星載雷達有源相控陣天線輕量化技術

1引言

進入二十一世紀，基于星載平臺的雷達探測已成為軍事偵察和戰略預警的重要手段。隨著應用需求的不斷發展，更多新型星載雷達的研制已提上日程。這些不同類型的星載雷達在分辨率、工作模式以及部署軌道高度方面都有更高的要求，考慮到其基于衛星平臺發射和在空間環境下應用的特性，如何控制雷達載荷重量，即實現雷達的輕量化成為研制過程中迫切需要解決的共性問題。

星載雷達的輕量化主要集中于對天線的輕量化。近年來，有源相控陣天線由于具有波束靈活可控以及高可靠性的優勢，在星載雷達上的應用已日趨廣泛，其重量也通常占到整個雷達載荷重量的80%以上。未來星載雷達要有效完成高分辨率對地成像、快速動目標實時搜索跟蹤等軍事任務，需要具備更大口徑和更強的電性能。在口徑不斷增大、電性能指標不斷提高以至設備量越來越多的情況下，如采用傳統相控陣設計方法，天線重量將呈現指數級的增長，必然造成載荷重量及體積過大，難以適應發射要求。此外，為滿足空間多星組網應用需要，雷達的小型化、低成本也同樣需要天線在保證性能的前提下解決輕量化的問題。

實現相控陣天線的輕量化，不僅可為整個雷達系統的重量控制做出更大貢獻，同時由于天線在集成度方面的不斷提高，客觀上也將對雷達性能的提升產生較大地推動作用。輕量化天線技術作為未來星載相控陣天線技術發展的主流方向，涉及先進的設計思想、設計手段、材料、器件以及制造工藝，涵蓋有源相控陣天線技術的幾乎全部方面，已事實上成為當前該領域的研究重點。

2技術趨勢分析

星載有源相控陣天線現多用于星載合成孔徑雷達，設計上均采用模塊化設計，即將全陣劃分為多個獨立模塊，模塊內由沿距離向排列的輻射子陣（子陣內單元沿方位向排列）及配套設備構成：每個子陣接入獨立的T/R組件，通過進行模塊級別的分布式供電和控制，實現輻射子陣級別的幅度、相位獨立控制，從而滿足雷達提出的僅距離向一維波束掃描或準二維波束掃描要求。

從發展趨勢來看，國外在星載雷達相控陣天線方面的發展已呈現出明顯的輕量化態勢。表1列出了若干近年來國外已發射或待發射的星載SAR相控陣天線的關鍵參數。從現有數據來看，較低頻段（指L、C波段）天線由于單個組件輸出功率較大，T/R組件數量相對較少，單位面積重量偏低，為40kg/m2左右；而對于X波段工作天線，組件輸出功率低且數量大，天線則重得多。現已發射的TerraSAR-X平均重量在100kg/m2以上，預定在2010年發射的Discover-II，工作于X波段，天線口徑為40m2，在組件數量達2800個的情況下，平均重量僅為37.5kg/m2，可見該天線的設計在集成化、輕量化方面將有較大的突破。

盡管不同技術指標要求（包括天線口徑、功率密度、工作帶寬、掃描能力、極化方式等）直接影響天線設備量，從而導致天線在重量上的差異，但不論是以單位面積重量或單位功率孔徑積重量來衡量，表1均顯示星載雷達有源相控陣天線的重量控制水平正在不斷提高。

表1國外星載雷達相控陣天線參數

2.2天線設備組成與重量分布

基于對目前有源相控陣天線的重量組成分析，可為實現天線的進一步輕量化提供參考依據。傳統形式的星載相控陣天線方案多為層疊結構，單機通過大量電纜進行連接。圖1列舉了一典型的星載X波段距離向一維相掃有源相控陣天線內部重量的分配情況，可大致說明現有相控陣天線設計方案中各部分的重量比例關系。由圖中數據可知，按現有的天線設計方案，無源網絡部分（高頻饋電網絡和低頻電纜）總重量占到天線總重的30%以上，比例最大；其次為輻射天線，比例約占2成；結構框架、T/R組件和供電控制設備重量也分別占10%以上。

圖1典型星載有源相控陣天線的重量分配

隨著新型雷達對天線掃描范圍要求的不斷擴大（一維距離向掃描擴展到二維大角度掃描），直接使得天線子陣規模變小，天線形式將升級為近似全有源相控陣天線，此時天線所含T/R組件數量將成倍增加，與其配套的高低頻網絡、供電和控制設備數量必然隨之增長。根據現有天線的設計模式，此時天線內部T/R組件、高低頻網絡及供電和控制設備的重量比例將急劇上升，這將導致所設計的天線無論是在重量上還是體積上都無法適應空間應用需要。

可見，要實現天線的輕量化，就必須優先考慮對上述六部分尤其是T/R組件和網絡部分的減重，其余部分如展開機構等所占重量比例相對較低，且設計相對獨立，可獨立進行研究。

3輕量化技術措施與研究重點

3.1新型系統方案

實現星載有源相控陣天線的輕量化，需要從具體的應用需求出發，采取由上而下的減重策略：即先從天線架構上進行突破，優化整體設計方案，再基于新的設計架構，發展相應的底層設計技術，最終實現對高性能天線的輕量化。

3.1.1輕型低剖面方案

直觀上看，將基于傳統方案設計的各型單機直接進行對接，即可省去互連電纜，大幅降低電纜重量比重。而考慮到星載相控陣天線厚度受限，要實現單機的直接對接，勢必引起天線分層方式的根本性變化，傳統的單機獨立設計結合電纜連接的實現方案，將由新型的單機分層布局結合盲插互連的低剖面設計方案替代，這一新型星載相控陣設計方案如圖2所示。其重點在于實現T/R組件的小型化及對功分網絡和電纜的進一步減重。

圖2低剖面相控陣天線剖面結構示意圖