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当前我国卫星存在“载荷功能单一”和“一箭定终身”的问题,难以适应军事任务变化需求。因此,亟需研究集通信、电子侦察、导航、探测和干扰等多种功能于一身的软件定义卫星[1-2]。具有超宽带宽角扫描、低剖面和轻量化特性的阵列天线[3-4],作为软件化多功能一体化卫星发射和接收电磁信号的前端,受到越来越多的关注。
众所周知,Vivaldi天线具有超宽带特性,结构简单且易于组阵,但受限于阵元间距,该类相控阵天线均不能实现宽角扫描,而且剖面较高达到了3个高频波长,难以与载体平台共形[5-6]。文献[7-9]报道了基于紧耦合效应的超宽带相控阵实验结果,紧耦合超宽带天线虽然在超宽工作带宽和低剖面低交叉极化等方面具有一定优势,但存在阵列边缘需要设置哑元、不利于模块化组阵等设计缺陷。
针对有限大阵列边缘效应的问题,文献[10]提出采用终端短路的哑元来模拟无限大阵列,以改善阵列每个单元的有源驻波比。文献[11-12]设计了一款双层八角环结构的强耦合一维天线阵,该阵列在4.4:1(2.5~11 GHz)的带宽内可实现±45°的波束扫描。然而,天线阵列两侧哑元的引入降低了孔径效率,同时导致阵列宽度增加两倍,极大地增加了天线的总体尺寸,不利于实际应用。文献[13]提出在双极化线阵两侧同时加载导电栅栏和铁氧体材料,分别为垂直极化偶极子和水平极化偶极子提供其缺失的电壁和磁壁,以实现同周期环境下相同的效果。上述两种解决方案虽然可以在一定程度上缓解截断效应对一维阵列性能的影响,但还存在阵面尺寸较大或工作带宽较窄的不足,并且都引入了有耗负载。
经典相控阵天线通常采用移相器作为波束扫描的控制元件,而移相器属于频率敏感器件,在不同频率处同样的相移导致的时延不同。相控阵天线方向图除了是角度的函数,还是频率的函数。当超宽带宽角扫描相控阵天线工作在大瞬时带宽大扫描角度条件下,以中心频率进行配相后,波束指向会随频率变化在指定扫描角附近摆动,引起波束空间的色散效应[14]。孔径渡越时间也会造成发射、接收信号波形的时间色散,导致合成后的宽带波形畸变[15]。
为实现全孔径高效率电磁信号发射和接收,本文设计需同时激励两个镜像紧耦合偶极子单元,因此需要功分器电路将馈电端口信号分为两路。在不组阵方向阵列边缘采用延长型偶极子,消除截断效应的影响,并能有效降低低频段的有源驻波,在组阵方向采用垂直金属壁取代哑元作为宽角阻抗匹配层的支撑,最终实现了天线阵列的全端口馈电。采用阵元级移相器加延迟器解决瞬时大带宽大角度扫描条件下的波束指向色散和波形时间色散问题。本文提出并研制了一款全孔径超宽带紧耦合有源相控阵天线系统,该阵列天线可跨4倍频程工作,扫描范围达到45°,瞬时工作带宽可覆盖有源相控阵天线系统全频段。
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超宽带T/R组件包括10个T/R射频通道,分为8通道T/R组件和2通道T/R组件,主要由腔体、盖板、多层微波复合板等部件组成。
如图5所示,发射时,射频信号由一分二功分器进入8通道T/R组件,通过开关后一分二功分,将信号馈入驱动放大器,放大输出,再经过一分四功分后,馈入T/R通道中,经过数字衰减器和数字延时器芯片控制幅度相位,再经过三级放大器放大后,通过射频SMP接口馈入天线阵列,发射输出。
同理,接收时,天线阵列接收到射频信号后,输入至T/R射频通道中,经两级低噪放放大后,再经过数字衰减器和数字延时器芯片控制幅度相位,进入四合一功合器,合成后,再经驱动低噪放放大,再进入二合一功合器,合成后经过开关输出至变频通道中。
由链路预算可知,T/R组件发射增益可达22 dB,接收合路增益可达38 dB,发射输出功率为32.8 dBm。所选用低噪放噪声系数为1.2 dB,增益21 dB,整个T/R组件噪声系数为2.35 dB。
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8通道T/R组件共包含8个射频通道,每个射频通道均包含独立的收发链路,通道间通过腔体进行隔离,其内部结构如图6所示。2通道T/R组件共包含2条独立的收发链路,射频通道间通过腔体进行隔离,其内部结构与8通道T/R组件相似。
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超宽带相控阵天线带宽主要受天线波束指向的偏移(合成波束的空间色散)以及天线孔径渡跃时间(信号波形的时间色散)的限制。对于一维线阵最后一个天线单元所需要的时间延迟为:
$$ \Delta \tau =\frac{(N-1\text{)}d\text{sin}\theta }{c} $$ (1) 式中,N为一维线阵天线单元数目;d为天线单元间距;θ为扫描角度;c为光速。
对于该一维有源相控阵系统来说,10个通道间的相位不一致性,可通过该通道上的移相器配平。N=10,d=0.037 m,θ=45°,所需要的延时
$ \Delta \tau {\text{ = }} $ 785 ps,在移相器后级联了对频率不敏感的延时器,最大延时量为1 280 ps,延时步进5 ps,可提供波束扫描所需的真时延,因而不会产生波束指向的空间色散效应。针对线性调频脉冲压缩信号,当天线的孔径渡越时间TA0大于其信号带宽
$ \Delta f $ 的倒数时,阵列两端单元接收到的信号经过脉冲压缩后,在时间上会完全分开,不能合成,产生信号波形的时间色散。因此,信号瞬时带宽对TA0的限制是$ {T_{A0}} \leqslant 1{\text{/}}\Delta f $ ,通常,要求严格一点,取:$$ {T_{A0}} \leqslant \frac{1}{{10}} \times \frac{1}{{\Delta f}} $$ (2) 当通道插入长度为l的延时线时,其延时量为
