星载雷达有源相控阵天线轻量化技术

2.2 天线设备组成与重量分布

基于对目前有源相控阵天线的重量组成分析，可为实现天线的进一步轻量化提供参考依据。传统形式的星载相控阵天线方案多为层叠结构，单机通过大量电缆进行连接。图1列举了一典型的星载X波段距离向一维相扫有源相控阵天线内部重量的分配情况，可大致说明现有相控阵天线设计方案中各部分的重量比例关系。由图中数据可知，按现有的天线设计方案，无源网络部分（高频馈电网络和低频电缆）总重量占到天线总重的30%以上，比例最大；其次为辐射天线，比例约占2成；结构框架、T/R组件和供电控制设备重量也分别占10%以上。

图1 典型星载有源相控阵天线的重量分配

随着新型雷达对天线扫描范围要求的不断扩大（一维距离向扫描扩展到二维大角度扫描），直接使得天线子阵规模变小，天线形式将升级为近似全有源相控阵天线，此时天线所含T/R组件数量将成倍增加，与其配套的高低频网络、供电和控制设备数量必然随之增长。根据现有天线的设计模式，此时天线内部T/R组件、高低频网络及供电和控制设备的重量比例将急剧上升，这将导致所设计的天线无论是在重量上还是体积上都无法适应空间应用需要。

可见，要实现天线的轻量化，就必须优先考虑对上述六部分尤其是T/R组件和网络部分的减重，其余部分如展开机构等所占重量比例相对较低，且设计相对独立，可独立进行研究。

3 轻量化技术措施与研究重点

3.1 新型系统方案

实现星载有源相控阵天线的轻量化，需要从具体的应用需求出发，采取由上而下的减重策略：即先从天线架构上进行突破，优化整体设计方案，再基于新的设计架构，发展相应的底层设计技术，最终实现对高性能天线的轻量化。

3.1.1 轻型低剖面方案

直观上看，将基于传统方案设计的各型单机直接进行对接，即可省去互连电缆，大幅降低电缆重量比重。而考虑到星载相控阵天线厚度受限，要实现单机的直接对接，势必引起天线分层方式的根本性变化，传统的单机独立设计结合电缆连接的实现方案，将由新型的单机分层布局结合盲插互连的低剖面设计方案替代，这一新型星载相控阵设计方案如图2所示。其重点在于实现T/R组件的小型化及对功分网络和电缆的进一步减重。

图2 低剖面相控阵天线剖面结构示意图

从整体结构上来看，该方案天线由上而下可分为五个层面，依次为辐射阵面、结构支撑层、高集成馈电网络、热控层以及有源器件层（含组件、波控和电源）。上述各层在保证性能指标满足的前提下，均设计为片式结构，通过结合盲插连接方式，进而减轻天线重量。整个天线模块的仅包含三种连接关系，即天线阵面、T/R组件、电源和波控分别与一体化馈电网络盲插，从而实现无电缆式的相控阵天线模块设计。

通过采用新型的分层式低剖面方案，在二维大角度扫描要求下，天线内部各部分重量比例关系如图3所示，其中无源馈电网络的比例基本保持不变，T/R组件重量比例上升。天线平均重量可基本保持一维扫描状态下的天线重量水平。

图3 低剖面相控阵天线内部重量比例分配

3.1.2 薄膜相控阵天线方案

薄膜有源相控阵天线将用于满足未来星载雷达天线的轻型、可展开应用需求，尤其适用于大口径（几十至数百平方米）、低功率密度要求的应用场合，如天基预警雷达。薄膜式结构将给相控阵天线带来革命性的变化，这类大型柔性可展开天线为获得较轻天线重量和较小折叠体积，天线辐射阵面采用薄膜材料，展开框架则采用充气式柔性或刚柔结合支撑结构。

此型天线方案可在现有的平板式星载相控阵天线的基础上进行发展。

图4示意了采用孔径耦合微带天线的薄膜相控阵天线剖面结构，与现有的轻型板状天线结构相比，该型天线采用多层薄膜结构，利用周边张紧机构实现大型膜面的平整度控制。通过在薄膜阵面的各层集成先进的轻型柔性T/R组件、高集成馈网、轻型电源及波控，并配以柔性或刚柔混合式展开机构，薄膜相控阵天线不仅有望把天线平均重量降至10kg/m2以下，同时也将极大地推动相控阵天线集成技术的发展。

图4 微带天线结构的薄膜阵面剖面示