柔性降级技术在相控阵天线中的应用

雒寒冰 杨晶晶 张红英 杨帆 莫志明

摘 要：本文主要讨论了柔性降级技术在相控阵天线中的应用。相控阵天线主要包括波束控制器、天线阵列和发射组件（T组件），相控阵天线接收调制后的射频信号，通过T组件的支持，天线阵列能够实现发射波束合成及指向变化，完成终端返向功率信号对外辐射功能。这样的设计大大提高了相控阵天线的效率和可靠性。部分支路的损坏并不能影响系统的正常工作，这种“柔性降级”技术可以显著提高相控天线的可靠性、维修性和保障性。

关键词：柔性降级技术;相控阵天线;可靠性

中图分类号：TN951 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.040

本文著录格式：雒寒冰，杨晶晶，张红英，等.柔性降级技术在相控阵天线中的应用[J].软件，2021，42（02）：129-130+146

Application of Graceful Degradation Technique to Phased-array Antenna

LUO Hanbing， YANG Jingjing， ZHANG Hongying， YAN Fan， MO Zhiming

（ Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Shanghai  201109）

【Abstract】：This paper discussed the application of graceful degradation technique to phased-array antenna in relay terminal. The phased-array antenna mainly includes beam-controller， antenna array and transmitter module（T module）.The phased-array antenna receives modulated RF signal， optimizes the downlink transmitter beam and change the spatial direction of the beam with T module and finally radiates the power signal receiving from the terminal. This design greatly increases the efficiency and reliability of the system. Even if one of the branches is abnormal， the system can still work. The graceful degradation technique can significantly improve the reliability， maintainability and survivability of the phased-array antenna.

【Key words】：graceful degradation technique;phased-array antenna;reliability

0 引言

相控陣天线是中继用户终端的重要组成部分，受安装空间、承载能力等多方面的限制，设计时除了满足性能指标，还需考虑其电磁兼容性、可靠性、维修性等多方面因素，这在很多程度上取决于电子器件、结构及工艺技术。为了提高相控阵天线性能、增加可靠性、降低生产成本，我们采用了柔性降级技术，该技术融合了功率分配和高功率器件技术，将电气设计与结构设计和工艺技术紧密结合在一起，在提高单元性能和可靠性的基础上，通过高单元故障隔离和单元失效时低性能恶化保障等技术，实现了相控阵天线的高功率、高效率时的高工作可靠性。

1 基本原理

相控阵天线由天线阵列、功分器、发射组件（T组件）、波束控制器、电源、结构主体等组成，如图1所示其中。其中功分器实现射频信号分路;波束控制器解算得到天线的波束指向，由此计算各发射支路的移相值并配置T组件;T组件进行射频信号的移相与放大;天线阵列完成波束合成和信号的对外辐射。

柔性降级技术是在当前相控阵天线设计的基础上，将相控阵天线的结构进行模块化、分体式设计，分解为相控阵天线的天线单元、T组件、电源控制等各种功能模块，如图2所示。模块以分层式结构组合，通过其他级联设备可实现灵活组成不同需求的完整相控阵天线系统。

这种设计有如下的优点：

（1）可以通过改进各种模块的性能指标或更改模块数量来完成天线的组阵，快速简洁地实现相控阵天线系统的设计;

（2）若天线出现故障，可以通过迅速定位故障区域，直接更换相关模块来完成天线的快速维修，迅速恢复天线的正常工作，提高了天线系统的维修效率[1]。

2 柔性降级技术在相控阵天线中的应用

2.1天线阵列

天线阵列一般使用一块微带板加工制作，将所有微带天线单元印制在一块板上构成天线阵列。采用这种方式加工，不便于天线单元和天线阵列的调试。一旦某个天线单元的电性能严重恶化，将无法进行替换。为了实现柔性降级，天线阵列采用模块化设计和加工方法，组成天线阵列的每个单元单独加工制作[2]，并按照每个单元在阵列中的位置安装固定在底座上，组成天线阵列。阵列调试时如发现某个天线单元的电性能严重恶化，可以通过替换单元的方式确保天线阵列正常工作。