$ {\tau _0}{\text{ = }}l{\text{/}}c $ ,则此时天线的孔径渡跃时间TA0下降为$ \Delta T{\text{ = }}{T_{A0}} - {\tau _0} $ ,于是,上式变为[14]:$$ \Delta f\le \frac{1}{10 \Delta T}=\frac{1}{10}\times \frac{c}{\left((N-1\text{)}d\text{sin}\theta {-}l\right)} $$ (3) 对于该一维有源相控阵系统来说,可提供l=785 ps时延,
$ \Delta f \leqslant \infty $ ,瞬时工作带宽可覆盖有源相控阵天线系统全频段。 -
超宽带宽角扫描有源相控阵天线系统采用风冷散热方式,在T/R组件背面直接贴装散热器进行散热。同时,进行热仿真分析,保证器件工作温度满足一级降额要求。
天线中器件热源分布如表1所示,总热耗121.8 W,发热方式为连续工作模式。散热路径如图8所示。
表 1 T/R组件射频芯片热耗统计
器件名称 单个热耗/W 数量 总热耗/W LNA1 0.2 12 2.4 驱放1 0.23 10 2.3 驱放2 1.24 10 9.92 LNA2 0.3 24 7.2 功放 10 10 100 设置环境温度为25℃,考虑辐射散热,表面发射系数0.8,功放安装到金属载板上,其余器件采用铅锡焊焊接到PCB板上,器件下方位置PCB板做金属过孔散热,风机PQ性能如图9所示。
器件仿真温度与芯片内热阻引起的温升相加得到仿真结温如表2所示。由仿真结果可知,超宽带宽角扫描有源相控阵天线系统内主要发热器件,连续工作达到稳态后,其结温最大为83.85℃,满足一级降额要求。
表 2 T/R组件射频芯片温度符合性表
元器件 片内热阻/℃·W−1 热阻温升
/℃仿真壳温
/℃仿真结温
/℃一级降额额定结温
/℃是否满足要求 LNA1 41 8.2 37.12 45.32 100 满足 驱放1 41 9.43 36.75 46.18 100 满足 驱放2 31 38.44 44.55 82.99 100 满足 LNA2 47 14.1 37.63 51.73 100 满足 功放 4.3 43 40.85 83.85 115 满足 -
在微波暗室条件下,对超宽带有源阵列远场方向图及波束扫描能力、G/T值和EIRP值进行测试。研制的超宽带宽角扫描有源相控阵天线实物如图10所示,微波暗室远场测试场景如图11所示。待测超宽带有源阵列天线架设于转台之上,测试喇叭天线为双脊喇叭天线,位于与超宽带有源阵列天线同样高度的远区场,达到远场测试条件。
本工作所设计的超宽带有源阵列天线工作频率为1~4 GHz,测试时选取典型频点1、2、3、4 GHz进行波束成形及扫描测试,用以说明天线在频段内均可正常工作。图12~图15分别为超宽带有源阵列天线在频率1、2、3、4 GHz,旋转角0/180°条件下,离轴角从0°~45°扫描方向图,可见波束形状正常无畸变,波束指向正常,高频段时波束扫描角最大可达±45°以上,阵列尺寸仅为1 GHz波长的1.25倍,受限于阵列尺寸较小,低频段宽角扫描能力受限,通过扩展阵列尺寸,可在1~4 GHz频段内实现超宽带宽角扫描。
超宽带有源阵列G/T值计算为:
$$ G{\text{/}}T{\text{ = 10log10}}\left[ {{{kB\left( {{Y_2} - 1} \right){Y_1}} \mathord{\left/ {\vphantom {{kB\left( {{Y_2} - 1} \right){Y_1}} {\left( {{Y_1} - 1} \right)}}} \right. } {\left( {{Y_1} - 1} \right)}}} \right]{\text{ + }}{L_{\text{F}}} - {P_{\text{t}}} $$ (4) 式中,k=1.38×10−23 J/K为波尔兹曼常数;B为接收系统中频滤波器带宽;LF为接收链路自由空间损耗:
${L_{\text{F}}}{\text{ = 32}}{\text{.44 + 20log10}}d{\text{ + 20log10}}f$ ,d为测试喇叭天线和被测超宽带有源阵列距离,f为被测超宽带有源阵列工作频率;Pt为发射喇叭天线入口处的功率;Gt为发射喇叭天线增益;${Y_1}{\text{ = }}{{{P_2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{P_2}} {{P_1}}}} \right. } {{P_1}}}, {Y_2}{\text{ = }} {{{P_3}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{P_3}} {{P_2}}}} \right. } {{P_2}}}$ ;其中,P1为测试环境的噪声功率,P2为P1功率叠加上被测超宽带有源阵列通道的噪声功率,P3为P2功率叠加上被测超宽带有源阵列通道的信号功率。超宽带有源阵列EIRP(dBW)计算为:
$$ {\rm{EIRP}}=P+{L_{\text{T}}}+{L_{\text{F}}} - {G_{\text{R}}} - 30 $$ (5) 式中,P为功率计收到的总信号功率;LT为从标准喇叭天线至功率计间的总插入损耗;GR为测试用标准喇叭天线的增益;LF为接收链路自由空间损耗。
