劉鑫超 吳 皓 洪 偉

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著相控陣技術(shù)的快速發(fā)展，其廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代雷達(dá)、電子對(duì)抗設(shè)備中。對(duì)雷達(dá)而言，目標(biāo)識(shí)別、成像、高分辨力與帶寬息息相關(guān)，對(duì)電子對(duì)抗裝備，瞬時(shí)帶寬直接影響設(shè)備的頻域截獲和干擾能力。由于目標(biāo)識(shí)別、成像雷達(dá)的工作帶寬不斷提高，對(duì)電子對(duì)抗裝備提出了更高瞬時(shí)帶寬的需求；同時(shí)，快速空域截獲能力對(duì)電子對(duì)抗裝備的空域覆蓋范圍也提出了更高的要求，使寬帶相控陣波束指向大角度掃描的需求越來(lái)越迫切，如何提高寬帶相控陣波束指向大角度掃描精度，使偵察設(shè)備能在頻域和空域內(nèi)同時(shí)快速截獲威脅雷達(dá)信號(hào)，成為電子對(duì)抗研究人員關(guān)注的研究方向。

1 寬帶相控陣系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1 相控陣原理

相控陣由一系列等間距或不等間距的輻射陣元及收發(fā)組件組成，通過(guò)改變各饋電陣元的相位，實(shí)現(xiàn)空間上的波束賦形或掃描，不需要改變陣列的物理朝向，根據(jù)相控陣的排布方式，可將相控陣分為一維線陣、二維面陣、曲面及共形陣列等。

以一維等間距線陣為例，如圖1所示，由個(gè)陣元組成的一維線陣，陣元等間距排列，間距為，每個(gè)陣元后端連接一個(gè)移相器，控制該通道輻射信號(hào)的相位。通過(guò)改變各陣元通道信號(hào)的相位，各個(gè)陣元接收的信號(hào)疊加在一起就會(huì)形成一個(gè)指向可變的波束。

圖1 一維相控陣天線原理圖

假設(shè)強(qiáng)度為，頻率為的信號(hào)從方向?yàn)榈慕嵌容椛涞疥嚸?，則其到達(dá)第個(gè)陣元與第1個(gè)陣元的波程差0為

0=(-1)sin

(1)

其到達(dá)的時(shí)間差為

(2)

其中為光速，我們稱0為孔徑渡越時(shí)間。

此時(shí)，第個(gè)陣元與第一個(gè)陣元的相位差為

(3)

令第個(gè)通道移相器的移相值為Δ，根據(jù)信號(hào)合成理論，該角度的場(chǎng)強(qiáng)可以表示為各個(gè)陣元接收到輻射信號(hào)的矢量和，即

(4)

當(dāng)Δ+=0時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)()達(dá)到最大值，由此可看出，只要改變移相器的相移量，就可改變系統(tǒng)的波束指向角，從而形成波束掃描。

通過(guò)以上計(jì)算分析，當(dāng)系統(tǒng)需要將波束指向時(shí)，只需將第1個(gè)陣元至第個(gè)陣元的信號(hào)相位分別移動(dòng)Δ=-=-2π0(為陣元編號(hào))即可。在工程應(yīng)用時(shí)，由于移向值為[0,2π]之間的數(shù)，故移相器提供的移相值為

Δ′=-2π0(mod2π)

(5)

1.2 色散問(wèn)題的產(chǎn)生

上節(jié)分析了相控陣波束形成理論，可知通過(guò)對(duì)每個(gè)陣元的相移值進(jìn)行配置，從而形成空間角度上的波束掃描，由式(5)可知，相移值與信號(hào)頻率強(qiáng)相關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)為窄帶信號(hào)系統(tǒng)，或信號(hào)帶寬相對(duì)于信號(hào)頻率可忽略不計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)每個(gè)通道的相位控制可將波束準(zhǔn)確的指向期望值。但是，當(dāng)系統(tǒng)為寬帶陣列時(shí)，將會(huì)引入寬帶相控陣的色散問(wèn)題。

對(duì)帶寬為的寬帶信號(hào)=+來(lái)說(shuō)，若其相移值按照點(diǎn)頻進(jìn)行計(jì)算，則有

(6)

可知，當(dāng)信號(hào)為寬帶信號(hào)時(shí)，繼續(xù)使用頻率前沿的配相值將會(huì)使孔徑渡越時(shí)間0發(fā)生變化，即波束指向會(huì)由變?yōu)椤Ｆ渲袨榈牟ㄊ赶颍?+′,其中′為波束指向偏差，則

