張軼江

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

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一種輕質(zhì)天線面板的設(shè)計(jì)

張軼江

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

給出了一種輕質(zhì)天線面板的設(shè)計(jì)。這種天線面板可以用于需要大孔徑天線同時(shí)平臺的載荷能力又非常有限的系統(tǒng)。應(yīng)用這種天線面板可構(gòu)建質(zhì)量面密度為2～3 kg/m2有源相控陣天線。為了實(shí)現(xiàn)天線面板的輕質(zhì)化,采取了幾項(xiàng)相關(guān)措施。測試結(jié)果表明這種天線面板的質(zhì)量面密度及其主要的電性能指標(biāo)都滿足了初始的設(shè)計(jì)要求。

輕質(zhì)天線;天線面板;相控陣;大孔徑天線

0 引 言

隨著空間雷達(dá)[1-4]和臨近空間雷達(dá)[5]的發(fā)展,需要很大口徑的天線。同時(shí),由于運(yùn)載工具或工作平臺的限制,使得天線載荷的總質(zhì)量不能大,這就要求天線必須有很低的質(zhì)量面密度。為了滿足這一要求,JPL研制了L波段電掃的柔性薄膜天線[6],其質(zhì)量面密度預(yù)期可以達(dá)到2 kg/m2。這種天線陣列的實(shí)驗(yàn)樣件也達(dá)到了一定的規(guī)模(8單元×16單元)。

但是,使用這種天線形式需要復(fù)雜的展開支撐結(jié)構(gòu)才能保證必要的形狀和陣面精度。Tim Clark[5]提出了輕質(zhì)天線面板的概念,使用薄膜和輕質(zhì)介質(zhì)支撐材料,采用折紙結(jié)構(gòu)。這種天線面板既保持了輕質(zhì)的特點(diǎn)又有一定的力學(xué)強(qiáng)度,因此不需要很復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)。但是,Tim Clark提出的這種天線面板形式由于受到厚度的限制帶寬較窄,相對帶寬約為2%～3%。為了使這種天線面板更好地應(yīng)用到空間雷達(dá)和臨近空間雷達(dá)上,必須對天線面板的帶寬進(jìn)行有效的展寬。

1 天線面板分析

根據(jù)以上的分析,本文提出一種天線面板的設(shè)計(jì)。這種天線面板具有以下幾個特點(diǎn):

(1) 工作頻帶相對較寬,可以和平臺共形一體化設(shè)計(jì);

(2) 具有一定的力學(xué)強(qiáng)度,安裝定位保形簡單,可制造性好,可大量生產(chǎn);

(3) 質(zhì)量面密度很低;

(4) 可以實(shí)現(xiàn)有源電掃。

圖1給出了這種輕質(zhì)天線的模型圖。這種天線采用縫隙天線單元的形式,具有低剖面特點(diǎn),而且這種形式容易有源集成,加工、保形簡單。

圖1 輕質(zhì)天線模型圖

天線單元饋電采用微帶線的饋電方式,如圖2所示。天線面板的背面還集成了射頻收發(fā)組件、功分器、射頻連接器和低頻連接器。

天線面板由2層輕質(zhì)支撐材料和3層薄膜加工而成,具體實(shí)現(xiàn)方式見圖3。上層的薄膜和輕質(zhì)支撐材料折成U型。縫隙天線單元的縫隙本身是雙向輻射的,因此需要加反射層才能保證天線的單向輻射,同時(shí)也可以加強(qiáng)天線單元的增益。為了保證天線單元的帶寬,反射層必須與輻射縫隙之間保持一定的距離,通常必須大于1/8波長(λ)。Tim Clark提出的天線面板的反射層也集成在面板上,這樣反射層與輻射縫隙之間距離很小,天線無法實(shí)現(xiàn)相對寬的頻帶特性。

圖2 天線面板的背面圖

圖3 天線面板的側(cè)面圖

為了實(shí)現(xiàn)寬的頻帶特性同時(shí)保持天線面板低剖面的特性,必須在天線面板外增加一層反射薄膜。這就增加了天線陣面保形的難度和天線陣面的質(zhì)量。

