相控阵天线协同设计

相控阵天线系统的 协同设计
西安电子科技大学天线系统设计高级培训 2008/06/20
刘 莹 高级应用工程师 aliu@https://www.sodocs.net/doc/8b10851953.html, Ansoft公司 Ansoft公司
内容提纲
相控阵天线系统设计挑战 相控阵的协同设计 机载相控阵天线系统设计实例

相控阵天线组成（有源）
相控阵天线组成（无源）

相控阵天线系统概述
运载平台 有源通道 天线阵列
模块级设计要点
T/R 模组 天线阵列
6）通道宽带化设计 7）大功率射频发射模块：TWT, 铁氧体移相器，PA（无源） 8）基于MMIC的T/R模块（有源相控阵） ）基于MMIC的T/R模块（有源相控阵） 9）天线信号处理与DBF技术（有源相控阵） ）天线信号处理与DBF技术（有源相控阵）
1）单元超宽带设计 2）阵列高增益、低副瓣 3）方向图赋形 4）扫描盲区预评估 5）低天线RCS ）低天线RCS

系统级设计难点
1）天线与有源T/R模组的相互作用（有源） ）天线与有源T/R模组的相互作用（有源） 2）T/R模组的系统稳定性（有源） T/R模组的系统稳定性（有源） 3）带运载平台的方向图畸变 4）评估带运载平台的天线系统的扫描盲区 5）对飞机内电缆的电磁干扰（EMI） ）对飞机内电缆的电磁干扰（EMI）
先进的协同设计功能
Ansoft确保相控阵天线系统设计成功的三大特有仿真技术 Ansoft确保相控阵天线系统设计成功的三大特有仿真技术 Dynamic Link － 解决T/R模组的系统稳定性设计 解决T/R模组的系统稳定性设计
Technology that provides bi-directional connection between circuit and electromagnetic simulators. Fully parameterized electromagnetic models are linked to circuits with parameters passed to the electromagnetic simulator and S-parameter results passed back.
Pushed Excitations －T/R模组的副相误差对天线副瓣的影响 T/R模组的副相误差对天线副瓣的影响
Technology that allows results from combined circuits and electromagnetic simulations to produce fields and radiation.
Data Link －运载平台与天线系统间的相互作用
Couples multiple 3D EM simulation projects by linking tangential fields on the outer surface of one project to another. This linkage between projects allows engineers to simulate very large and complex geometries efficiently.

Dynamic Link - EM/Circuit Co-design
A Monopulse Comparator
Sum Azimuth Azimuth Sum
Antennas
Elevation
Elevation
Top
Bottom

3D EM “Components” Dynamically Linked to a Circuit
Waveguide Comparator Circuit
Parameterized HFSS models in Ansoft Designer HFSS “Components”
Transmission lines Parameterized transmission lines based on HFSS data
Pushed Excitations – Circuit Results Excite EM Model
简单的四单元贴片天线阵，每个单元前端带有有源功放
Port3 Port2
Port5 Port4
Port7 Port6
Port9 Port8
Port1 U1 Port1 wayne4el_multiple_ports

Ansoft Corporation
Pattern
wayne4el_original1
Curve Info dB(GainTotal) Setup_1 : LastAdaptive Freq='5.7GHz' Phi='0deg'
1. Extract 3D EM Model
15.00
10.00
5.00
0.00
dB(GainTotal)
-5.00
-10.00
3. Compute Farfield Using Circuit Results
-15.00
-20.00
-25.00
-30.00 -200.00
-150.00
-100.00
-50.00
0.00 Theta [deg]
50.00
100.00
150.00
200.00
2. Run Circuit Model
不同功放增益下的天线阵方向图
Ansoft Corporation
15.00
Pattern
wayne4el_original1
Curve Info dB(GainTotal) Setup_1 : LastAdaptive Freq='5.7GHz' Phi='0deg'
Ansoft Corporation
15.00
pattern
wayne4el_multiple_ports
Curve Info dB(GainTotal) Setup_1 : LastAdaptive Freq='5.7GHz' Phi='0deg'
10.00
10.00
5.00
5.00
0.00
0.00
dB(GainTotal) -5.00
dB(GainTotal)
-150.00 -100.00 -50.00 0.00 Theta [deg] 50.00 100.00 150.00 200.00
-5.00
-10.00
-10.00
-15.00
-15.00
-20.00
-25.00
-20.00
-30.00 -200.00
-25.00 -200.00
-150.00
-100.00
-50.00
0.00 Theta [deg]
50.00
100.00
150.00
200.00
G1 through G4 = 0 dB
G1, G4 = 20 dB G2, G3 = 0 dB

