雒寒冰 楊晶晶 張紅英 楊帆 莫志明

摘 要：本文主要討論了柔性降級(jí)技術(shù)在相控陣天線中的應(yīng)用。相控陣天線主要包括波束控制器、天線陣列和發(fā)射組件（T組件），相控陣天線接收調(diào)制后的射頻信號(hào)，通過(guò)T組件的支持，天線陣列能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射波束合成及指向變化，完成終端返向功率信號(hào)對(duì)外輻射功能。這樣的設(shè)計(jì)大大提高了相控陣天線的效率和可靠性。部分支路的損壞并不能影響系統(tǒng)的正常工作，這種“柔性降級(jí)”技術(shù)可以顯著提高相控天線的可靠性、維修性和保障性。

關(guān)鍵詞：柔性降級(jí)技術(shù);相控陣天線;可靠性

中圖分類號(hào)：TN951 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.040

本文著錄格式：雒寒冰，楊晶晶，張紅英，等.柔性降級(jí)技術(shù)在相控陣天線中的應(yīng)用[J].軟件，2021，42（02）：129-130+146

Application of Graceful Degradation Technique to Phased-array Antenna

LUO Hanbing， YANG Jingjing， ZHANG Hongying， YAN Fan， MO Zhiming

（ Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Shanghai? 201109）

【Abstract】：This paper discussed the application of graceful degradation technique to phased-array antenna in relay terminal. The phased-array antenna mainly includes beam-controller， antenna array and transmitter module（T module）.The phased-array antenna receives modulated RF signal， optimizes the downlink transmitter beam and change the spatial direction of the beam with T module and finally radiates the power signal receiving from the terminal. This design greatly increases the efficiency and reliability of the system. Even if one of the branches is abnormal， the system can still work. The graceful degradation technique can significantly improve the reliability， maintainability and survivability of the phased-array antenna.

【Key words】：graceful degradation technique;phased-array antenna;reliability

0 引言

相控陣天線是中繼用戶終端的重要組成部分，受安裝空間、承載能力等多方面的限制，設(shè)計(jì)時(shí)除了滿足性能指標(biāo)，還需考慮其電磁兼容性、可靠性、維修性等多方面因素，這在很多程度上取決于電子器件、結(jié)構(gòu)及工藝技術(shù)。為了提高相控陣天線性能、增加可靠性、降低生產(chǎn)成本，我們采用了柔性降級(jí)技術(shù)，該技術(shù)融合了功率分配和高功率器件技術(shù)，將電氣設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)緊密結(jié)合在一起，在提高單元性能和可靠性的基礎(chǔ)上，通過(guò)高單元故障隔離和單元失效時(shí)低性能惡化保障等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了相控陣天線的高功率、高效率時(shí)的高工作可靠性。

1 基本原理

相控陣天線由天線陣列、功分器、發(fā)射組件（T組件）、波束控制器、電源、結(jié)構(gòu)主體等組成，如圖1所示其中。其中功分器實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)分路;波束控制器解算得到天線的波束指向，由此計(jì)算各發(fā)射支路的移相值并配置T組件;T組件進(jìn)行射頻信號(hào)的移相與放大;天線陣列完成波束合成和信號(hào)的對(duì)外輻射。

柔性降級(jí)技術(shù)是在當(dāng)前相控陣天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將相控陣天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化、分體式設(shè)計(jì)，分解為相控陣天線的天線單元、T組件、電源控制等各種功能模塊，如圖2所示。模塊以分層式結(jié)構(gòu)組合，通過(guò)其他級(jí)聯(lián)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)靈活組成不同需求的完整相控陣天線系統(tǒng)。

這種設(shè)計(jì)有如下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以通過(guò)改進(jìn)各種模塊的性能指標(biāo)或更改模塊數(shù)量來(lái)完成天線的組陣，快速簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)相控陣天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì);

（2）若天線出現(xiàn)故障，可以通過(guò)迅速定位故障區(qū)域，直接更換相關(guān)模塊來(lái)完成天線的快速維修，迅速恢復(fù)天線的正常工作，提高了天線系統(tǒng)的維修效率[1]。

2 柔性降級(jí)技術(shù)在相控陣天線中的應(yīng)用

2.1天線陣列

天線陣列一般使用一塊微帶板加工制作，將所有微帶天線單元印制在一塊板上構(gòu)成天線陣列。采用這種方式加工，不便于天線單元和天線陣列的調(diào)試。一旦某個(gè)天線單元的電性能?chē)?yán)重惡化，將無(wú)法進(jìn)行替換。為了實(shí)現(xiàn)柔性降級(jí)，天線陣列采用模塊化設(shè)計(jì)和加工方法，組成天線陣列的每個(gè)單元單獨(dú)加工制作[2]，并按照每個(gè)單元在陣列中的位置安裝固定在底座上，組成天線陣列。陣列調(diào)試時(shí)如發(fā)現(xiàn)某個(gè)天線單元的電性能?chē)?yán)重惡化，可以通過(guò)替換單元的方式確保天線陣列正常工作。

