中国海军94GHz电扫接收单脉冲有源相控阵雷达

在四块矩形平板中形成电扫单脉冲方向图的第一部94GHz接收有源相控阵已经完成了加工和海上测试，获得了各项技术性能，所测波束宽度为2.3°，零值深度为20dB。
1 引 言
工作在94GHz的64单元接收有源相控阵已完成了各项技术性能的测试。具有2.3°波束宽度和20dB的零值深度的电扫单脉冲方向图已在四块矩形板上作了论证。就作者所知，这是第一部能够工作在94GHz产生电扫单脉冲波束的有源相控阵。本文将叙述阵列的电气设计和机械设计、阵列制造，阵列测试和阵列的性能。
2 阵列设计
设计该阵列的几个关键技术问题是：窄波束宽度、单脉冲能力和紧凑的尺寸。采用四部32单元交叉线阵获得窄波束宽度。单脉冲能力是一种有源移相器的功能和波束形成网络。采用前端电子设备和先进的机械设计相结合的单片微波集成电路可获得紧凑的尺寸。阵列的主要制造程序块是一种8通道组件。这种8通道组件是由8个辐射单元组成，每个单元采用单片微波集成电路的低噪声放大器和移相器，随后是8∶1微带信号组合网络。前人的工作已经验证了具有±30°扫描能力和9.8°的波束宽度为3dB的8通道组件构成的阵列。为进一步降低波束宽度，8通道组件组合分成两部独立的32个单元线阵。这些独立的线阵与每一种其它形式的线阵构成直角。对每种线阵测得的数据表明：2.3°的波束宽度验证了所期望的简化方案。图1示出了一个交叉线阵列的阵面。
图1 一个交叉线阵列的阵面图
采用两部独立的32个单元线阵列可对变化的方位和仰角提供窄波束宽度
单脉冲能力要求在波束形成网络输出时产生和差方向图。阵列前端的准确相位调整和阵列的后端波束形成是至关重要的。GaAs变容管控制的模拟单片微波集成电路移相器可用于基本相位调整。8位D/A变换器可把这些移相器的控制转换成以所需的模拟电压表示的数字字符。用这种相位调整方案可得到最坏情况下的量化误差为7.6°。
阵列后端波束形成采用波导组合技术分两步完成：第一步是在和端口对两个8通道组件的输出进行组合；第二步是采用T型混合接头对提供和差端口的信号进行加减。采用这种结构可获得零值深度为20dB。图2示出了该阵列的方框图。
图2 阵列方框图
两级波导波束形成可为这种阵列提供和差信号
紧凑的尺寸是设计的关键参数。射频前端电子设备采用GaAs PHEMT单片微波集成电路低噪声放大器和GaAs单片微波集成电路移相器。这些单片微波集成电路为减少8通道组件尺寸的直流信号分配安装在多层基片上。为每个8通道组件所创造的网络分配布局是关键性的。每个8通道组件含有13路直流输入。这些输入是由有源器件的偏压和所需要的控制信号组成的，以获得恰当的阵列幅度和相位锥度。采用阵列背面的多层母板通过超小型连接器分配直流信号。这种结构允许阵列的直径保持在75mm以下。
3 阵列制造
这种阵列的电子设备易于组装和早期检查，由此可推导出阵列的制造参数。我们为了提供一种易于组装的8通道组件而设计了一种RF/DC接口程序块。8通道组件在阵列组装之前作了射频探针测试，这为前端电子设备的早期检查，提供了一种方法。另外，在阵列合成之前，我们已分别制造出了电源和控制电子设备，并进行了测试。
图3 94GHz有源相控阵的组装和测试流程
8通道组件和阵列电子设备分别进行组装、测试和安装在阵列背面板上，它可为整个阵列的组装和测试前提供对所有功能的早期检测接口程序块包含一种用于波导转换的微波集成电路，此外，还配有用于波束形成电路的8通道组件。程序块也包括一个连接到8通道组件多层基片上的超小型连接器，以提供一个直流接口。在阵列合成前，用这种程序块对8通道组件进行组装和测试。在阵列背面板上采用这种程序块很容易把单个8通道组件装配到阵列上。图3示出了该阵列组装的流程图。