Datalink – Coupling 3D EM Models
Source Project
Target Project
Source project illuminates target project using specialized boundary conditions.
Example – Antenna in Radome
Target Design Source Design

Example – Antenna in Radome
Far-field Radiation
Antenna Fields in Radome
Example- Antenna radome with FSS
Finite Array w/FSS Target Modified Target
Result Source
Result
Datalink enables solution of very large antenna problems while minimizing compute time and RAM useage

内容提纲
相控阵天线系统设计挑战 相控阵的协同设计 机载相控阵天线系统设计实例
机载有源相控阵

一个典型的无人机天线系统设计流程
Port1 p1 p2 p3 p4 PG=120deg Port3
Dynamic Link
Port2
PG=0deg
Pushed Excitations
Port4
PG=60deg
PG=180deg
Port1
P t3
DataLink
Objective
Demonstrate state-of-the-art for simulation of antenna systems installed on UAV platform.
Platform Active Channel Antenna Array
[1] T.-Y. Yun, C. Wang, P. Zepeda, C.T. Rodenbeck, M.R. Coutant, M. Li, and K. Chang, “A 10-21 GHz, low-cost, multifrequency, and full-duplex phased array antenna system,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 50, pp. 641– 650, May 2002.

TR Module
Transmit Channels: 10Ghz, 19GHz Receive Channels: 12Ghz, 21GHz
Microstrip Multiplexer
Design filters for each frequency band using circuit models
P=0mm W=W3 P=0mm W=W2 P=0mm W=W1 1 Port1 W=W0 P=50mil 2 1 W=W1 S=S1 P=L1 2 W=W2 S=S2 P=L2 2 1 W=W3 S=S3 P=L3 W1=W1 W2=W2 W=W1 P=0mm W1=W3 W2=W2 W=W2 P=0mm P=0mm W=W5 P=0mm W=W4 1 1 2 W=W4 S=S4 P=L4 2 W=W5 S=S5 P=L5 1 2 W=W0 P=50mil Port2 W1=W5 W2=W0 W=W5 P=0mm
W1=W3 W2=W2 W=W3 P=0mm
W1=W4 W2=W5 W=W4 P=0mm
W1=W1 W2=W0
Port1
Apply EM approach for design refinement and combine filters to yield multiplexer
Port3 Port2
Transmit Channels: 10Ghz, 19GHz Receive Channels: 12Ghz, 21GHz

PEM vs Circuit -- low bands
Planer EM (blue) and Circuit (red) yield similar results at design frequencies
Vivaldi Analysis
Analyzed in HFSS
Single element design optimization 4x1 Element Array

Single Vivaldi Element
Far Field Patterns 10GHz
SingleElement_PML
Ansoft Corporation
0.00
Normalized Gain – Co/X-pol Normalized Gain - Co/X-Pol
Curve Inf o SingleElement_PML Norm_XPol Curve Info Setup1 : Sw eep2 Norm_XPol Norm_CoPol Norm_CoPol Setup1 : Sw eep2 Setup1 : Sw eep2
Setup1 : Sw eep2
-10.00
-20.00
-30.00
Total Gain
Gain - Total
0 -30 10.00 30
-40.00 Y1 -50.00 -60.00
60
0.00 -60 -10.00
-70.00
-20.00
-90
90
-80.00
-90.00 -200.00
120 SingleElement_PML
-150.00
-100.00
-50.00
0.00 Theta [deg]
50.00
100.00
150.00
200.00
-120
Curve Info Setup1 150
-180
-150
dB(RealizedGainTotal) : Sw eep2 Phi='0deg' dB(RealizedGainTotal) Setup1 : Sw eep2 Phi='90deg'

