吉 勝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所 雷達(dá)部，陜西 西安710068)

伴隨著相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展，如何降低相控陣?yán)走_(dá)的成本是業(yè)界的一個(gè)研究方向。20世紀(jì)70年代，Park和Rao等人提出了Radant透鏡的概念，即通過(guò)一組移相器完成一維波束掃描，再用另一組移相器對(duì)此波束在另一個(gè)方向上進(jìn)行掃描，這樣通過(guò)兩組移相器實(shí)現(xiàn)了對(duì)波束的兩維掃描。如果完成行掃描的移相器的數(shù)量為M，列掃描的移相器的數(shù)量為N，則可實(shí)現(xiàn)相控陣天線移相器的數(shù)量由M×N減少到M+N［1］。法國(guó)陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)載火控雷達(dá)和美國(guó)炮位偵查雷達(dá)AN/TPQ－36就采用了Radant透鏡技術(shù)［2］。設(shè)計(jì)的低成本相控陣?yán)走_(dá)采用一個(gè)后置的一維相掃天線和一個(gè)Radant透鏡天線級(jí)聯(lián)組成，一維相掃天線完成方位面的相控掃描，Radant透鏡天線完成俯仰面的相控掃描，通過(guò)這兩種天線的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了相控陣?yán)走_(dá)的兩維掃描［3］，完成了三坐標(biāo)雷達(dá)功能，由于只使用了少量的T/R組件，大幅地降低了整機(jī)成本。

1 Radant透鏡相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射通道設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)射通道的組成

發(fā)射通道由頻合分系統(tǒng)、功放組件、功分網(wǎng)絡(luò)、大功率T/R組件組成，其中功分網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)1分2功分器和2個(gè)1分32功分器組成;大功率T/R組件在天線上分成上下兩排放置，以便形成俯仰差波束。組成框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射通道的組成

1.2 頻合分系統(tǒng)

頻率合成源的種類大體分為倍頻式數(shù)字鎖相合成方式、混頻式數(shù)字鎖相合成方式、多點(diǎn)晶振點(diǎn)頻鎖相頻率合成器方式、直接式頻率合成器、DDS附加PLL合成方式等。根據(jù)對(duì)這幾種頻率合成源的性能比較，采用直接式頻率合成器的技術(shù)方案，它具有相位噪聲低、雜散電平小、跳頻時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)［4］。具體框圖如圖2所示。

圖2 直接式頻率合成器

頻合分系統(tǒng)由中頻組件、頻率合成組件、DDS時(shí)鐘組件、頻控組件以及上變頻組件組成，主要產(chǎn)生數(shù)10個(gè)頻點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)、數(shù)10個(gè)頻點(diǎn)的接收本振信號(hào)、相參信號(hào)、雷達(dá)整機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，這些信號(hào)完全相參。其中DDS選用AD9858，產(chǎn)生2種帶寬、十幾種時(shí)寬的線性調(diào)頻信號(hào)及點(diǎn)頻脈沖信號(hào)。最終本頻合分系統(tǒng)的相位噪聲 ￡≤－110 dBc/Hz@1 kHz，雜散電平≤－60 dBc，調(diào)頻時(shí)間≤300 ns［5］。

1.3 功放組件

功放組件用于對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行放大，并通過(guò)功分網(wǎng)絡(luò)將發(fā)射信號(hào)送入大功率T/R組件的發(fā)射輸入端口。

發(fā)射信號(hào)送入單只大功率T/R組件發(fā)射端口的功率為5 dBm，1分32功分器的插入損耗＜2 dB，1分2功分器的插入損耗＜0.5 dB，電纜饋線的損耗＜1.5 dB，那么電纜饋線的損耗+功分器的插損＜4 dB［6］。

根據(jù)

這里，Pout為功放組件的輸出功率電平;N為大功率T/R組件的數(shù)量;Loss為整個(gè)功分網(wǎng)絡(luò)的插入損耗;Pin為大功率T/R組件發(fā)射輸入端口的功率。功放的輸出功率為10lg64+4+5=27 dBm。

根據(jù)以上計(jì)算，設(shè)計(jì)了一個(gè)1 W(30 dBm)的功放組件。

1.4 大功率T/R組件

T/R組件是相控陣?yán)走_(dá)的重要部件，它的性能直接影響相控陣天線的指標(biāo)。本大功率T/R組件由環(huán)行器、發(fā)射固態(tài)功率放大器、限幅器、接收低噪聲放大器、數(shù)控衰減器、開關(guān)移相器組件組成。原理框圖如圖3所示。

圖3 大功率T/R組件原理框圖

組件由發(fā)射和接收兩個(gè)通道組成，都要求相位一致性，這是設(shè)計(jì)的難點(diǎn);接收通道包括環(huán)行器、隔離器、限幅器、低噪聲放大器、微波開關(guān)、移相器、衰減器等電路，發(fā)射通道包括微波開關(guān)、移相器、隔離器、前級(jí)推動(dòng)、功率放大器等電路;組件的各個(gè)單元電路具有較好的相位一致性，才能保證級(jí)聯(lián)時(shí)組件整體的相位一致性指標(biāo)。為保證電路穩(wěn)定可靠，天線口到接收通道輸入端口用雙結(jié)環(huán)行器連接，其后是大功率限幅器;大功率限幅器的插入損耗相對(duì)較大，會(huì)對(duì)噪聲系數(shù)有惡化，因此對(duì)于低噪放的噪聲系數(shù)和輸入駐波也提出了更高的要求。

整個(gè)天線陣面大功率T/R組件的平均耗散功率的計(jì)算

式中，PD為整個(gè)天線陣面大功率T/R組件的平均耗散功率;PO為單只大功率T/R組件的峰值功率;η為單只大功率T/R組件的發(fā)射效率;D為工作比;N為整個(gè)天線陣面大功率T/R組件的數(shù)量。

通過(guò)計(jì)算，整個(gè)天線陣面的平均耗散功率約3 kW，其中單只大功率T/R組件的平均耗散功率近50 W，大功率T/R組件主要發(fā)熱點(diǎn)在末級(jí)功放處，在其底部安裝熱管，將熱量從T/R組件導(dǎo)出。在整個(gè)天線陣面上共安裝了兩條風(fēng)道，將整個(gè)T/R組件的熱量導(dǎo)出。經(jīng)過(guò)高溫環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)間工作，較好地解決了大功率T/R組件的散熱問(wèn)題。

2 結(jié)束語(yǔ)

Radant透鏡相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射通道經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的整機(jī)工作，充分驗(yàn)證了其技術(shù)先進(jìn)、性能可靠，滿足了整機(jī)要求。Radant透鏡雷達(dá)以其較低的成本具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在防空、預(yù)警等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ 袁慧馨，溫浩，王東升，等.低成本相控陣技術(shù)在機(jī)載雷達(dá)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2005(8):1－3.

［2］ 張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］ 鄭朝暉，許鐵硯.Radant透鏡體制低成本相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的研究［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2008(6):6－9.

［4］ 吉?jiǎng)?幾種形式的微波頻率源［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2002(5):24－25.

［5］ 黃玉仙，李鐵成，許國(guó)宏.基于DDS的雷達(dá)校準(zhǔn)信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011(8):120－123.

［6］ 谷加臣，張宏偉，齊利，等.基于云重心理論的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)效能評(píng)估［J］.電子科技，2011，24(3):73－75.