在本項(xiàng)目中天線陣面的安裝效果如圖4所示。單塊面板的安裝圖見圖5。

圖4 天線陣面整體效果圖

圖5 天線安裝的側(cè)面圖

從圖4、5可以看出,很多塊天線陣面安裝在圓柱形充氣囊體的側(cè)面,組成一個圓柱形的相控陣天線。

本項(xiàng)目中,安裝天線面板的充氣囊體外表面涂敷金屬化反射膜,就可以將彈丸外表面作為反射面。這樣做既可以保持天線面板本身保持剖面低的特性,又可以實(shí)現(xiàn)一定寬度的頻帶特性。

T/R組件也是天線面板中重要的組成部分,其設(shè)計(jì)也是側(cè)重于輕小型化和低功耗。組件的系統(tǒng)框圖見圖6。

圖6 T/R組件的設(shè)計(jì)框圖

2 應(yīng)用設(shè)計(jì)

天線面板的實(shí)物圖見圖7,天線安裝到充氣囊體見圖8,充氣囊體表面涂覆了一層金屬化薄膜作為反射層。天線面板是工作在P波段的有源天線模塊。

圖7 天線面板實(shí)物圖

3 實(shí)測結(jié)果和分析

為了驗(yàn)證天線面板及其組陣的特性,投產(chǎn)并調(diào)試成功4塊天線面板,使用框架形成小陣,具體見圖9。

圖10給出了天線面板駐波測試結(jié)果和使用HFSS軟件的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，天線面板的相對帶寬達(dá)到17%。

圖11～12分別給出了天線面板小陣不掃描時(shí)、掃描30°時(shí)波束測試結(jié)果及HFSS軟件仿真結(jié)果。從圖中可以看出，測試結(jié)果與使用HFSS軟件的仿真結(jié)果基本吻合。

圖10 天線面板駐波測試結(jié)果

圖11 天線面板小陣不掃描時(shí)波束測試結(jié)果和仿真結(jié)果

天線小陣有4塊天線面板,每個面板有6個通道,總共24個通道,通道輻射功率為3 W。天線面板質(zhì)量面密度2.5 kg/m2。

圖12 天線面板小陣掃描30°時(shí)波束測試結(jié)果和仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹了一種輕質(zhì)天線面板。這種天線面板采用了復(fù)合材料技術(shù),性能指標(biāo)滿足了使用的要求,可以在未來平流層飛艇星載環(huán)境方面有廣泛的應(yīng)用。

[1] S N Madsen, C Chen, W Edelstein. Radar options for global earthquake monitoring[C]// IEEE Symposium on Geoscience and Remote Sensing, IGARSS '02,2002.7.

[2] C W Chen,A Moussessian. MEO SAR system concepts and technologies for Earth remote sensing[C]//AIAA Space Conference,2004.9.

[3] W Edelstein, S Madsen, A Moussessian, C Chen. Concepts and technologies for Synthetic Aperture Radar from MEO and Geosynchronous orbits[C]//SPIE International Asia-Pacific Symposium,Remote Sensing of the Atmosphere,Environment,and Space,Honolulu,Hawaii,USA,2004.11.

[4] A Moussessian, C Chen, W Edelstein, S Madsen, P Rosen. System Concepts and Technologies for High Orbit SAR[C]//.The IEEE MTT-S International Microwave Symposium,Long Beach,CA,2005.6.

[5] Tim Clark, Esko Jaska. Million Element ISIS Array[C]//IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology,Waltham,MA,2010.10.

[6] Alina Moussessian, Linda Del Castillo. An Electronically Scanned Large Aperture Membrane Array[C]//NASA Space Technology Conference,2007.6.

[7] R Brett Williams, Kyle M Maxhimer. Design of Radar Panel Mounting Hardware for ISIS Radar Antenna[C]//54th AIAA/ASME/ASCE/AHS Structure,Structural Dynamics,and Materials Conference,2013.6.

Design of a lightweight antenna panel

ZHANG Yi-jiang

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

A lightweight antenna panel is designed, which is to be used to construct the large-aperture antenna on a platform with limited load capacity. This antenna panel can be used to construct the active phased array antenna with the mass surface density of 2～3 kg/m2. Several relevant measures are adopted to reduce the gross weight of the panel. The test results indicate that the mass surface density and the main electrical specifications of the antenna panel meet the initial design requirements.

lightweight antenna; antenna panel; phased array; large-aperture antenna

2016-09-10;

2016-09-20

張軼江(1978-),男,碩士,高級工程師,研究方向:雷達(dá)天饋系統(tǒng)、微波元器件。

TN823.24

A

1009-0401(2016)04-0049-04