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无源相控阵天线设计的核心

移相器的选择

对于一个无源相控阵天线,假定其辐射单元有2000个,那么移相器对于整个阵列的重量和成本起着关键作用,也就是说每个移相器单元的轻量化、低成本设计是至关重要的。

另外,为了避免辐射功率的衰减,并尽可能减弱对接收噪声系数的影响,移相器的插入损耗必须做的很低。


X波段双模铁氧体移相器

移相器的其他性能要求:实现精确的相位控制、切换速度和电压驻波比。虽然固态移相器成为了主动相控阵天线设计的主流,铁氧体移相器仍然在诸多无源相控阵天线中应用,原因是该阵列结构的耐受功率较大,且损耗较低。

馈电形式的选择

在无源相控阵天线中,两种常用的基本馈电形式是空间馈电和传输线馈电。传输线馈电通过采用传输线将发射功率功分到每个辐射单元,并接收回波信号功率,而空间馈电是在自由空间中实现上述功能。传输线馈电的方式有行波馈电或集中馈电两种基本形式。

行波馈电中,每个独立的辐射单元或一列辐射单元,通过分支网络与主传输线相连接,如下图所示。


行波馈电示意图

第一种馈电形式相对比较简单,但是存在瞬时带宽受限的问题,本质原因在于馈电的电长度与波长相关。因此,从输入到每个辐射单元在宽带系统中对应的相位偏移要求是不同的。

当频率发生变化时,天线的波束指向位置发生了改变,因此该馈电形式的天线通常只适用于窄带系统。频率变化引起的相位偏移也可以通过调整每个辐射单元的移相器相位来进行适当的校正,该相位校正的偏移值是波长的函数。


集中馈电通常采用金字塔形式的分支结构,如上图所示。该馈电方式可以保证从输入到每个辐射单元的电长度一致,因此不需要额外的相位补偿。这时,天线的瞬时带宽受限于辐射单元的带宽,传输线的带宽和馈电系统连接器的带宽。

空间馈电有多种设计形式。在下图中,一个喇叭天线或者一个小的辐射阵列照射透镜,从而形成需要的天线孔径。该透镜是由密布的辐射单元组成,每个又包括电控的移相器。


空间馈电形式简单,成本较低,容易实现轻量化。空间馈电的损耗较低,可实现的瞬时带宽与集中馈电相近。该天线设计需要保证馈电单元与透镜之间的焦距,因此难以实现低剖面设计。另外,该天线如果不对辐射单元进行幅度加权设计,旁瓣电平较高。

传输线的选择

对于无源的相控阵天线,传输线有两种基本的形式,一种是微带线,一种是波导。


微带线馈电通常是在介质层中插入窄金属条带。微带馈电的优点在于其可实现轻量化,集成化和低成本,同时可传输宽带的信号。因此,该馈电形式可以满足高分辨率成像等应用需求。

金属波导馈电与微带馈电相比,重量较重,成本更高,且瞬时信号带宽受限制,然而其插损极小,因此该馈电方式通常用于传输大功率信号,弱目标检测等应用。


随着新型塑性铸造工艺和电镀工艺技术的发展,高质量、低成本、金属镀层的波导馈电是未来发展的方向。

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