4X1 Vivaldi Array
Analyzed in HFSS at 10GHz Scan conditions illustrated
4 elements in-phase 60°progressive phase shift between elements
10GHz, 60° Phase Increments
Ansoft Corporation
0.00
Name m1 X 22.0000 Y 0.0000
Normalized Gain – Co/X-pol Normalized Gain - Co/X-Pol1
m1
4x1_Array
Curve Info Norm_CoPol Setup1 : Sw eep2 Norm_XPol Setup1 : Sw eep2
-10.00
Curve Info
-20.00
Norm_XPol Setup1 : Sw eep2 Norm_CoPol Setup1 : Sw eep2
-30.00
-40.00 Y1 -50.00
Total Gain
Gain - Total1
0
Name m1 Theta 22.0000 Ang 22.0000 Mag 11.6972
-60.00
(22.0°,11.7)
30
-30 10.00
m1
-70.00
0.00 -60 -10.00 60
-80.00
-90.00 -200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 Theta [deg] 50.00 100.00 150.00 200.00
-20.00
-90
90
Excellent Polarization Isolation Demonstrated Greater than 35dB at 22°
Info
-120
120 Curve
dB(RealizedGainTotal) Setup1 : Sw eep2 Phi='0deg'
-150 150
-180
dB(RealizedGainTotal) Setup1 : Sw eep2 Phi='90deg'

Manufacturing Tolerance Example
Consider Case of Amplitude and Phase Variations Associated with the Amplifier
φnom 0° 60° 120° 180° Δφ 0° 6.7° -32° -5° ΔdB 0 2.73 0.9 1.9
Channel
1 2 3 Δφ , ΔdB 4
Apply these variations from ideal conditions of uniform amplitudes and determine effect on antenna performance
Push Excitations Comparison With Phase/Amplitude Errors

Apply HFSS-HFSS Data Link
Target HFSS-HFSS Datalink Utilized for Efficiency
Source
Vivaldi Array
HFSS Data Link allows the Near-Field or Far-Field data from one HFSS design as the source excitation in another HFSS design The source design is solved separately from the target design and placed as the source excitation in the target design The iterative solver along with higher order basis functions allows for electrically large structures, such as an aircraft, to be simulated
Array on Aircraft Scanned to 22°

机载无源相控阵
无源相控阵天线系统示意图

波束赋形
地面测绘雷达
Amplitude Phase
Z
X
Ansoft Corporation
0.00
XY Plot 4
16x1_o1
-10.00
-20dB
-30dB
-20dB
-20.00
dB10normalize(GainL3Y)
-30.00
-40.00
-50.00
-60.00
-70.00 -90.00 -60.00 -30.00 0.00 Theta [deg] 30.00 60.00 90.00

阵列单元馈电幅相 – 16x1
8 m
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
7
6 Vm
5
4 m
1 2 3 4 5 6 7 8
XY Plot 4
3
2 Vm
1.083 ∠45.42° 1.444 ∠53.23° 1.547 ∠59.33° 1.564 ∠76.21° 2.096 ∠78.29° 2.581 ∠62.38° 2.087 ∠40.67° 1.524 ∠-4.77°
16x1_o1
1
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
0.928 ∠-36.67° 0.464 ∠-78.29° 0.701 ∠-51.58° 0.728 ∠-35.40° 0.629 ∠-26.34° 0.741 ∠-4.49° 0.999 ∠11.80° 1.000 ∠25.76°
0.00
Ansoft Corporation
-10.00
-20.00
dB10normalize(GainL3Y)
-30.00
-40.00
-50.00
R.S. Elliott and G.J. Stern, “ A New Technique for Shaped Beam Synthesis of Equispaced Arrays”, IEEE Trans. Antennas Propgat., vol AP-32, pp. 1129-1133, Oct. 1984
-60.00 -70.00 -90.00 -60.00 -30.00 0.00 Theta [deg] 30.00 60.00 90.00
全系统仿真解决方案
Power Distribution Beam Forming Network (Amplitude/Phase) Amp Circulator Antenna Element
I
0
Input
Replicate 16x
50