4 阵列的测试和性能
测试包括在±30°的扫描角范围内的阵列校准和波束方向图测量，并对和差方向图进行记录。对所有波束方向图均采用统一的阵列锥度。此外，还要对单元的噪声系数进行估算。
波束方向图测量所需要的校准数据是每一阵列通道(在宽边上测量)增益对增益状态和相位对相位状态。此外，还记录了非主要的相移对增益状态和增益随相位状态变化的情况。为简化数据获取和波束控制算法，对所有通道的增益对增益状态均记录在固定参考相位状态，而对所有通道的相位对相位状态均记录在固定参考增益状态。这种校准数据用作选择控制阵列用的增益和相位状态。
由于波束控制的方法可用于该阵列调整所需相移的移相器，故可用相移和通道对通道增益误差把增益调整到偏置增益变化上。这种方法意味着要求相位不随增益状态发生明显变化。当一情况对该阵列的工作范围是切实可信的话，则旁瓣电平的进一步改善可指望采用较好的波束控制算法。
图4示出了该阵列从+30°到-30°的每3°得到的波束方向图。当这些方向图旁瓣电平优于10dB时，则该方向图的波束宽度范围为2.3°～2.7°。
图5示出了位于轴线上的阵列所获得的和差方向图。这一方向图的零值深度为20dB。
基本噪声系数用单片微波集成电路的低噪声放大器晶片上数据进行估算，并估算出辐射单元损耗。低噪声放大器晶片噪声系数数据对阵列的工作特性而言，典型值为5～5.5dB。传输线和辐射单元的估算损耗为1.0～1.5dB。因此，估算出的基本噪声系数小于7dB。
图4 94GHz阵列和方向图
从+30°到-30°的每3°所得的方向图波束宽度为2～3°
图5 94GHz阵列和差方向图
在阵列阵线上的和差方向图表示单脉冲能力和零值深度为20dB
5 结 论
采用和差信号的第一部有源相控阵(具有单脉冲能力)已在进行制造和测试，并获得了技术性能，经测试记录的波束宽度为2.3°零值深度为20dB。在四块矩形平板中形成电扫单脉冲方向图的第一部94GHz接收有源相控阵已经完成了加工和海上测试，获得了各项技术性能，所测波束宽度为2.3°，零值深度为20dB。
1 引 言
工作在94GHz的64单元接收有源相控阵已完成了各项技术性能的测试。具有2.3°波束宽度和20dB的零值深度的电扫单脉冲方向图已在四块矩形板上作了论证。就作者所知，这是第一部能够工作在94GHz产生电扫单脉冲波束的有源相控阵。本文将叙述阵列的电气设计和机械设计、阵列制造，阵列测试和阵列的性能。
2 阵列设计
设计该阵列的几个关键技术问题是：窄波束宽度、单脉冲能力和紧凑的尺寸。采用四部32单元交叉线阵获得窄波束宽度。单脉冲能力是一种有源移相器的功能和波束形成网络。采用前端电子设备和先进的机械设计相结合的单片微波集成电路可获得紧凑的尺寸。阵列的主要制造程序块是一种8通道组件。这种8通道组件是由8个辐射单元组成，每个单元采用单片微波集成电路的低噪声放大器和移相器，随后是8∶1微带信号组合网络。前人的工作已经验证了具有±30°扫描能力和9.8°的波束宽度为3dB的8通道组件构成的阵列。为进一步降低波束宽度，8通道组件组合分成两部独立的32个单元线阵。这些独立的线阵与每一种其它形式的线阵构成直角。对每种线阵测得的数据表明：2.3°的波束宽度验证了所期望的简化方案。图1示出了一个交叉线阵列的阵面。
图1 一个交叉线阵列的阵面图
采用两部独立的32个单元线阵列可对变化的方位和仰角提供窄波束宽度
单脉冲能力要求在波束形成网络输出时产生和差方向图。阵列前端的准确相位调整和阵列的后端波束形成是至关重要的。GaAs变容管控制的模拟单片微波集成电路移相器可用于基本相位调整。8位D/A变换器可把这些移相器的控制转换成以所需的模拟电压表示的数字字符。用这种相位调整方案可得到最坏情况下的量化误差为7.6°。
