无人机载Ku波段有源相控阵天线

詹珍贤， 许唐红， 胡帅帅， 方 鑫

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室， 安徽合肥 230088)

0 引言

无人机不受驾驶员生理极限的限制，机身小，重量轻，因而具有较高的机动性能，战场生存能力强，并且无人机可以在生化等特殊环境条件下执行任务，因此无人机已成为近年来高科技信息化战争不可缺少的组成部分，在夺取制空权、支援作战甚至直接参与作战中发挥着重要作用[1]。无人机作战必将成为未来战争中一个极其重要的空中作战模式，引发战场形态的变化[2]。

无人机的发展有效推动了无人机载荷的发展。随着无人机有效载荷的增加和雷达小型化技术的提高，无人机载雷达逐渐成为无人机载荷的重要组成部分，提高了无人机的作战性能，并在战场上发挥着重要的作用。目前，无人机载雷达主要以合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)为主，工作频段集中在X波段、Ku波段和毫米波段，一般具有条幅式扫描成像、聚束式高分辨率成像和运动目标探测等功能。无人机载SAR成像分辨率高，探测距离远，可以全天时、全天候工作，可以穿透云雾及战场上的隐蔽物和障碍物，并且能够跟踪移动目标和突然出现的快速机动目标，在目标截获、火力控制、态势感知和精确打击各方面均有出色表现[3]。

由于无人机平台载荷舱空间小、载重能力有限，故要求无人机载荷应具有小体积、轻重量的特点，而有源相控阵天线的系统功能多、组成复杂，因此无人机载有源相控阵天线必须采用小型化、轻量化、高集成的设计方式[4]。本文设计了一种无人机载Ku波段有源相控阵天线，将波导裂缝天线阵面、T/R组件、波束形成网络、阵面波控和阵面电源等组成模块合理布局，实现了高集成、低剖面的设计，满足无人机载平台的要求，并可同时实现SAR成像和地面运动目标指示(Ground Moving Target Indication，GMTI)的功能。方位向采用集中馈电的波导裂缝天线实现了小于-20 dB的低副瓣电平；利用FFT反演算法，在平面近场微波暗室中对俯仰向各通道的幅度和相位误差进行了校正补偿，可以得到小于-20 dB的低副瓣电平并实现±60°的相控阵扫描。

1 系统组成与布局

某Ku波段无人机载一维相控阵雷达要求在俯仰向进行±60°的宽角扫描，在方位向需进行集中馈电并实现SAR波束不大于-20 dB的副瓣电平，并要求同时实现SAR和GMTI功能。根据要求，设计了Ku波段一维相扫有源相控阵天线，其组成原理框图如图1所示，由天线阵面、T/R组件、波束形成网络、阵面波控和阵面电源等模块组成。

图1 系统组成原理框图

为了满足无人机载荷轻小型化的要求，有源相控阵天线必须采用高集成、低剖面的设计，减小体积，降低重量，对内部各组成模块合理布局。有源相控阵天线采用三维叠层安装的系统架构形式，天线阵面作为安装基准和结构框架的一部分，T/R组件、阵面波控等其他模块全部平铺或叠层安装在天线阵面的背面，结构紧凑，节省空间。其中，阵面左右两边各排布4个T/R组件和一个阵面电源，4个T/R组件平铺排布，阵面电源叠层安装在T/R组件上方；阵面波控和波束形成网络平铺安装在阵面中间。

天线阵面采用裂缝波导驻波阵形式，由32行裂缝波导线源沿俯仰向排列而成。为了提高雷达威力，增大有源发射功率，每行裂缝波导线源由左右两个SMP连接器馈电，对应两个有源T/R通道；并且该方式可以便于同时形成全阵面和左、右两个半阵面的射频合成通道，同时实现SAR和GMTI功能。馈电SMP连接器采用带90°弯头的形式，则盲配互连的T/R组件可以横向平铺安装，使整个有源相控阵天线的剖面高度得到大幅降低。必要时，天线阵面还可以集成校正波导，以实现有源相控阵天线的内校正功能。