5G集成相控阵天线：设计,制造和测试

Received February6,2020,accepted March4,2020,date of publication March13,2020,date of current version March25,2020. Digital Object Identifier10.1109/ACCESS.2020.2980595 Research on Structurally Integrated Phased Array for Wireless Communications QING-QIANG HE1,SHUAI DING2,CHEN XING1,JUN-QUAN CHEN1,GUO-QING YANG1,AND BING-ZHONG WANG2,(Senior Member,IEEE) 1Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu610036,China 2Institute of Applied Physics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu610054,China Corresponding authors:Qing-Qiang He(heqingqiang518@https://www.sodocs.net/doc/8b10851953.html,)and Shuai Ding(uestcding@https://www.sodocs.net/doc/8b10851953.html,) This work was supported in part by the National Natural Science Foundation of China under Grant61601087,in part by the Fundamental Research Funds for the Central Universities under Grant ZYGX2019Z016,and in part by the Sichuan Science and Technology Program under Grant2018GZ0518and Grant2019YFG0510. ABSTRACT Structurally integrated antenna is a kind of highly integrated microwave device with a load-bearing function,and it is usually installed on the structural surface of the air,water and ground vehicles.This paper presents the design,fabrication and testing of a novel structurally integrated Ka-band active antenna for airborne5G wireless communications.The proposed antenna is mainly composed of three parts:a package layer,a control and signal process layer and a RF layer.In the RF layer,the microstrip antenna array,tile transmitting(Tx)modules,micro-channel heat sinks and a stripline feeding network are highly integrated into a functional block with a thickness of2.8mm.Electromechanical co-design methods are developed to design the active antenna array with the superstrates,and two schemes for designing micro-channel heat sinks are evaluated to obtain a uniform temperature distribution.The RF layer is fabricated by using the low-temperature co?red ceramic process,and the three layers are assembled to form the full-size antenna prototype.The mechanical and electromagnetic experiments are carried out,and the results demonstrate the feasibility of the structurally integrated active antenna for airborne wireless communications. INDEX TERMS5G communications,phased array antenna,structurally integrated active antenna,low-temperature co?red ceramic(LTCC),micro-channel heat sinks. I.INTRODUCTION Signi?cant momentum has started to build around the5G wireless communication technologies for delivering mobile experience differentiation by providing higher data rates, lower latency,and improved link robustness[1],[2].In this regard,millimeter-wave phased array antenna is a very promising solution for5G wireless communications,due to the wide bandwidths and steerable beams.The millimeter-wave phased array antenna can be applied to realize the wireless connection between the base stations and wireless terminals in a mobile vehicle such as the aircraft,high-speed train,car,and ship.Moreover,it can be continuously steered to the base stations,which could guarantee reliable connec-tions in these mobile environments[3]–[5].In addition,the multi-gigabits-per-second data speeds in5G will provide new wireless communication applications such as uncompressed video streaming,mobile distributed computing,fast large?le The associate editor coordinating the review of this manuscript and approving it for publication was Yasar Amin.transfer,and of?ce in a high-speed mobile environment[6]. However,because of the limited space in a mobile vehicle like the aircraft,the phased array antenna is usually required to have a compact size,light weight and easy installation[7]. In this condition,it is highly desirable to use structurally integrated active antennas for5G wireless communications in a mobile vehicle. Structurally integrated active antennas can embed an active planar printed antenna into the structural surface of the aircraft,high-speed train,car,ship,and armored vehi-cles[8]–[11].For example,the active microstrip antenna array is integrated into the wing or fuselage of an aircraft. Compared with the antennas mounted on the structural sur-face,structurally integrated active antenna features several advantages such as reduced weight,volume and aerodynamic drag.Structurally integrated active antenna is a kind of highly integrated antenna,which receives great attention in recent years.Antenna-on-chip(AoC)and antenna-in package(AiP) solutions are two commonly used techniques to realize the highly integrated antennas[12]–[14].Compared to AiP,AoC VOLUME8,2020 This work is licensed under a Creative Commons Attribution4.0License.For more information,see https://https://www.sodocs.net/doc/8b10851953.html,/licenses/by/4.0/52359

