子阵级延时的宽带相控阵技术分析

刘鑫超 吴 皓 洪 伟

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着相控阵技术的快速发展，其广泛应用于现代雷达、电子对抗设备中。对雷达而言，目标识别、成像、高分辨力与带宽息息相关，对电子对抗装备，瞬时带宽直接影响设备的频域截获和干扰能力。由于目标识别、成像雷达的工作带宽不断提高，对电子对抗装备提出了更高瞬时带宽的需求；同时，快速空域截获能力对电子对抗装备的空域覆盖范围也提出了更高的要求，使宽带相控阵波束指向大角度扫描的需求越来越迫切，如何提高宽带相控阵波束指向大角度扫描精度，使侦察设备能在频域和空域内同时快速截获威胁雷达信号，成为电子对抗研究人员关注的研究方向。

1 宽带相控阵系统存在的问题

1.1 相控阵原理

相控阵由一系列等间距或不等间距的辐射阵元及收发组件组成，通过改变各馈电阵元的相位，实现空间上的波束赋形或扫描，不需要改变阵列的物理朝向，根据相控阵的排布方式，可将相控阵分为一维线阵、二维面阵、曲面及共形阵列等。

以一维等间距线阵为例，如图1所示，由个阵元组成的一维线阵，阵元等间距排列，间距为，每个阵元后端连接一个移相器，控制该通道辐射信号的相位。通过改变各阵元通道信号的相位，各个阵元接收的信号叠加在一起就会形成一个指向可变的波束。

图1 一维相控阵天线原理图

假设强度为，频率为的信号从方向为的角度辐射到阵面，则其到达第个阵元与第1个阵元的波程差0为

0=(-1)sin

(1)

其到达的时间差为

(2)

其中为光速，我们称0为孔径渡越时间。

此时，第个阵元与第一个阵元的相位差为

(3)

令第个通道移相器的移相值为Δ，根据信号合成理论，该角度的场强可以表示为各个阵元接收到辐射信号的矢量和，即

(4)

当Δ+=0时，场强()达到最大值，由此可看出，只要改变移相器的相移量，就可改变系统的波束指向角，从而形成波束扫描。

通过以上计算分析，当系统需要将波束指向时，只需将第1个阵元至第个阵元的信号相位分别移动Δ=-=-2π0(为阵元编号)即可。在工程应用时，由于移向值为[0,2π]之间的数，故移相器提供的移相值为

Δ′=-2π0(mod2π)

(5)

1.2 色散问题的产生

上节分析了相控阵波束形成理论，可知通过对每个阵元的相移值进行配置，从而形成空间角度上的波束扫描，由式(5)可知，相移值与信号频率强相关，当系统为窄带信号系统，或信号带宽相对于信号频率可忽略不计时，通过对每个通道的相位控制可将波束准确的指向期望值。但是，当系统为宽带阵列时，将会引入宽带相控阵的色散问题。

对带宽为的宽带信号=+来说，若其相移值按照点频进行计算，则有

(6)

可知，当信号为宽带信号时，继续使用频率前沿的配相值将会使孔径渡越时间0发生变化，即波束指向会由变为。其中为的波束指向，令=+′,其中′为波束指向偏差，则

(7)

下面将通过仿真实验来说明宽带阵列的色散效应。以某型Ka波段一维线阵为例，阵元数量为=32阵元的均匀线阵，阵元间距42mm，系统瞬时带宽为2GHz，图2展示了边界信号在法线、15°、30°和45°的扫描波束。

图2 宽带边界信号在基于移相器的宽带相控阵中的扫描指向曲线

由图2可知，对中心频率为35GHz、瞬时带宽为2GHz的宽带接收相控阵系统，当接收边带34GHz和36GHz的信号到达时，其低边带和高边带信号的波束指向发生了明显的偏差，且其偏差随着指向角度的增大而增大，与前文分析一致。在波束指向为45°时，34GHz信号指向偏差最大约为1.7°，与式(7)计算结果一致，误差接近3dB波束宽度的一半，误差已严重影响系统的工作。