表3和表4为超宽带有源阵列在1、2、3、4 GHz,在微波暗室远场条件下的实测G/T和EIRP值。由表可知,该超宽带有源阵列G/T和EIRP良好,在1~4 GHz频段具备优良的信号接收和向外发射能力。
表 3 超宽带有源阵列G/T值测试数据表
f/MHz P1/dBm P2/dBm P3/dBm $\dfrac{G}{T} /{\rm{dB}} \cdot {\rm{K}}^{-1}$ Pt/dBm d/m LF/dB Gt/dB 1000 −88.00 −53.67 −3.58 −29.60 −12 11.023 53.29 9.39 2000 −67.40 −45.93 12.86 −16.30 −12.6 11.023 59.31 11.45 3000 −86.00 −54.50 1.06 −15.92 −13.7 11.023 62.83 12.42 4000 −84.50 −54.60 −3.22 −16.48 −14.35 11.023 65.33 11.95 表 4 超宽带有源阵列EIRP值测试数据表
f/MHz d/m LF/dB GR/dB P/dBm EIRP/dBm LT/dB 1000 11.023 53.29 9.39 6.27 50.17 −4.00 2000 11.023 59.31 11.45 4.07 51.93 −7.00 3000 11.023 62.83 12.42 0.30 50.71 −7.00 4000 11.023 65.33 11.95 −2.00 51.38 −4.00
Full-Aperture Ultra-Wide Bandwidth and Wide Angle Scanning Active Phased Array Antenna System
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摘要: 研究了一种全孔径紧耦合超宽带宽角扫描有源相控阵天线系统设计方法。通过威尔金森功分电路同时激励两个镜像对称偶极子单元,在不组阵方向阵列边缘采用延长型偶极子,消除了截断效应的影响,有效降低低频段的有源驻波,在组阵方向采用垂直金属壁取代哑元作为宽角阻抗匹配层的支撑,实现了天线阵列的全端口馈电。为满足大瞬时带宽及宽角扫描的需求,T/R组件射频链路采用了移相器加频率不敏感的延时器,改善了瞬时大带宽在大角度扫描时的波束空间色散及波形时间色散性能。将超宽带宽角扫描阵面、散热器、T/R组件、波控电源板及后盖板进行堆栈式高密度集成,研制了1×10全端口馈电的超宽带有源相控阵整机。测试结果表明,该阵列天线可跨4倍频程工作,扫描范围可以达到±45°,瞬时工作带宽可覆盖有源相控阵天线系统全频段,对实现综合多功能软件定义卫星在轨演进、降低成本、提高灵活性具有重要意义。Abstract: In this paper, a full-aperture linear tightly coupled active phased array antenna system with ultra-wide bandwidth and wide angle scanning performance is described. The design procedure and implementation method of the full-port feeding tightly coupled ultra-wideband wide angle scanning array without dumb element are studied. Two mirror symmetry dipole elements are fed by a Wilkinson power divider simultaneously. Extended dipole elements are utilized at the edge of array to eliminate the truncation effect and effectively reduce the active voltage standing wave ratio (VSWR) at low frequencies. Vertical metal walls are utilized at the other edge of array to replace the dummy elements. Meanwhile, vertical metal walls can also support the wide angle impedance matching (WAIM) layer. Finally, the full-aperture antenna array is realized. In order to meet the requirements of large instantaneous bandwidth and wide angle scanning performance, the radio frequency link of the T/R component uses a phase shifter plus a frequency-insensitive time delay device, so as to improve the beam pointing spatial dispersion and waveform time dispersion performance of large instantaneous bandwidth while large angle scanning. The ultra-wideband wide angle scanning array aperture, cooler