有源相控阵雷达天线结构设计

有源相控阵雷达天线结构设计

周海玲

南京电子技术研究所，江苏 南京 210039

摘要：随着科学技术的发展，我国的雷达天线结构设计有了很大进展。相控阵雷达天线作为一种涉及多个学科知识的复杂机械电子学设备，其结构设计必须依靠系统的设计方法。以某车载相控阵雷达天线为例，提出了其结构设计中需要考虑的核心关键因素，并对各关键因素的设计方法进行了研究，系统地叙述了该类天线的结构设计方法。

关键词：有源相控阵天线；结构设计

引言

随着现代信息战争需求和科技的不断发展，有源相控阵体制在可靠性、隐身性、抗干扰能力和多目标攻击能力等方面均有大幅度提升，已成为现代雷达产品的主流。有源相控阵天线已越来越多地应用于陆基、海基、空基、以及天基雷达中。

1天线阵面系统组成

X波段机载有源相控阵火控雷达的天线阵面包括

天线振子、T/R组件、馈线网络、控制模块、电源传输、信号传输以及阵面框架等。除上述独立的功能部件之外，天线阵面还包括必需的冷却系统和内部走线网络。天线阵面的冷却系统为强迫式液冷散热形式，主要为T/R组件提供散热功能，由分水静压腔和并联的冷板构成。分水静压腔一般为直通型流道，而冷板内部流道需根据散热功耗、外部流量和流阻特性来确定具体结构形式，常见的有直通型流道、蛇形流道和微通道流道。内部走线网络是将电连接器、电缆、导线等通过不同程度的优化集成，形成近似模块化的连接部件，使阵面内部的功能模块之间达到有效互联的状态。

2结构优化基本理论

理想的雷达天线结构设计，需满足刚强度指标，符合结构轻薄化、成本低廉、可靠性好等优点。随着有限元法和数学规划理论的发展，使人们不仅有了强大的结构分析工具软件，还有了一套系统的优化设计方法。从设计对象和变量的特点来看，结构优化设计可分为 3 个层次:(1)尺寸优化。是在确定的形状下，对构件的截面、性质等进行优化，其设计变量通常为截面尺寸、截面积、惯性矩等;(2)形状优化。主要用来确定结构的边界或内部的几何形状，达到改善结构的受力状况和应力分布，降低局部区域应力集中的目的;(3)拓扑优化。一般旨在寻求结构刚度在设计空间最佳的分布形式，或结构最佳的传力形式。工程中的大多数优化问题属于带约束条件的非线性数学规划问题。非线性规划问题的求解方法大致分为 3 类:(1)可行方向法。从可行点出发，每次迭代都沿着下降的方向进行搜索，从而求出目标函数值下降的新可行点;(2)罚函数法。根据约束函数和目标函数，构造具有惩罚效果的目标函数序列，从而将约束问题转化为无约束问题，逐渐逼近优化问题的最优解;(3)基于序列近似的思想，可将原目标函数的求解转化为对序列子问题的优化求解。例如，对目标函数进行二次泰勒展开，并将约束条件线性化，将原非线性数学规划问题转化为二次规划问题。

3有源相控阵雷达天线结构设计

3.1互联设计

（1）射频网络。射频网络主要包括发射网络和接收网络2个部分，发射网络的主要任务是保证各阵元能够激励起所要求的激励振幅和相位，后控制天线阵波束指向形成所要求的方向图；接收网络主要完成和差计算等。因此射频网络是天线阵面的核心网络，是天线电气性能的最直接载体。（2）控制网络。波控系统的硬件设备主要包含方舱内主波控设备和天线阵面波控插件、激励器等。波控网络的主要作用是根据不同的天线波束指向要求，对每个单元移相器的移相量进行计算并通过控制总线传输给组件。（3）电源网络。有源相控阵雷达大量采用了有源组件，因此属于大功率供电系统。目前基于体积、重量和散热的要求，一般采用分布式供电系统，硬件构成主要包括一次电源、二次电源和电源模块等，一次电源主要完成交直流转换，二次电源和组件电源模块进行直流变压转换满足各电气需求。（4）三网融合互联设计。传统的天线阵面布局以三网独立走线设计为主，模块间采用线缆互连方式，阵面走线复杂、交织穿插、抗电磁干扰性差、维护极为困难。三网融合互联设计可实现微波网络、控制网络和电源网络的板内集成，大量减少互联电缆和大幅缩小网络空间体积。