2 典型宽带相控阵延时器方案

2.1 主流延时方法

2.1.1 微波光延迟

典型单路微波光延迟的结构如图3所示。射频信号经由一个电光转换器(E/0)转换为光信号，在光纤介质上延迟或处理后再通过光电转换器(0/E)变换回射频信号。通过这种形式，不但可在光域对射频信号延迟，达到对每个通道相位一致的需求，还可在光域对信号进行滤波、信道化、宽带测频等微波光子信号处理。

图3 典型单路微波光延迟结构图

光延时的优点是瞬时带宽宽、损耗低、抗干扰能力强以及良好的温度特性，且传输损耗与频率无函数对应关系。其缺点是成本高，虽然光纤本身的成本已经可忽略不计，但射频/光转换设备的成本目前还是较高。同时，由于其是由几部分独立功能的模块组成，体积相对较大，可应用于地面、车载等大型相控阵上，对于Ka波段或更高频率的相控阵设备，由于单元间距、阵面规模的限制，无法应用在这类小型相控阵中。

2.1.2 微波传输延迟线

微波传输线延迟线是采用微带线、同轴线或波导等微波传输线构成的延迟线。由于电磁波微波传输线中传播时需要时间，传播时间与传输线的长度相关，通过对传输线长度进行精确地设计可以实现高精度的延迟线设计。由于射频信号在微波传输线中的传播速度接近于光速，因此，很难实现大时延量的延迟线设计。同时，要组合满足相控阵需求的灵活可调延时量，使用微波传输延迟线，需要较大的体积和重量。

2.1.3 数控延时芯片

数控延迟芯片是由于现代集成电路(IC)工艺的不断提高，晶体管的尺寸不断缩小，工作频率的不断升高，伴随着数控延迟技术发展而产生的，它主要出现在与时序相关的集成电路中，其延时的精度可从ps到μs，数控延时器具有体积小、重量轻、精度高以及灵活可调等优点，目前越来越多的应用到宽带相控阵中。但是，受限于目前器件水平的发展，数控延时芯片的数控位数只能做到3～4bit，步进量和总延时量不能兼顾，且单芯片的增益损耗较大，多级串联需要补偿的增益太高，实现高阶数的控制的难度较高。

2.2 典型宽带延时相控阵模型及存在问题

由上文可知，由于宽带信号在相控阵中相同的孔径渡越时间0内，不同频率信号有不同的相位偏移量，造成了由于信号频率变化引起的波束指向偏移问题，通过以上分析，由于不同频率信号的孔径渡越时间0不变，如果对宽带系统的每个通道进行延时设计，可有效改善宽带相控阵因带宽变化造成的波束指向偏移问题。

图4 一维宽带延时相控阵系统原理

由式(2)可知，对于波束指向，孔径渡越时间0不随频率的变化而变化，为使()最大，则只需阵元延时量′等于孔径渡越时间0即可。

(8)

其最大延时量′取决于阵面两端阵元距离(-1)和波束扫描角度的最大值，其最小延时量′等于延时步进量′，取决于相邻阵元间距和角度最小扫描步进。

我们以一维=32阵元，阵元间距42mm，扫描角度为±45°，扫描步进为1°的典型小型相控阵系统来分析：

(9)

(10)

其数控位数为

(11)

从上述计算可以看出，如果按理想延时模型来设计宽带相控阵，则需要306ps的总延时量和0244ps的步进量，即延时器必须有不低于11种延时组合互相匹配，或芯片级延时器位数不低于11位才能满足要求，这样的设计需求会造成系统复杂度、尺寸、重量和成本直线上升，无论采用上述的何种主流延时方案，对于这种一维的小型相控阵来说，其体积、重量、功耗及成本都是不可接受或无法实现的。

3 基于子阵级真延时解决方案

3.1 子阵级真延时相控阵方案设计

由上文可知，如果每个阵元都采用延时线或者延时芯片来进行相位调整，则系统需要较大的延时总量和较小的延时步进量，这样的延时需求给系统的工程实现带来极大难度，考虑到宽带相控阵的波束指向偏差主要是由较大的孔径渡越时间引起的，而相邻阵元间的孔径渡越时间差相对较小，对波束指向影响较小的特点，姜玮等人提出了分级延时的方法，通过子阵内低步进延时线和子阵间高步进延时线来实现，但对Ka频段小型相控阵来说，其成本、复杂度、包括延迟芯片都很难工程实现。