plate, T/R components, beam control and power board and rear cover are integrated in high-density stack-type. A 1 × 10 full-aperture ultra-wideband active phased array is fabricated. The measurement results show that the array antenna can work across 4 octaves, the scanning range is greater than or equal to ±45°, and the instantaneous operating bandwidth can cover the full frequency band of the active phased array antenna system, which is of great significance for realizing integrated multi-function software defined satellite evolution in orbit, reducing cost and improving flexibility.
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表 1 T/R组件射频芯片热耗统计
器件名称 单个热耗/W 数量 总热耗/W LNA1 0.2 12 2.4 驱放1 0.23 10 2.3 驱放2 1.24 10 9.92 LNA2 0.3 24 7.2 功放 10 10 100 表 2 T/R组件射频芯片温度符合性表
元器件 片内热阻/℃·W−1 热阻温升
/℃仿真壳温
/℃仿真结温
/℃一级降额额定结温
/℃是否满足要求 LNA1 41 8.2 37.12 45.32 100 满足 驱放1 41 9.43 36.75 46.18 100 满足 驱放2 31 38.44 44.55 82.99 100 满足 LNA2 47 14.1 37.63 51.73 100 满足 功放 4.3 43 40.85 83.85 115 满足 表 3 超宽带有源阵列G/T值测试数据表
f/MHz P1/dBm P2/dBm P3/dBm $\dfrac{G}{T} /{\rm{dB}} \cdot {\rm{K}}^{-1}$ Pt/dBm d/m LF/dB Gt/dB 1000 −88.00 −53.67 −3.58 −29.60 −12 11.023 53.29 9.39 2000 −67.40 −45.93 12.86 −16.30 −12.6 11.023 59.31 11.45 3000 −86.00 −54.50 1.06 −15.92 −13.7 11.023 62.83 12.42 4000 −84.50 −54.60 −3.22 −16.48 −14.35 11.023 65.33 11.95 表 4 超宽带有源阵列EIRP值测试数据表
f/MHz d/m LF/dB GR/dB P/dBm EIRP/dBm LT/dB 1000 11.023 53.29 9.39 6.27 50.17 −4.00 2000 11.023 59.31 11.45 4.07 51.93 −7.00 3000 11.023 62.83 12.42 0.30 50.71 −7.00 4000 11.023 65.33 11.95 −2.00 51.38 −4.00 -
[1] 吴启星. 软件定义卫星研究现状与技术发展展望[J]. 中国电子科学研究院学报, 2021, 16(4): 333-337. doi: 10.3969/j.issn.1673-5692.2021.04.005 WU Q X. State of the art and development analysis of software defined satellites[J]. Journal of China Academy of Electronics and Information Technology, 2021, 16(4): 333-337. doi: 10.3969/j.issn.1673-5692.2021.04.005 [2] 陈显舟, 杨旭, 周琪, 等. 多功能可重构电磁信号发射接收及处理技术[J]. 电子科技大学学报, 2023, 52(2): 214-223. doi: 10.12178/1001-0548.2022089 CHEN X Z, YANG X, ZHOU Q, et al. Multifunctional reconfigurable electromagnetic signal transmitting receiving and processing technology[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2023, 52(2): 214-223. doi: 10.12178/1001-0548.2022089 [3] 胡元奎, 靳学明, 范忠亮. 多功能综合射频系统技术研究[J]. 雷达科学与技术, 2015, 13(3): 233-239. doi: 10.3969/j.issn.1672-2337.2015.03.003 HU Y K, JIN X M, FAN Z L. Research on multi-function integrated rf system technology[J]. Radar Science and Technology, 2015, 13(3): 233-239. doi: 10.3969/j.issn.1672-2337.2015.03.003 [4] 张雪莲. 