高分三号卫星C频段多极化有源相控阵天线系统设计

任波 赵良波 朱富国

(1中国电子科技集团公司第十四研究所,南京 210039)

(2天线与微波国防科技重点实验室,南京 210039)(3北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

高分三号卫星C频段多极化有源相控阵天线系统设计

任波1,2赵良波3朱富国1,2

(1中国电子科技集团公司第十四研究所,南京 210039)

(2天线与微波国防科技重点实验室,南京 210039)(3北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

高分三号(GF-3)卫星SAR载荷天线是中国首副成功在轨应用的C频段多极化天线,其采用有源相控阵体制,多极化共孔径设计,波束控制灵活,能够实现12种常规工作模式及多种扩展模式。GF-3卫星C频段多极化有源相控阵天线(简称SAR天线)质量占到卫星总质量的46%,工作时最大功耗占卫星能源功耗的60%以上,而其发射功率、带宽特性、方向图等都对成像性能有着至关重要的影响。文章针对GF-3卫星SAR天线C频段、多极化、大带宽、高功耗、高精度、大尺寸、轻量化等特点,介绍了天线系统设计的内容及主要性能结果,可为中国后续SAR卫星有源相控阵天线的研制提供参考。

高分三号卫星;合成孔径雷达;有源相控阵天线;C频段;多极化

1 引言

与光学成像系统相比,星载合成孔径雷达(SAR)由于其不受天气、气候的影响,能全天时、全天候对地观测,已经成为空间对地观测的重要手段[1-2]。目前,星载SAR已经在民用和军用方面获得广泛应用。民用上主要应用于测绘、气象、灾害监测与环境保护、国土资源勘查等;军事上主要用于军事目标侦察和监视。随着需求的牵引,其正朝着高分辨率、大幅宽、多极化、多频段和多模式的方向发展[3-4]。

天线是星载SAR中重要的子系统之一,随着SAR技术的发展,天线技术也取得了重要突破。目前,星载SAR天线主要包括有源相控阵和反射面两种体制。与反射面天线相比,有源相控阵天线具有天线波束形状捷变、跟踪波束快速扫描、空域滤波和空间定向、空间功率合成、多通道接收和可靠性高等优点[5]。因此,作为我国第一颗高分辨率多极化SAR卫星,高分三号(GF-3)卫星采用二维宽带多极化有源相控阵天线。电性能上,天线的设计主要包括射频、电源和控制部分,而射频上主要涉及辐射单元、收发组件(T/R)、延时线和功分网络等。由于空间环境的特殊性,除电性能外,系统还需满足体积、质量和环境适应性等多个方面的要求。本文主要介绍GF-3卫星有源相控阵天线的功能、组成、设计及主要性能。

2 天线系统设计

本节介绍天线系统的主要功能、组成以及各部分的工作原理和主要指标。

2．1 工作原理

GF-3卫星SAR天线工作于C频段,具有多极化、多工作模式能力,采用可展开平面二维扫描固态有源相控阵天线体制。发射模式下,发射链路完成输入线性调频信号的功率放大,向指定空域辐射水平极化或垂直极化电磁能量;接收模式下,天线阵面接收水平极化或垂直极化回波信号,也可同时接收双极化回波信号,并经过低噪声放大链路后送至中央电子设备。为实现天线的性能监测、故障检测和隔离,天线具有独立定标网络,在中央电子设备的控制下,可完成收发链路的标定。SAR天线接收监控定时器的控制指令,按照指令要求实现二维波束扫描、波束展宽、极化切换等功能。

2．2 阵面划分

天线阵面分为4块可展开面板,其中面板a、面板b组成天线阵面－X翼,面板c、面板d组成天线阵面＋X翼,其关系如图1所示,每个面板包含6个相同的模块。单个模块由波导缝隙天线、四通道T/R组件、延时线、波束控制单元、射频收发及定标馈电网络、二次电源、高低频电缆、有源安装板和热控等部分组成。图2为GF-3天线展开示意图。

2．3 辐射单元

常见的SAR天线辐射单元主要有微带天线和波导缝隙天线两种形式,各有优缺点。微带天线具有剖面低、质量轻、便于与器件集成的优点,但其辐射效率和抗烧毁功率较低。与微带天线相比,波导缝隙天线的辐射效率较高。综合考虑效率、轻薄化和空间环境适应性,采用了波导缝隙天线。因此,宽带、双极化和轻薄化是其设计的难点。