(7)

下面將通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明寬帶陣列的色散效應(yīng)。以某型Ka波段一維線陣為例，陣元數(shù)量為=32陣元的均勻線陣，陣元間距42mm，系統(tǒng)瞬時(shí)帶寬為2GHz，圖2展示了邊界信號(hào)在法線、15°、30°和45°的掃描波束。

圖2 寬帶邊界信號(hào)在基于移相器的寬帶相控陣中的掃描指向曲線

由圖2可知，對(duì)中心頻率為35GHz、瞬時(shí)帶寬為2GHz的寬帶接收相控陣系統(tǒng)，當(dāng)接收邊帶34GHz和36GHz的信號(hào)到達(dá)時(shí)，其低邊帶和高邊帶信號(hào)的波束指向發(fā)生了明顯的偏差，且其偏差隨著指向角度的增大而增大，與前文分析一致。在波束指向?yàn)?5°時(shí)，34GHz信號(hào)指向偏差最大約為1.7°，與式(7)計(jì)算結(jié)果一致，誤差接近3dB波束寬度的一半，誤差已嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。

2 典型寬帶相控陣延時(shí)器方案

2.1 主流延時(shí)方法

2.1.1 微波光延遲

典型單路微波光延遲的結(jié)構(gòu)如圖3所示。射頻信號(hào)經(jīng)由一個(gè)電光轉(zhuǎn)換器(E/0)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，在光纖介質(zhì)上延遲或處理后再通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器(0/E)變換回射頻信號(hào)。通過(guò)這種形式，不但可在光域?qū)ι漕l信號(hào)延遲，達(dá)到對(duì)每個(gè)通道相位一致的需求，還可在光域?qū)π盘?hào)進(jìn)行濾波、信道化、寬帶測(cè)頻等微波光子信號(hào)處理。

圖3 典型單路微波光延遲結(jié)構(gòu)圖

光延時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是瞬時(shí)帶寬寬、損耗低、抗干擾能力強(qiáng)以及良好的溫度特性，且傳輸損耗與頻率無(wú)函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。其缺點(diǎn)是成本高，雖然光纖本身的成本已經(jīng)可忽略不計(jì)，但射頻/光轉(zhuǎn)換設(shè)備的成本目前還是較高。同時(shí)，由于其是由幾部分獨(dú)立功能的模塊組成，體積相對(duì)較大，可應(yīng)用于地面、車載等大型相控陣上，對(duì)于Ka波段或更高頻率的相控陣設(shè)備，由于單元間距、陣面規(guī)模的限制，無(wú)法應(yīng)用在這類小型相控陣中。

2.1.2 微波傳輸延遲線

微波傳輸線延遲線是采用微帶線、同軸線或波導(dǎo)等微波傳輸線構(gòu)成的延遲線。由于電磁波微波傳輸線中傳播時(shí)需要時(shí)間，傳播時(shí)間與傳輸線的長(zhǎng)度相關(guān)，通過(guò)對(duì)傳輸線長(zhǎng)度進(jìn)行精確地設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高精度的延遲線設(shè)計(jì)。由于射頻信號(hào)在微波傳輸線中的傳播速度接近于光速，因此，很難實(shí)現(xiàn)大時(shí)延量的延遲線設(shè)計(jì)。同時(shí)，要組合滿足相控陣需求的靈活可調(diào)延時(shí)量，使用微波傳輸延遲線，需要較大的體積和重量。

2.1.3 數(shù)控延時(shí)芯片

數(shù)控延遲芯片是由于現(xiàn)代集成電路(IC)工藝的不斷提高，晶體管的尺寸不斷縮小，工作頻率的不斷升高，伴隨著數(shù)控延遲技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的，它主要出現(xiàn)在與時(shí)序相關(guān)的集成電路中，其延時(shí)的精度可從ps到μs，數(shù)控延時(shí)器具有體積小、重量輕、精度高以及靈活可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，目前越來(lái)越多的應(yīng)用到寬帶相控陣中。但是，受限于目前器件水平的發(fā)展，數(shù)控延時(shí)芯片的數(shù)控位數(shù)只能做到3～4bit，步進(jìn)量和總延時(shí)量不能兼顧，且單芯片的增益損耗較大，多級(jí)串聯(lián)需要補(bǔ)償?shù)脑鲆嫣?，?shí)現(xiàn)高階數(shù)的控制的難度較高。

