張軼江

(中國(guó)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(xiàn)面板的設(shè)計(jì)

張軼江

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

輕質(zhì)天線(xiàn);天線(xiàn)面板;相控陣;大孔徑天線(xiàn)

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(xiàn)。同時(shí),由于運(yùn)載工具或工作平臺(tái)的限制,使得天線(xiàn)載荷的總質(zhì)量不能大,這就要求天線(xiàn)必須有很低的質(zhì)量面密度。為了滿(mǎn)足這一要求,JPL研制了L波段電掃的柔性薄膜天線(xiàn)[6],其質(zhì)量面密度預(yù)期可以達(dá)到2 kg/m2。這種天線(xiàn)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(xiàn)形式需要復(fù)雜的展開(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)面板形式由于受到厚度的限制帶寬較窄,相對(duì)帶寬約為2%～3%。為了使這種天線(xiàn)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(duì)天線(xiàn)面板的帶寬進(jìn)行有效的展寬。

1 天線(xiàn)面板分析

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

(1) 工作頻帶相對(duì)較寬,可以和平臺(tái)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(jiǎn)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(xiàn)的模型圖。這種天線(xiàn)采用縫隙天線(xiàn)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(jiǎn)單。

圖1 輕質(zhì)天線(xiàn)模型圖

天線(xiàn)單元饋電采用微帶線(xiàn)的饋電方式,如圖2所示。天線(xiàn)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(xiàn)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(jiàn)圖3。上層的薄膜和輕質(zhì)支撐材料折成U型?？p隙天線(xiàn)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(xiàn)的單向輻射,同時(shí)也可以加強(qiáng)天線(xiàn)單元的增益。為了保證天線(xiàn)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(zhǎng)(λ)。Tim Clark提出的天線(xiàn)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(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)相對(duì)寬的頻帶特性。

圖2 天線(xiàn)面板的背面圖

圖3 天線(xiàn)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(xiàn)面板低剖面的特性,必須在天線(xiàn)面板外增加一層反射薄膜。這就增加了天線(xiàn)陣面保形的難度和天線(xiàn)陣面的質(zhì)量。

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

圖4 天線(xiàn)陣面整體效果圖

圖5 天線(xiàn)安裝的側(cè)面圖

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

本項(xiàng)目中,安裝天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jiàn)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(xiàn)面板的實(shí)物圖見(jiàn)圖7,天線(xiàn)安裝到充氣囊體見(jiàn)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(xiàn)面板是工作在P波段的有源天線(xiàn)模塊。

圖7 天線(xiàn)面板實(shí)物圖

3 實(shí)測(cè)結(jié)果和分析

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

圖10給出了天線(xiàn)面板駐波測(cè)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(xiàn)面板的相對(duì)帶寬達(dá)到17%。

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

圖10 天線(xiàn)面板駐波測(cè)試結(jié)果

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

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

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

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種輕質(zhì)天線(xiàn)面板。這種天線(xiàn)面板采用了復(fù)合材料技術(shù),性能指標(biāo)滿(mǎn)足了使用的要求,可以在未來(lái)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(jí)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