2.2功分器

功分器選用分體式方案，由一個(gè)1分2功分器和另外兩個(gè)1分N功分器級(jí)聯(lián)而成（T組件數(shù)量為2N個(gè)），功分器之間通過(guò)射頻電纜連接，模塊化、分體式的設(shè)計(jì)方案使得布局較為靈活。功分器輸出端和T組件之間采用射頻電纜連接，并采用上下疊層方式布局。

2.3電源部分

為了提高供電的可靠性，輸出的多路電源為并聯(lián)方式，互不干擾。電源模塊均采用隔離DC-DC，確保輸入輸出隔離。同時(shí)進(jìn)行負(fù)壓檢測(cè)，一旦負(fù)壓輸出故障，將關(guān)斷正電壓模塊的輸出，對(duì)T組件進(jìn)行保護(hù)。電源設(shè)計(jì)采用輸入輸出隔離模塊，輸入端配備了保險(xiǎn)絲，確保了與其他單機(jī)的隔離，保證了外部單機(jī)和上級(jí)電源不受影響。整個(gè)電源板基本以并聯(lián)的方式構(gòu)成，相互影響較小。另外，天線內(nèi)部的電源信號(hào)均采用雙點(diǎn)雙線設(shè)計(jì)。

2.4波束控制器

波控器的功能是：計(jì)算、控制各發(fā)射支路的移相值，反饋相控陣天線的工作狀態(tài)?？紤]到本方案采用多個(gè)單元組成天線陣列，因此建立行列分離的分布式配相模型，即將移相碼數(shù)據(jù)流同步并行發(fā)送給分組的T組件移相器單元[3]。每組T組件單元包含若干個(gè)T組件移相器，其中每個(gè)T組件移相器將從串行數(shù)據(jù)流中截取和它相對(duì)應(yīng)的移相碼完成移相功能[4]。

3可靠性分析

使用柔性降級(jí)技術(shù)的相控陣天線的不僅有著快速設(shè)計(jì)以及維修效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可以改善他的可靠性。

相控陣天線任何一個(gè)功能的失效都能導(dǎo)致單元模塊的失效進(jìn)而影響相控陣天線的性能。為了對(duì)采用了柔性降級(jí)技術(shù)的相控陣天線有更直觀的了解，我們對(duì)相控陣天線從理論上進(jìn)行了可靠性分析?？煽啃阅Ｐ鸵话阌写?lián)結(jié)構(gòu)、k/n余結(jié)構(gòu)兩種形式。在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，在系統(tǒng)內(nèi)所有的單元必須正常運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)才可以正常運(yùn)行[5]。

根據(jù)相控陣天線系統(tǒng)的組成及工作原理，各部套在電路功能上相對(duì)獨(dú)立，屬于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，未采用柔性降級(jí)技術(shù)的相控陣天線系統(tǒng)可靠性框圖如圖3所示。

柔性降級(jí)技術(shù)中采用模塊化、分體式的設(shè)計(jì)，在原來(lái)模型基礎(chǔ)上對(duì)各部套進(jìn)行柔性降級(jí)，原相控陣天線可靠性模型中的各個(gè)部套均進(jìn)行了一定的并行設(shè)計(jì)，改變了簡(jiǎn)單的串聯(lián)可靠性模型，加入了k/n余結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加各部套的可靠性來(lái)提高相控陣天線的整機(jī)可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)深入分析柔性降級(jí)技術(shù)在相控陣天線系統(tǒng)中的應(yīng)用和可靠度分析可知，該類型的相控陣天線系統(tǒng)有較高的可靠性。柔性降級(jí)技術(shù)在提高相控陣天線設(shè)計(jì)和維修效率的同時(shí)，天線系統(tǒng)仍具有較高的任務(wù)可靠性。隨著目前對(duì)相控陣天線的集成度要求的越來(lái)越高，采用柔性降級(jí)技術(shù)的相控陣天線組陣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如果相控陣系統(tǒng)需要，可以將T組件增加，對(duì)應(yīng)改變功分器或增加功分器的個(gè)數(shù)，以及改變框圖中電源模塊、天線陣列數(shù)量，最后只需根據(jù)任務(wù)需求，對(duì)波控軟件進(jìn)行相應(yīng)修改就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)新型相控陣天線的設(shè)計(jì)，并且使用過(guò)程中維修方便，可靠性高。所以柔性降級(jí)技術(shù)在相控陣天線中良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢(qián)林.基于可擴(kuò)充陣列模塊的相控陣天線及其可靠性分析[J].硅谷，2012（11）：55-56.

[2] 胡明春，周志鵬，嚴(yán)偉.相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[3] 王貞松，丁丁.星載合成孔徑雷達(dá)有源相控陣天線研究[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2009（5）：598-605.

[4] 張中偉.相控陣天線關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2012.

[5] 朱文冰.星載合成孔徑雷達(dá)的可靠性設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006

（4）：75-78.

[6] 束咸榮，何炳發(fā)，高鐵.相控陣?yán)走_(dá)天線[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.