2.2功分器

功分器选用分体式方案，由一个1分2功分器和另外两个1分N功分器级联而成（T组件数量为2N个），功分器之间通过射频电缆连接，模块化、分体式的设计方案使得布局较为灵活。功分器输出端和T组件之间采用射频电缆连接，并采用上下叠层方式布局。

2.3电源部分

为了提高供电的可靠性，输出的多路电源为并联方式，互不干扰。电源模块均采用隔离DC-DC，确保输入输出隔离。同时进行负压检测，一旦负压输出故障，将关断正电压模块的输出，对T组件进行保护。电源设计采用输入输出隔离模块，输入端配备了保险丝，确保了与其他单机的隔离，保证了外部单机和上级电源不受影响。整个电源板基本以并联的方式构成，相互影响较小。另外，天线内部的电源信号均采用双点双线设计。

2.4波束控制器

波控器的功能是：计算、控制各发射支路的移相值，反馈相控阵天线的工作状态。考虑到本方案采用多个单元组成天线阵列，因此建立行列分离的分布式配相模型，即将移相码数据流同步并行发送给分组的T组件移相器单元[3]。每组T组件单元包含若干个T组件移相器，其中每个T组件移相器将从串行数据流中截取和它相对应的移相码完成移相功能[4]。

3可靠性分析

使用柔性降级技术的相控阵天线的不仅有着快速设计以及维修效率高的优点，同时也可以改善他的可靠性。

相控阵天线任何一个功能的失效都能导致单元模块的失效进而影响相控阵天线的性能。为了对采用了柔性降级技术的相控阵天线有更直观的了解，我们对相控阵天线从理论上进行了可靠性分析。可靠性模型一般有串联结构、k/n余结构两种形式。在串联结构中，在系统内所有的单元必须正常运行，整个系统才可以正常运行[5]。

根据相控阵天线系统的组成及工作原理，各部套在电路功能上相对独立，属于串联结构，未采用柔性降级技术的相控阵天线系统可靠性框图如图3所示。

柔性降级技术中采用模块化、分体式的设计，在原来模型基础上对各部套进行柔性降级，原相控阵天线可靠性模型中的各个部套均进行了一定的并行设计，改变了简单的串联可靠性模型，加入了k/n余结构，通过增加各部套的可靠性来提高相控阵天线的整机可靠性。

4 结语

通过深入分析柔性降级技术在相控阵天线系统中的应用和可靠度分析可知，该类型的相控阵天线系统有较高的可靠性。柔性降级技术在提高相控阵天线设计和维修效率的同时，天线系统仍具有较高的任务可靠性。随着目前对相控阵天线的集成度要求的越来越高，采用柔性降级技术的相控阵天线组阵结构简单，如果相控阵系统需要，可以将T组件增加，对应改变功分器或增加功分器的个数，以及改变框图中电源模块、天线阵列数量，最后只需根据任务需求，对波控软件进行相应修改就可以实现一个新型相控阵天线的设计，并且使用过程中维修方便，可靠性高。所以柔性降级技术在相控阵天线中良好的应用前景。

参考文献

[1] 钱林.基于可扩充阵列模块的相控阵天线及其可靠性分析[J].硅谷，2012（11）：55-56.

[2] 胡明春，周志鹏，严伟.相控阵雷达收发组件技术[M].北京：国防工业出版社，2010.

[3] 王贞松，丁丁.星载合成孔径雷达有源相控阵天线研究[J].电子与信息学报，2009（5）：598-605.

[4] 张中伟.相控阵天线关键技术的研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2012.

[5] 朱文冰.星载合成孔径雷达的可靠性设计[J].现代雷达，2006

（4）：75-78.

[6] 束咸榮，何炳发，高铁.相控阵雷达天线[M].北京：国防工业出版社，2007.