系统设计,如某大型预警机雷达T/R组件技术攻关．发表论文20余篇．

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