采用16单元双极化波导缝隙子阵一体化设计,由窄边直缝水平极化波导缝隙天线和共线宽边缝垂直极化波导缝隙天线排列组成,使两种极化天线实现独立馈电,物理隔离,有效减小了两种天线之间的互耦,提高了天线的端口隔离度,进而降低天线的交叉极化电平。波导缝隙天线的示意见图3。水平极化波导缝隙天线采用窄边开直缝形式,有效抑制了交叉极化。为了实现宽带工作,在波导的一边增加了功分器。为降低整个天线的剖面高度,辐射波导和馈电波导采用加脊设计,最大限度压缩了整个波导缝隙天线的高度。垂直极化波导缝隙天线,采用新型的脊波导宽边开共线缝隙结构,使得所有边缝隙共线排列,改善了垂直极化波导天线的扫描性能,同时降低了两种极化的互耦效应,有效提高了极化端口隔离度。

双极化波导缝隙天线的主要性能如图4～图6所示,水平极化(H)和垂直极化(V)在工作带宽内的驻波均小于1．5,且端口隔离度(|S12|)大于65 dB,除此之外,双极化波导缝隙天线在中心频点处,波束扫描范围内的交叉极化电平小于－55 dB。

2．4 T/R组件

T/R组件是有源相控阵天线的核心器件,提高T/R组件的效率,将提高星上能源利用率,降低对载荷对平台供电能力要求和降低对天线热控指标的最有效的途径。GF-3卫星中C频段T/R组件采用四通道模块化设计,每个T/R通道由发射和接收通道构成,由收发开关、移相器、衰减器、定向耦合器、电源调制器及控制驱动电路等组成。其单通道工作原理如图7所示,发射期间完成发射信号的高功率放大,接收期间完成接收信号的低噪声放大,在T/R信号控制下完成收发转换。每个T/R组件的天线端口设置定标定向耦合器,发射期间耦合输出发射定标信号,接收期间将定标信号耦合输入到T/R组件接收通道,四路定标信号通过功分器进行组合。单通道发射链路峰值输出功率为20 W,最大占空比为20%,接收链路噪声系数小于2．8 dB。

2．5 延时线

由于SAR系统工作在宽带模式,波束扫描时,延时线用于补偿孔径渡越时间,可以降低孔径效应引起的波束色散。同时通过延时线中的功率放大模块对延迟线和网络的损耗进行补偿,可以在发射链路中减小总激励功放的输出电平;在接收支路中提高系统总增益,改善系统噪声系数。延时线为单通道集成设计,由一个四位延时线、一个高功率发射放大器(High Power Amplifier,HPA)、一个低噪声接收放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、一个收发转换开关以及配套电源及控制电路组成,其组成如图8所示。接收链路的非线性相位误差是延时线的关键指标之一,如图9所示,本项目中的延时线非线性相位误差小于3°。

2．6 功分网络

考虑到C频段功分网络,在能实现宽带电性能指标要求的前提下,电路的设计主要采用一级阻抗变换的Wilkinson功分器形式,通过级联可以得到需要的任意端口的多路功分器。图10给出了定标网络所采用的1∶16功分器三维示意图。如图11所示,各端口驻波小于1．4,插入损耗小于0．7 dB,端口插入损耗一致性优于±0．2 dB,插入相位一致性小于±1°。

2．7 二次电源

天线系统所需的电压品种为＋8 V和±5 V,从技术的继承性、成熟性,电路的稳定性和复杂程度,主电路功率管及相关器件承受的电应力,输出功率大小、可靠性、效率、体积、质量等因素综合考虑,＋8 V输出采用了全桥＋同步整流功率拓扑,＋5 V输出采用了单管正激＋同步整流功率拓扑,－5 V输出采用了单管正激＋二极管整流功率拓扑。同时,每一路均采用电流内环电压外环的闭环控制方式,可以保证每一路输出的电压精度、稳定度及动态特性满足要求。其三维示意如图12所示,电源的电压转换效率大于82%。

2．8 波束控制

波束控制主要由波束控制器和波束控制单元来实现,其三维示意见图13。波束控制器的功能主要是:接收雷达控制计算机输入的控制数据和指令;完成全阵T/R组件和延迟放大组件的移相码、幅度码及延迟码产生并驱动传输;完成阵面检测信息的采集和量化,并传送给雷达监控机以及完成波位代码存储。波束控制单元的功能,主要是根据雷达波束控制器的控制及其自检要求,完成相控阵天线阵面波束控制信号的分发,同时完成电源、组件自检信息的采集及温度检测信息的量化,打包后回传给波束控制器。

3 方向图性能

对于有源相控阵天线而言,除了收发链路、效率、功耗等指标外,方向图是衡量有源相控阵天线的重要指标之一,例如,波束扫描范围、波束指向精度、波束宽度精度、副瓣电平等等。同时,宽带相控阵天线的设计需要考虑带内色散的影响。以下简要介绍GF-3卫星有源相控阵天线方向图的主要性能指标。