阵列后端波束形成采用波导组合技术分两步完成：第一步是在和端口对两个8通道组件的输出进行组合；第二步是采用T型混合接头对提供和差端口的信号进行加减。采用这种结构可获得零值深度为20dB。图2示出了该阵列的方框图。
图2 阵列方框图
两级波导波束形成可为这种阵列提供和差信号
紧凑的尺寸是设计的关键参数。射频前端电子设备采用GaAs PHEMT单片微波集成电路低噪声放大器和GaAs单片微波集成电路移相器。这些单片微波集成电路为减少8通道组件尺寸的直流信号分配安装在多层基片上。为每个8通道组件所创造的网络分配布局是关键性的。每个8通道组件含有13路直流输入。这些输入是由有源器件的偏压和所需要的控制信号组成的，以获得恰当的阵列幅度和相位锥度。采用阵列背面的多层母板通过超小型连接器分配直流信号。这种结构允许阵列的直径保持在75mm以下。
3 阵列制造
这种阵列的电子设备易于组装和早期检查，由此可推导出阵列的制造参数。我们为了提供一种易于组装的8通道组件而设计了一种RF/DC接口程序块。8通道组件在阵列组装之前作了射频探针测试，这为前端电子设备的早期检查，提供了一种方法。另外，在阵列合成之前，我们已分别制造出了电源和控制电子设备，并进行了测试。
图3 94GHz有源相控阵的组装和测试流程
8通道组件和阵列电子设备分别进行组装、测试和安装在阵列背面板上，它可为整个阵列的组装和测试前提供对所有功能的早期检测接口程序块包含一种用于波导转换的微波集成电路，此外，还配有用于波束形成电路的8通道组件。程序块也包括一个连接到8通道组件多层基片上的超小型连接器，以提供一个直流接口。在阵列合成前，用这种程序块对8通道组件进行组装和测试。在阵列背面板上采用这种程序块很容易把单个8通道组件装配到阵列上。图3示出了该阵列组装的流程图。
4 阵列的测试和性能
测试包括在±30°的扫描角范围内的阵列校准和波束方向图测量，并对和差方向图进行记录。对所有波束方向图均采用统一的阵列锥度。此外，还要对单元的噪声系数进行估算。
波束方向图测量所需要的校准数据是每一阵列通道(在宽边上测量)增益对增益状态和相位对相位状态。此外，还记录了非主要的相移对增益状态和增益随相位状态变化的情况。为简化数据获取和波束控制算法，对所有通道的增益对增益状态均记录在固定参考相位状态，而对所有通道的相位对相位状态均记录在固定参考增益状态。这种校准数据用作选择控制阵列用的增益和相位状态。
由于波束控制的方法可用于该阵列调整所需相移的移相器，故可用相移和通道对通道增益误差把增益调整到偏置增益变化上。这种方法意味着要求相位不随增益状态发生明显变化。当一情况对该阵列的工作范围是切实可信的话，则旁瓣电平的进一步改善可指望采用较好的波束控制算法。
图4示出了该阵列从+30°到-30°的每3°得到的波束方向图。当这些方向图旁瓣电平优于10dB时，则该方向图的波束宽度范围为2.3°～2.7°。
图5示出了位于轴线上的阵列所获得的和差方向图。这一方向图的零值深度为20dB。
基本噪声系数用单片微波集成电路的低噪声放大器晶片上数据进行估算，并估算出辐射单元损耗。低噪声放大器晶片噪声系数数据对阵列的工作特性而言，典型值为5～5.5dB。传输线和辐射单元的估算损耗为1.0～1.5dB。因此，估算出的基本噪声系数小于7dB。
图4 94GHz阵列和方向图
从+30°到-30°的每3°所得的方向图波束宽度为2～3°
图5 94GHz阵列和差方向图
在阵列阵线上的和差方向图表示单脉冲能力和零值深度为20dB
5 结 论
采用和差信号的第一部有源相控阵(具有单脉冲能力)已在进行制造和测试，并获得了技术性能，经测试记录的波束宽度为2.3°零值深度为20dB。