2.2 典型寬帶延時(shí)相控陣模型及存在問(wèn)題

由上文可知，由于寬帶信號(hào)在相控陣中相同的孔徑渡越時(shí)間0內(nèi)，不同頻率信號(hào)有不同的相位偏移量，造成了由于信號(hào)頻率變化引起的波束指向偏移問(wèn)題，通過(guò)以上分析，由于不同頻率信號(hào)的孔徑渡越時(shí)間0不變，如果對(duì)寬帶系統(tǒng)的每個(gè)通道進(jìn)行延時(shí)設(shè)計(jì)，可有效改善寬帶相控陣因帶寬變化造成的波束指向偏移問(wèn)題。

圖4 一維寬帶延時(shí)相控陣系統(tǒng)原理

由式(2)可知，對(duì)于波束指向，孔徑渡越時(shí)間0不隨頻率的變化而變化，為使()最大，則只需陣元延時(shí)量′等于孔徑渡越時(shí)間0即可。

(8)

其最大延時(shí)量′取決于陣面兩端陣元距離(-1)和波束掃描角度的最大值，其最小延時(shí)量′等于延時(shí)步進(jìn)量′，取決于相鄰陣元間距和角度最小掃描步進(jìn)。

我們以一維=32陣元，陣元間距42mm，掃描角度為±45°，掃描步進(jìn)為1°的典型小型相控陣系統(tǒng)來(lái)分析：

(9)

(10)

其數(shù)控位數(shù)為

(11)

從上述計(jì)算可以看出，如果按理想延時(shí)模型來(lái)設(shè)計(jì)寬帶相控陣，則需要306ps的總延時(shí)量和0244ps的步進(jìn)量，即延時(shí)器必須有不低于11種延時(shí)組合互相匹配，或芯片級(jí)延時(shí)器位數(shù)不低于11位才能滿足要求，這樣的設(shè)計(jì)需求會(huì)造成系統(tǒng)復(fù)雜度、尺寸、重量和成本直線上升，無(wú)論采用上述的何種主流延時(shí)方案，對(duì)于這種一維的小型相控陣來(lái)說(shuō)，其體積、重量、功耗及成本都是不可接受或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

3 基于子陣級(jí)真延時(shí)解決方案

3.1 子陣級(jí)真延時(shí)相控陣方案設(shè)計(jì)

由上文可知，如果每個(gè)陣元都采用延時(shí)線或者延時(shí)芯片來(lái)進(jìn)行相位調(diào)整，則系統(tǒng)需要較大的延時(shí)總量和較小的延時(shí)步進(jìn)量，這樣的延時(shí)需求給系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)帶來(lái)極大難度，考慮到寬帶相控陣的波束指向偏差主要是由較大的孔徑渡越時(shí)間引起的，而相鄰陣元間的孔徑渡越時(shí)間差相對(duì)較小，對(duì)波束指向影響較小的特點(diǎn)，姜瑋等人提出了分級(jí)延時(shí)的方法，通過(guò)子陣內(nèi)低步進(jìn)延時(shí)線和子陣間高步進(jìn)延時(shí)線來(lái)實(shí)現(xiàn)，但對(duì)Ka頻段小型相控陣來(lái)說(shuō)，其成本、復(fù)雜度、包括延遲芯片都很難工程實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)這種分級(jí)想法，結(jié)合工程實(shí)現(xiàn)，本文提出一種將相控陣劃分為若干子陣，在子陣內(nèi)移相，子陣間延時(shí)的分層設(shè)計(jì)方法，在解決距離較大陣元間寬帶信號(hào)相位變化過(guò)大問(wèn)題的同時(shí)，又兼顧了小規(guī)模相控陣的工程實(shí)現(xiàn)。

3.2 分析與仿真

我們以上述線陣為例進(jìn)行分析。由圖5可知，本方案將每4個(gè)陣元作為一個(gè)子陣，內(nèi)部采用移相器完成子陣內(nèi)配相，8個(gè)子陣之間采用延時(shí)芯片完成子陣間的孔徑渡越時(shí)間補(bǔ)償，則對(duì)于波束指向，其編號(hào)為的陣元延時(shí)量為

圖5 子陣級(jí)延時(shí)分層設(shè)計(jì)原理框圖

(12)