3.2有源线阵设计

有源线阵由线阵支架、天线振子、T/R组件以及列馈4部分组成。线阵支架是有源线阵的结构支撑，其两端安装盲插水接头，内部包含冷却管路，为T/R组件提供散热功能;线阵支架内部还安装综合线束，用于传输电流、射频信号和控制信号。天线振子直接固定在T/R组件上，形成可独立维修的现场可更换模块。列馈属于无源部件，几乎不用维修，安装在线阵支架的后端，通过综合线束与T/R组件连接形成信号链路。集成后的有源线阵作为现场可更换单元，通过围框的导向槽直接与底板盲插，利用锁紧装置与围框和底板固定，有效保证电接口和液冷接口的可靠性。

3.3接地设计

在天线阵面中，接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要手段之一，阵面中的地线主要包括电源地、射频地、信号地及安全地。电源地的本质就是电源负极，信号地的基本目的是为信号电压提供一个零电位参考点，安全地的目的是把设备的外壳利用低阻导体连至大地保证人员安全。阵面馈电网络的各功能盒体中射频地（即射频连接器的外壳）与壳体应进行大面积良好接触，以保证良好的电性能。在综合背板中电流互联层一般采用独立整层设计，外层采用加厚铜层进行隔离，电源地为独立的地线，通常与电源线并排或双绞；阵面中各电流条绝缘层的表面要涂覆导电材质进行接地，以隔离干扰。阵面中数字信号地一般为独立的地线，不能与射频和电源地相连。

3.4后端功能部件设计

后端功能模块主要包括波控模块、馈线网络以及阵面总线等。波控模块为分布式模块，作为一级现场可更换模块，每个波控模块对应控制一条有源线阵，为了提高波控模块的可维护性，波控模块设计成插盒结构形式，通过底板的导向插槽与有源线阵的综合线束盲插对接，再由锁紧装置与阵面框架固定;馈线网络采用印制板层压结构形式，固定在底板后面，通过转接电缆与有源线阵对应的接口连接;阵面总线包括供电传输网络和控制信号分配网络，分别安装在底板后端面的上下边缘，通过电连接器与有源线阵对应的电接口对接;供电传输网络由铜板和绝缘介质叠层而成，控制信号分配网络由PCB印制板设计而成。

3.5滤波设计

传导是干扰源与敏感器之间的主要耦合途径之一，传导耦合可以通过电源线、信号线、互连线等导线，以及屏蔽体、接地导体等导体进行传播，解决传导耦合的办法是在干扰进入敏感器之前用滤波方法从导线或导体上除去干扰，包括电源线滤波器和信号线滤波器。印刷线路板上的脉冲信号具有丰富的高频成分，高频信号又具有较高的辐射效率，所以板上导线直接成为了潜在的接收和辐射天线，使用信号滤波器可使脉冲信号的高频成分大量减少，进而有效地改善印刷线路板的干扰。

结语

综上所述，有源相控阵雷达在气象雷达领域的应用会越来越广阔，应根据需要在战术指标和成本之间选择最佳的规模和最适合的结构形式。有源相控阵气象雷达的成本还可以进一步的降低，总体布局优化、内部组件模块化，内部结构集成化都是降低成本的有效途径。本文设计的有源相控阵气象雷达结构，可为类似产品的结构设计提供一种思路，有一定的借鉴意义。

参考文献

［1］唐宝富，钟剑锋，顾叶青．有源相控阵雷达天线结构设计［M］．西安:西安电子科技大学出版社，2016．

［2］蒋庆全．有源相控阵雷达技术发展趋势［J］．装备与技术，2005(4):9－11．

［3］陈应春，宋晓斐．某车载偏馈天线结构设计［J］．电子机械工程，2018，34(1):19－22．