整个有源相控阵天线包含64个有源T/R通道，与天线阵面的64个馈电口一一对应。为了提高系统集成度，采用八通道T/R组件的形式，则整个有源相控阵天线共包含8个T/R组件。每个T/R组件有8个射频分口，以SMP连接器通过双阴连接器与天线阵面的馈电端口盲配互连，去电缆化设计，减小馈线损耗，提高天线效率和系统集成度。每个T/R组件有两个射频总口，连接到波束形成网络；一个低频总口，连接到阵面波控和阵面电源。

波束形成网络将左阵面和右阵面的各4个T/R组件的射频总口传来的射频信号分别进行合成，并一分为二，其中一半功率分别形成两路GMTI波束信号传给后级的GMTI接收机，另一半功率再合成形成全阵面的SAR波束信号传给后级的SAR接收机。波束形成网络同时用作发射激励的功率分配网络，由设置在波束形成网络内部全阵面总口位置的环形器实现收发隔离。

阵面波控为全阵面8个T/R组件提供工作所需的时序和波束控制信号；阵面电源为各T/R组件、阵面波控和风机提供工作电源。左右两半阵面的T/R组件和阵面电源为叠层安装，在T/R组件和阵面电源之间设置散热翅片，并设置散热风机通过风冷形式散热。将两个主要的发热模块共风道设计，可以减小风机数量，提高系统集成度，降低系统重量和功耗。

2 波导裂缝天线设计

对于一维相扫的有源相控阵天线，另一维需进行集中馈电和幅度加权，波导裂缝天线因其低损耗、高效率、口径分布容易控制易于实现低副瓣等特点，成为有源相控阵天线的优选方案。同时，波导裂缝天线还具有功率容量高、交叉极化低、结构紧凑、机械强度好、可靠性高、使用寿命长等优点，广泛应用在雷达和通信领域[5-6]。与窄边斜缝相比，宽边纵缝天线在整体剖面高度和重量等方面更有优势，因此本天线选用宽边纵缝波导天线。由于俯仰向的扫描角度大，单元间距小(仅9 mm)，需在波导宽边内加脊以减小波导天线线源的宽边尺寸，同时增大工作带宽[7]。

图2 天线线源结构模型图

根据天线工作频率和俯仰向单元间距，可以确定脊波导的截面尺寸，进而确定中心频率波导波长λg。由于驻波阵的波导裂缝间距为λg/2，因此根据λg和天线方位向结构包络尺寸可以确定波导裂缝的数目为24个。对于驻波阵波导裂缝天线而言，单根辐射波导上的辐射裂缝数越多则工作带宽越窄[8]。因此，为了进一步扩展工作带宽，并综合考虑整体剖面高度，将24个波导裂缝分为4个子单元，每个子单元6个缝隙，采用中间馈电的形式。单根波导裂缝天线线源的仿真模型如图2所示，为左右对称分布形式。整个天线由3层波导组成，上层为辐射波导，中下两层为馈电波导，采用E-T功分器的形式直接为辐射波导馈电，压缩了天线的剖面高度尺寸，并可方便地调整功分比以控制方位向的口径分布。下层波导将天线的两个馈电端口分别转移至阵面的左右两边缘，为T/R组件、波束形成网络等各模块的排布让出空间。

波导裂缝天线的各裂缝相对于波导中心的偏置量、缝长和倾角等参数对应着裂缝的等效阻抗和导纳，决定了波导裂缝天线的驻波和辐射特性，因此各波导裂缝参数的确定是波导裂缝天线设计的关键。本天线线源要求方位向SAR波束的副瓣电平不大于-20 dB，拟采用-24 dB的Taylor加权。我们采用计算机仿真软件辅助设计的方法[9]，提高天线设计的效率和准确度。首先利用HFSS软件提取波导裂缝端口的S参数，计算等效导纳参数；然后利用Matlab软件计算天线线源口径面的激励电平分布，并转化为各波导裂缝的有源导纳分布，计算出各裂缝的偏置量和缝长参数，建立初步模型；最后在HFSS中进行仿真计算，通过反演算法多次迭代优化设计，调整裂缝参数，可以得到较为理想的辐射方向图和端口驻波[10]。