同時(shí)，由于采用移向器配相時(shí)只有在大角度掃描時(shí)寬帶信號(hào)才會(huì)產(chǎn)生色散，故系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)將延時(shí)線的啟用狀態(tài)設(shè)置為掃描角度超過(guò)10°時(shí)使用。故系統(tǒng)最大延時(shí)量取決于第8子陣和第1子陣的間距、最大掃描角度兩個(gè)參數(shù)，則

(13)

系統(tǒng)最小延時(shí)量取決于相鄰子陣距離與最小掃描角度

(14)

(15)

此時(shí)，延時(shí)器的位數(shù)為3位即可滿足要求，而移相器也無(wú)需較高位數(shù)，此時(shí)大幅降低了工程設(shè)計(jì)難度和設(shè)備量，為小型寬帶相控陣提高寬帶接收能力提供了解決方案。

根據(jù)上述分析，結(jié)合目前已經(jīng)工程化的延時(shí)芯片，延時(shí)步進(jìn)量為28.57ps，延時(shí)總量200ps，數(shù)控位數(shù)為3bit，分別以4陣元/8陣元為一組子陣，子陣間采用延時(shí)芯片的分層設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，得到上下邊帶信號(hào)的波束指向，如圖6和圖7所示。

圖6 邊帶信號(hào)在4陣元子陣分層延時(shí)方案的波束指向?qū)Ρ?/p>

圖7 邊帶信號(hào)在8陣元子陣分層延時(shí)方案的波束指向?qū)Ρ?/p>

由上述仿真結(jié)果可知，寬帶相控陣采用子陣級(jí)延時(shí)的分層設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其邊帶信號(hào)在法線、15°、30°、45°的掃描波束指向偏差相對(duì)于中心頻率信號(hào)的掃描角，偏移變化不大，在瞬時(shí)帶寬2GHz、掃描45°時(shí)的極限情況偏移大約為0.5°，相對(duì)于傳統(tǒng)移相器系統(tǒng)波束指向偏差1.7°已經(jīng)發(fā)生了非常大的改善，且通過(guò)對(duì)比4陣元和8陣元子陣的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種方案的波束指向偏差不大，再次印證了波束指向偏差主要是由最大孔徑渡越時(shí)間帶來(lái)的結(jié)論。

同時(shí)，由于目前的芯片最大延時(shí)量?jī)H為200ps，根據(jù)前文分析，沒(méi)有滿足系統(tǒng)對(duì)最大延時(shí)量的需求，這是權(quán)衡了系統(tǒng)復(fù)雜度和波束指向精度兩個(gè)指標(biāo)后的設(shè)計(jì)結(jié)果。如果系統(tǒng)對(duì)大角度掃描波束指向精度要求極高，則可通過(guò)串聯(lián)2片芯片延時(shí)器的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，其仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，串聯(lián)2級(jí)芯片延時(shí)器由于滿足了最大孔徑渡越時(shí)間的要求，其大角度掃描的波束指向精度誤差更低，但由于芯片延時(shí)器衰減較大，串聯(lián)2級(jí)芯片延時(shí)器，需要對(duì)T/R組件的增益鏈路進(jìn)行大幅補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)復(fù)雜度，可在工程設(shè)計(jì)中根據(jù)需求權(quán)衡設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，通過(guò)橫向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)同樣使用8個(gè)延時(shí)芯片，采用8陣元子陣串聯(lián)2個(gè)延時(shí)芯片的方案，比4陣元單個(gè)延時(shí)芯片的方案，波束指向精度更高。

圖8 8陣元子陣分層延時(shí)方案延時(shí)量400ps的波束指向

4 結(jié)束語(yǔ)

寬帶相控陣的波束指向穩(wěn)定度隨頻率變化而變化的問(wèn)題，會(huì)直接影響到寬帶相控陣的使用，必須采取一定的技術(shù)手段對(duì)孔徑渡越時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，弱化和改善頻率變化對(duì)波束指向的影響，但陣元級(jí)的延時(shí)補(bǔ)償帶來(lái)設(shè)備量大和系統(tǒng)復(fù)雜度高的問(wèn)題，在小型相控陣無(wú)法應(yīng)用，本文提出一種基于子陣級(jí)真延時(shí)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)在子陣內(nèi)移相、子陣間延時(shí)的分層設(shè)計(jì)方法，大幅改善了寬帶相控陣的波束指向穩(wěn)定度問(wèn)題的同時(shí)，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，目前已完成工程化設(shè)計(jì)，應(yīng)用在相關(guān)項(xiàng)目中。