子陣級(jí)延時(shí)的寬帶相控陣技術(shù)分析

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)、電子對抗設(shè)備中。對雷達(dá)而言，目標(biāo)識(shí)別、成像、高分辨力與帶寬息息相關(guān)，對電子對抗裝備，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，對電子對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電子對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)榈慕嵌容椛涞疥嚸妫瑒t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 色散問題的產(chǎn)生

上節(jié)分析了相控陣波束形成理論，可知通過對每個(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)帶寬相對于信號(hào)頻率可忽略不計(jì)時(shí)，通過對每個(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題。

對帶寬為的寬帶信號(hào)=+來說，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?，?+′,其中′為波束指向偏差，則

(7)

下面將通過仿真實(shí)驗(yàn)來說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光電轉(zhuǎn)換器(0/E)變換回射頻信號(hào)。通過這種形式，不但可在光域?qū)ι漕l信號(hào)延遲，達(dá)到對每個(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函數(shù)對應(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，體積相對較大，可應(yīng)用于地面、車載等大型相控陣上，對于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)間與傳輸線的長度相關(guān)，通過對傳輸線長度進(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撸瑢?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題，通過以上分析，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題。

圖4 一維寬帶延時(shí)相控陣系統(tǒng)原理

由式(2)可知，對于波束指向，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，無論采用上述的何種主流延時(shí)方案，對于這種一維的小型相控陣來說，其體積、重量、功耗及成本都是不可接受或無法實(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)間差相對較小，對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)線來實(shí)現(xiàn)，但對Ka頻段小型相控陣來說，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)相位變化過大問題的同時(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，且通過對比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)間帶來的結(jié)論。

同時(shí)，由于目前的芯片最大延時(shí)量僅為200ps，根據(jù)前文分析，沒有滿足系統(tǒng)對最大延時(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)對大角度掃描波束指向精度要求極高，則可通過串聯(lián)2片芯片延時(shí)器的方案來實(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)，通過橫向?qū)Ρ龋l(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

寬帶相控陣的波束指向穩(wěn)定度隨頻率變化而變化的問題，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)手段對孔徑渡越時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，弱化和改善頻率變化對波束指向的影響，但陣元級(jí)的延時(shí)補(bǔ)償帶來設(shè)備量大和系統(tǒng)復(fù)雜度高的問題，在小型相控陣無法應(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。