经仿真优化设计后的各波导裂缝的偏置量和缝长参数如表1所示，由于天线线源的24个波导裂缝为左右对称分布，因此表1中仅列出了左阵面的12个波导裂缝的参数。

表1 各波导裂缝的偏置量和缝长参数 mm

3 仿真及测试结果

根据最终的仿真优化模型，设计和制造了32行线源的Ku波段单脊波导裂缝天线阵列，采用多层铝板分别数控加工再整体真空钎焊的工艺方式加工而成。线源间距9 mm，在相邻线源之间设置深度为λ/4的扼流槽以抵消位移电流，减小线源之间的互耦，并抑制交叉极化。按照上文所述的Ku波段有源相控阵天线系统组成，完成了波导裂缝天线阵面与T/R组件、波束形状网络等各组成模块的装配，实物照片如图3所示。

图3 有源相控阵天线实物图

有源相控阵天线装配完成后，由于器件一致性、加工误差等因素，各有源通道之间存在固有的系统幅相误差，需要对系统进行校正补偿。我们采用基于平面近场微波暗室的FFT反演算法[11]对俯仰向64个有源通道的幅相误差进行了校正补偿。在微波暗室中采集被测天线的近场幅度、相位数据，反演得到口径场的幅相分布，与理论值相比较可以计算得到各通道的幅相补偿码值，进而可以在微波暗室中测试得到校正补偿后的天线方向图。

有源天线方位向全阵面即SAR波束的中心频点仿真及实测方向图如图4所示。仿真方向图副瓣电平-23 dB，3 dB波束宽度2.7°；实测方向图副瓣电平-20.6 dB，波束宽度与仿真相同。实测方向图与仿真方向图基本一致，由于工作频段较高，对尺寸公差比较敏感，受加工制造误差的影响，天线口径场幅相分布略有变化，导致副瓣电平抬高了2 dB左右。

图4 方位向全阵面SAR波束方向图

有源天线方位向左半阵面即GMTI1波束的中心频点仿真及实测方向图如图5所示。仿真方向图副瓣电平-12.4 dB，3 dB波束宽度5°；实测方向图副瓣电平-11.6 dB，波束宽度4.9°。右半阵面即GMTI2波束的中心频点仿真及实测方向图如图6所示。仿真方向图副瓣电平-12.5 dB，3 dB波束宽度5°；实测方向图副瓣电平-11.8 dB，波束宽度5°。实测方向图与仿真方向图基本一致，副瓣电平略有抬高。

图5 方位向左半阵面即GMTI1波束方向图

图6 方位向右半阵面即GMTI2波束方向图

图 7 俯仰向法向及扫描方向图

有源相控阵天线俯仰向32行线源采用了-25 dB的Taylor加权，其法向和相控阵扫描20°,40°,60°的实测方向图如图7所示，法向方向图副瓣电平-23.6 dB，3 dB波束宽度3.8°；扫描时波束变宽，副瓣电平略有抬升，最大扫描角60°时的副瓣电平为-19.6 dB。

4 结束语

本文设计了一种Ku波段有源相控阵天线，介绍了有源相控阵天线的系统组成和模块布局，分析了设计思路，实现了高集成、低剖面的有源相控阵天线设计，并可同时实现SAR和GMTI功能。设计了宽边纵缝驻波阵波导裂缝天线，通过加脊和分区馈电法扩展了天线的工作带宽。通过反演算法在近场暗室中对有源相控阵天线进行了校正补偿。仿真和实测结果表明该天线可以实现两维-20 dB的低副瓣电平，并且可以在俯仰向实现±60°的相控阵扫描。本天线具有宽带、宽角扫描、低副瓣、结构紧凑、低剖面、机械强度好等优点，适合作为无人机载平台的相控阵天线。