多功能综合射频技术发展研究[J]. 现代雷达, 2020, 42(7): 78-81. doi: 10.16592/j.cnki.1004-7859.2020.07.016 ZHANG X L. A study on integrated multifunction rf technology trends[J]. Modern Radar, 2020, 42(7): 78-81. doi: 10.16592/j.cnki.1004-7859.2020.07.016 [5] KINDT R W, PICKLES W R. Ultra-Wideband all-metal flared-notch array radiator[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2010, 58(11): 3568-3575. doi: 10.1109/TAP.2010.2071360 [6] YAN J B, GOGINENI S, CAMPS-RAGA B, et al. A dual-polarized 2-18 GHz vivaldi array for airborne radar measurements of snow[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2015, 64(2): 781-785. [7] MUNK B A, TAYLOR R, DURHARN T, et al. A low-profile broadband phased array antenna[C]//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. [S.l.]: IEEE, 2003: 448-451. [8] MUNK B A. Finite antenna arrays and FSS[M]. Hoboken, NJ: John Wiley, 2003. [9] CHEN X Z, WANG B J, YANG X, et al. An 8 × 8 ultra-wideband tightly coupled dipole active phased array[J]. Int J RF Microw Comput Aided Eng, 2022. [10] MEROLA C S, VOUVAKIS M N. UHF planar ultra-wideband modular antenna (PUMA) arrays[C]//IEEE International Symposium on Antennas & Propagation & Usnc/ursi National Radio Science Meeting. San Diego, CA, USA: IEEE, 2017: 1803-1804. [11] TZANIDIS I, SERTEL K, VOLAKISJ L. UWB low-profile tightly coupled dipole array with integrated balun and edge terminations[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, 61(6): 3017-3025. doi: 10.1109/TAP.2013.2250232 [12] CHEN Y K, YANG S W, NIE Z P. A novel wideband antenna array with tightly coupled octagonal ring element[J]. Progress in Electromagnetics Research, 2012, 124(8): 55-70. [13] LEE H, NAM S. A dual-polarized 1-D tightly coupled dipole array antenna[J]. IEEE transactions on Antennas and Propagation, 2017, 65(9): 4511-4518. doi: 10.1109/TAP.2017.2723262 [14] 陈泳, 张玉华, 肖达, 等. 宽带相控阵雷达的延时实现方法[J]. 现代雷达, 2020, 42(5): 70-75. doi: 10.16592/j.cnki.1004-7859.2020.05.013 CHEN Y, ZHANG Y H, XIAO D, et al. Time delay method in wideband phased array radar[J]. Modern Radar, 2020, 42(5): 70-75. doi: 10.16592/j.cnki.1004-7859.2020.05.013 [15] 俞志强. 多功能地基相控阵雷达原理与技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2019. YU Z Q. Principle and technology of multi-function al foundation phased array radar[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2019.