3．1 宽带扫描性能

综合考虑天线整体性能、系统的复杂度和成本等多方面因素,GF-3卫星天线系统在子阵级接入以固定参考周期为步进的实时延时线,并采用基于随机延时分布的子阵延时量化位态优化方法[6],使得天线波束色散性能得到了较大改善。图14[6]比较了三种方案的延时优化方法,方案1和2分别为传统的优化方法(向下取整法和四舍五入法),方案3即项目中所采取的随机优化法。图14中结果表明,采用此方法后,在0°～20°扫描范围内,天线的带内波束指向误差小于1%。

3．2 高精度扫描性能

需要准确获取特定波束形状,核心即快速实现对阵列天线通道幅相的高精度优化和配置调整。GF-3卫星研制过程中,采用了基于全位态遍历与快速优化算法相结合的高精度建模仿真方法[7]。该方法利用天线定标网络,准确录取天线各收发通道衰减和移相位态特性作为相控阵路级先验数据,通过近场测试阵元辐射方向图特性作为场级先验数据,同时结合差分进化算法及方向图快速计算方法,建立高精度仿真评价模型。根据波位需求计算最佳幅相控制位态,从而实现对大型相控阵天线的方向图性能快速评估和准确预测,大幅度提高天线性能重构的灵活性和准确性。

图15[7]分别示意了法向、扫描20°及波束展宽3种典型工况下的对比结果,从模型预测与近场实测方向图结果统计来看,两者具有很高的一致性,特别在波束主能量区域两者非常吻合。由于建模误差的存在,真实测试近场分布相对于模型预测近场分布而言,还存在小量的幅相误差,在远区场值较小处两者方向图有一定的差异。

表1列出了7种典型波束的模型预测及实测统计结果[7],可见两者相对波束宽度而言指向误差低于1%,波束宽度误差低于2%,副瓣电平在不进行低副瓣加权时误差不超过0．6 d B,加权到－20 d B后副瓣误差不超过2 dB,模型预测与实测数据之间具有很高的吻合度,同时也表明了所采用高精度模型的准确性。

表1 典型波位预测/实测特性对比Table 1 Comparison of predication and measurement for various typical patterns

4 结束语

天线是星载合成孔径雷达的重要子系统之一,其性能决定了成像雷达的优劣。本文主要对GF-3卫星SAR天线的组成、系统设计和主要性能做了介绍。该C频段双极化天线采用可展开平面二维扫描固态有源相控阵天线体制,共口径设计,具有端口隔离度大、交叉极化电平低、带内幅相一致性好、波束指向精度高、宽带波束指向色散误差小的特点,性能满足SAR系统指标要求。

References)

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[7]张金平,任波,朱富国．基于阵元特性的相控阵天线方向图建模测试研究[J]．现代雷达,2016,38(3):65-69 Zhang Jinping,Ren Bo,Zhu Fuguo．A study on pattern model of phased array based on the characteristics of array elements[J]．Modern Radar,2016,38(3):65-69(in Chinese)

Design of C-band Multi-polarized Active Phased Array Antenna System for GF-3 Satellite

REN Bo1,2ZHAO Liangbo3ZHU Fuguo1,2
(1 The 14thResearch Institute,CETC,Nanjing 210039,China)
(2 Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory,Nanjing 210039,China)
(3 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

The antenna system of the synthetic aperture radar(SAR)imaging satellite(GF-3)is the first Chinese C-band multi-polarized phased array antenna which is operating on-orbit successfully．The antenna features characteristics of co-aperture design,multi-polarization,flexibility of beam control,and can achieve twelve general working modes and several extensional modes．As a key equipment of the SAR system,the weight and peak power consumption of the whole system account for more than 46%and 60%of the satellite,respectively．Moreover,the performances of its emitting power,wideband bandwidth and radiation patterns play an important role on the imaging performance．The paper presents the design and main performances of the SAR antenna system for GF-3 satellite to demonstrate its features of C-band,multi-polarization,broad bandwidth,large power consumption,high-precision scanning,large aperture folding and lowweight,which will provide useful guidelines on the design of phased array antenna for Chinese space-borne SAR in the future．

GF-3 satellite;SAR;active phased array;C-band;multi-polarization

2017-10-23;

2017-11-16

国家重大科技专项工程

任波,男,高级工程师,从事超宽带天线设计、固态有源相控阵天线设计、空馈相控阵天线设计。Email:youkoa＠163．com。

TN958

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.011

(编辑:李多)