星载雷达有源相控阵天线轻量化技术

1引言

进入二十一世纪，基于星载平台的雷达探测已成为军事侦察和战略预警的重要手段。随着应用需求的不断发展，更多新型星载雷达的研制已提上日程。这些不同类型的星载雷达在分辨率、工作模式以及部署轨道高度方面都有更高的要求，考虑到其基于卫星平台发射和在空间环境下应用的特性，如何控制雷达载荷重量，即实现雷达的轻量化成为研制过程中迫切需要解决的共性问题。

星载雷达的轻量化主要集中于对天线的轻量化。近年来，有源相控阵天线由于具有波束灵活可控以及高可靠性的优势，在星载雷达上的应用已日趋广泛，其重量也通常占到整个雷达载荷重量的80%以上。未来星载雷达要有效完成高分辨率对地成像、快速动目标实时搜索跟踪等军事任务，需要具备更大口径和更强的电性能。在口径不断增大、电性能指标不断提高以至设备量越来越多的情况下，如采用传统相控阵设计方法，天线重量将呈现指数级的增长，必然造成载荷重量及体积过大，难以适应发射要求。此外，为满足空间多星组网应用需要，雷达的小型化、低成本也同样需要天线在保证性能的前提下解决轻量化的问题。

实现相控阵天线的轻量化，不仅可为整个雷达系统的重量控制做出更大贡献，同时由于天线在集成度方面的不断提高，客观上也将对雷达性能的提升产生较大地推动作用。轻量化天线技术作为未来星载相控阵天线技术发展的主流方向，涉及先进的设计思想、设计手段、材料、器件以及制造工艺，涵盖有源相控阵天线技术的几乎全部方面，已事实上成为当前该领域的研究重点。

2技术趋势分析

星载有源相控阵天线现多用于星载合成孔径雷达，设计上均采用模块化设计，即将全阵划分为多个独立模块，模块内由沿距离向排列的辐射子阵（子阵内单元沿方位向排列）及配套设备构成：每个子阵接入独立的T/R组件，通过进行模块级别的分布式供电和控制，实现辐射子阵级别的幅度、相位独立控制，从而满足雷达提出的仅距离向一维波束扫描或准二维波束扫描要求。

从发展趋势来看，国外在星载雷达相控阵天线方面的发展已呈现出明显的轻量化态势。表1列出了若干近年来国外已发射或待发射的星载SAR相控阵天线的关键参数。从现有数据来看，较低频段（指L、C波段）天线由于单个组件输出功率较大，T/R组件数量相对较少，单位面积重量偏低，为40kg/m2左右；而对于X波段工作天线，组件输出功率低且数量大，天线则重得多。现已发射的TerraSAR-X平均重量在100kg/m2以上，预定在2010年发射的Discover-II，工作于X波段，天线口径为40m2，在组件数量达2800个的情况下，平均重量仅为37.5kg/m2，可见该天线的设计在集成化、轻量化方面将有较大的突破。

尽管不同技术指标要求（包括天线口径、功率密度、工作带宽、扫描能力、极化方式等）直接影响天线设备量，从而导致天线在重量上的差异，但不论是以单位面积重量或单位功率孔径积重量来衡量，表1均显示星载雷达有源相控阵天线的重量控制水平正在不断提高。

表1国外星载雷达相控阵天线参数

2.2天线设备组成与重量分布

基于对目前有源相控阵天线的重量组成分析，可为实现天线的进一步轻量化提供参考依据。传统形式的星载相控阵天线方案多为层叠结构，单机通过大量电缆进行连接。图1列举了一典型的星载X波段距离向一维相扫有源相控阵天线内部重量的分配情况，可大致说明现有相控阵天线设计方案中各部分的重量比例关系。由图中数据可知，按现有的天线设计方案，无源网络部分（高频馈电网络和低频电缆）总重量占到天线总重的30%以上，比例最大；其次为辐射天线，比例约占2成；结构框架、T/R组件和供电控制设备重量也分别占10%以上。

图1典型星载有源相控阵天线的重量分配

随着新型雷达对天线扫描范围要求的不断扩大（一维距离向扫描扩展到二维大角度扫描），直接使得天线子阵规模变小，天线形式将升级为近似全有源相控阵天线，此时天线所含T/R组件数量将成倍增加，与其配套的高低频网络、供电和控制设备数量必然随之增长。根据现有天线的设计模式，此时天线内部T/R组件、高低频网络及供电和控制设备的重量比例将急剧上升，这将导致所设计的天线无论是在重量上还是体积上都无法适应空间应用需要。

可见，要实现天线的轻量化，就必须优先考虑对上述六部分尤其是T/R组件和网络部分的减重，其余部分如展开机构等所占重量比例相对较低，且设计相对独立，可独立进行研究。

3轻量化技术措施与研究重点

3.1新型系统方案

实现星载有源相控阵天线的轻量化，需要从具体的应用需求出发，采取由上而下的减重策略：即先从天线架构上进行突破，优化整体设计方案，再基于新的设计架构，发展相应的底层设计技术，最终实现对高性能天线的轻量化。

3.1.1轻型低剖面方案

直观上看，将基于传统方案设计的各型单机直接进行对接，即可省去互连电缆，大幅降低电缆重量比重。而考虑到星载相控阵天线厚度受限，要实现单机的直接对接，势必引起天线分层方式的根本性变化，传统的单机独立设计结合电缆连接的实现方案，将由新型的单机分层布局结合盲插互连的低剖面设计方案替代，这一新型星载相控阵设计方案如图2所示。其重点在于实现T/R组件的小型化及对功分网络和电缆的进一步减重。

图2低剖面相控阵天线剖面结构示意图