根据这种分级想法，结合工程实现，本文提出一种将相控阵划分为若干子阵，在子阵内移相，子阵间延时的分层设计方法，在解决距离较大阵元间宽带信号相位变化过大问题的同时，又兼顾了小规模相控阵的工程实现。

3.2 分析与仿真

我们以上述线阵为例进行分析。由图5可知，本方案将每4个阵元作为一个子阵，内部采用移相器完成子阵内配相，8个子阵之间采用延时芯片完成子阵间的孔径渡越时间补偿，则对于波束指向，其编号为的阵元延时量为

图5 子阵级延时分层设计原理框图

(12)

同时，由于采用移向器配相时只有在大角度扫描时宽带信号才会产生色散，故系统在设计时将延时线的启用状态设置为扫描角度超过10°时使用。故系统最大延时量取决于第8子阵和第1子阵的间距、最大扫描角度两个参数，则

(13)

系统最小延时量取决于相邻子阵距离与最小扫描角度

(14)

(15)

此时，延时器的位数为3位即可满足要求，而移相器也无需较高位数，此时大幅降低了工程设计难度和设备量，为小型宽带相控阵提高宽带接收能力提供了解决方案。

根据上述分析，结合目前已经工程化的延时芯片，延时步进量为28.57ps，延时总量200ps，数控位数为3bit，分别以4阵元/8阵元为一组子阵，子阵间采用延时芯片的分层设计进行仿真，得到上下边带信号的波束指向，如图6和图7所示。

图6 边带信号在4阵元子阵分层延时方案的波束指向对比

图7 边带信号在8阵元子阵分层延时方案的波束指向对比

由上述仿真结果可知，宽带相控阵采用子阵级延时的分层设计思想进行设计的系统，其边带信号在法线、15°、30°、45°的扫描波束指向偏差相对于中心频率信号的扫描角，偏移变化不大，在瞬时带宽2GHz、扫描45°时的极限情况偏移大约为0.5°，相对于传统移相器系统波束指向偏差1.7°已经发生了非常大的改善，且通过对比4阵元和8阵元子阵的仿真结果发现，两种方案的波束指向偏差不大，再次印证了波束指向偏差主要是由最大孔径渡越时间带来的结论。

同时，由于目前的芯片最大延时量仅为200ps，根据前文分析，没有满足系统对最大延时量的需求，这是权衡了系统复杂度和波束指向精度两个指标后的设计结果。如果系统对大角度扫描波束指向精度要求极高，则可通过串联2片芯片延时器的方案来实现，其仿真结果如图8所示。

由图8可知，串联2级芯片延时器由于满足了最大孔径渡越时间的要求，其大角度扫描的波束指向精度误差更低，但由于芯片延时器衰减较大，串联2级芯片延时器，需要对T/R组件的增益链路进行大幅补偿，提高了系统复杂度，可在工程设计中根据需求权衡设计方案。同时，通过横向对比，发现同样使用8个延时芯片，采用8阵元子阵串联2个延时芯片的方案，比4阵元单个延时芯片的方案，波束指向精度更高。

图8 8阵元子阵分层延时方案延时量400ps的波束指向

4 结束语

宽带相控阵的波束指向稳定度随频率变化而变化的问题，会直接影响到宽带相控阵的使用，必须采取一定的技术手段对孔径渡越时间进行补偿，弱化和改善频率变化对波束指向的影响，但阵元级的延时补偿带来设备量大和系统复杂度高的问题，在小型相控阵无法应用，本文提出一种基于子阵级真延时的设计方法，通过在子阵内移相、子阵间延时的分层设计方法，大幅改善了宽带相控阵的波束指向稳定度问题的同时，降低了系统设计复杂度，目前已完成工程化设计，应用在相关项目中。