星載雷達有源相控陣天線輕量化技術

從整體結構上來看，該方案天線由上而下可分為五個層面，依次為輻射陣面、結構支撐層、高集成饋電網絡、熱控層以及有源器件層（含組件、波控和電源）。上述各層在保證性能指標滿足的前提下，均設計為片式結構，通過結合盲插連接方式，進而減輕天線重量。整個天線模塊的僅包含三種連接關系，即天線陣面、T/R組件、電源和波控分別與一體化饋電網絡盲插，從而實現無電纜式的相控陣天線模塊設計。

通過采用新型的分層式低剖面方案，在二維大角度掃描要求下，天線內部各部分重量比例關系如圖3所示，其中無源饋電網絡的比例基本保持不變，T/R組件重量比例上升。天線平均重量可基本保持一維掃描狀態下的天線重量水平。

圖3低剖面相控陣天線內部重量比例分配

3.1.2薄膜相控陣天線方案

薄膜有源相控陣天線將用于滿足未來星載雷達天線的輕型、可展開應用需求，尤其適用于大口徑（幾十至數百平方米）、低功率密度要求的應用場合，如天基預警雷達。薄膜式結構將給相控陣天線帶來革命性的變化，這類大型柔性可展開天線為獲得較輕天線重量和較小折疊體積，天線輻射陣面采用薄膜材料，展開框架則采用充氣式柔性或剛柔結合支撐結構。

此型天線方案可在現有的平板式星載相控陣天線的基礎上進行發展。

圖4示意了采用孔徑耦合微帶天線的薄膜相控陣天線剖面結構，與現有的輕型板狀天線結構相比，該型天線采用多層薄膜結構，利用周邊張緊機構實現大型膜面的平整度控制。通過在薄膜陣面的各層集成先進的輕型柔性T/R組件、高集成饋網、輕型電源及波控，并配以柔性或剛柔混合式展開機構，薄膜相控陣天線不僅有望把天線平均重量降至10kg/m2以下，同時也將極大地推動相控陣天線集成技術的發展。

圖4微帶天線結構的薄膜陣面剖面示意圖

3.2設備功能一體化及集成化設計

在新方案的基礎上，需要進一步提升單機設計集成度，以適應新型天線方案的設計需求。

3.2.1綜合饋電網絡

有源相控陣面中的電源、控制、微波饋電網絡采用綜合電路技術一體化設計，可以極大的提高陣面的性能和可靠性，同時減輕陣面重量、縮小體積。這類綜合網絡在解決多層微波與高速數字電路一體化仿真與設計技術、復雜信號完整性及電磁兼容分析技術、微波多層電路垂直互聯技術等多項技術后，有望使得饋電網絡整體重量得到大幅下降。

3.2.2高集成小型化T/R組件

新型三維架構片式TR組件利用集成電路技術將眾多的有源器件集成在一塊襯底上，從而省掉組件之間電氣連接，一方面可減小損耗和噪聲，提高可靠性，另一方面也使得組件結構更為緊湊、重量更輕、外形更為靈活[5]。這類片式TR組件需研究微波多層基板制造、器件封裝、芯片檢測以及板間垂直互連等多項內容，具有高集成度的片式高集成T/R組件與當前T/R組件重量相比，可減輕1/3以上。

3.3.3分布式電源與波控

采用分布式的電源和波束控制方案，一方面更有利于提高天線的可靠性，降低設計的復雜度，從而有利于簡化設計，滿足天線整體輕量化的技術需要。在具體設計過程當中，采用高集成度的芯片器件，設計出切合有源陣系統的功能完善、可靠性高、功耗低且適應空間環境的分布式電源和波束控制模塊，通過與綜合饋電網絡的緊密結合，實現天線供電和波束控制系統小型化、高可靠的目標。

3.3.4輕型高精度支撐結構

相控陣框架結構在確保相控陣天線性能實現方面起著重要作用。高精度、輕型化是天線結構面臨的重要研究課題。結構的設計實現需要密切配合天線陣面電性能設計，同時也強調自身重量的輕型化以及大尺寸下天線各部對接的精確性。因此一方面將優化整體結構方案設計，同時還研究采用輕型的復合材料，從而保證天線不僅結構重量輕，而且強度高，且適應空間環境應用需要。

3.3輕量化技術的研發重點

實現星載有源相控陣天線的輕量化，是一項長期系統的工程。圍繞這一目標，不僅需要有創新性的設計理念，同時也需要有先進的器件、工藝技術相配合，確保整個天線從設計到制造環節流程暢通。在設計理念方面，著重于開展輕量化天線的系統方案設計與優化，從天線內部構造、布局以及機電一體化結合方面，進行全局考慮，獲得系統最優設計；與此同時，進一步加強對適應于星載環境應用的高性能、高可靠和長壽命集成器件的研發，包括對T/R組件、波控及二次電源變換相關器件；最后為確保天線從設計到制造環節的暢通，對高集成化天線涉及的關鍵工藝也需要大量的研發投入。

4結論

星載雷達技術的發展要求有輕量化的相控陣天線與之相適應。本文就現有星載雷達相控陣天線在輕量化方面面臨的技術問題以及研究重點進行了探討。就目前技術狀態而言，星載相控陣天線的輕量化，勢必要突破現有天線結構制式，利用新設計理論、輕型材質、新器件以及新工藝來構建一體化的有源相控陣天線，以達到在大口徑下保持天線較小收攏體積和較輕重量的目的。從這個意義上來看，星載天線的輕量化，將不僅僅指天線在重量方面得到下降，同時也意味著天線集成度和性能的進一步提升，這將是一個長期的、復雜的過程，其中涉及到的新技術，也正是保持相控陣天線技術領先需要進行的攻關內容。