主流卫星通信天线对比

常用卫星通信天线介绍（一） 原文：寇松江（爱科迪） ★★★★（7020207）添加点图片

天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。 反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。下文对一些常用的天线作简单介绍。 1．抛物面天线 抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。 图1 抛物面天线

抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。 2．卡塞格伦天线 卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。 卡塞格伦天线的优点是天线的效率高，噪声温度低，馈源和低噪声放大器可以安装在天线后方的射频箱里，这样可以减小馈线损耗带来的不利影响。缺点是副反射面极其支干会造成一定的遮挡。

相控阵天线的基础理论

第二章相控阵天线的基础理论 相控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列(ESA)天线。虽然用于相控阵雷达的相控阵天线有多种，但相控阵天线均是由多个天线单元，亦称辐射器构成的。天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。在每个天线单元后端都设置有移相器，用来改变单元之间信号的相位关系，信号的幅度变化则通过功率分配/相加网络或者衰减器来实现。在扫描过程中，整个雷达不需要像采用普通阵列天线或者剖物面天线的雷达那样进行机械运动，因此波束指向迅速灵活，且可以实现多波束并行工作，使得雷达具有很强的自适应能力。 在相控阵天线的实际使用过程中，线性相控阵天线平面相控阵天线是较为常见的两种形式。下面分别以这两种形式为例，阐述相控阵天线扫描的基本原理。 2.1相控阵天线扫描的基本原理 2.1.1线性相控阵天线扫描的基本原理 线性相控阵天线广泛应用于一维相控扫描的相控阵雷达中。根据基本的阵列类型，线 性相控阵天线可以划分为垂射阵列和端射阵列。垂射阵列最大辐射方向垂直于阵列轴向，天线波束在线阵法线方向左右两侧进行扫描。相反，端射阵列主瓣方向沿着阵列轴向。由于垂射阵应用最为广泛，因此主要讨论垂射阵。 图2.1是一个由N个天线单元组成的线性阵列原理图，天线单元呈均匀排成一线，途中沿y轴方向按等间距方式分布，天线单元间距为d。每一个天线单元的激励电流为 I i(i =0,1,2,...N -1)。每一单元辐射的电场强度与其激励电流I i成正比。天线单元的方向 图函数用fiG,：)表示。 图2.1 N单元线性相控天线阵原理图 阵中第i个天线单元在远区产生的电场强度为： e丸E i =K i I i fip, ) (2.1) 式中，K i为第i个天线单元辐射场强的比例常数，r i为第i个天线单元至观察点的距离， f i P,)为第i个天线单元的方向图函数，h为第i个天线单元的激励电流，可以表示成为: (2.2) 式中，3i为幅度加权系数，厶B为等间距线阵中，相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值。 在线性传播媒质中，电磁场方程是线性方程，满足叠加定理的条件。因此，在远区观察点P处的总场强E可以认为是线阵中N个辐射单元在P处辐射场强之和，因此有：

卫星通信天线简介

常用卫星通信天线简介 天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。 反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。下文对一些常用的天线 作简单介绍。 1．抛物面天线 抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。 图1 抛物面天线 抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。 2．卡塞格伦天线

卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。 卡塞格伦天线的优点是天线的效率高，噪声温度低，馈源和低噪声放大器可以安装在天线后方的射频箱里，这样可以减小馈线损耗带来的不利影响。缺点是副反射面极其支干会造成一定的遮挡。 图2 卡塞格伦天线 3．格里高利天线 格里高利天线也是一种双反射面天线，也由主反射面、副反射面及馈源组成，如图3所示。与卡塞格伦天线不同的是，它的副反射面是一个椭球面。馈源置于椭球面的一个焦点F1上，椭球面的另一个焦点F2与主反射面的焦点重

9米卫星天线技术资料.

9.0米电动卫星通信天线 WTX9.0-6/4（14/12）型 技术说明书 贵州振华天通设备有限公司（4191厂）

1、概述 WTX9-6/4和WTX9-14/12型卫星通信天线是一种具有四口线极化频谱复用 馈源系统的9米改进型卡赛格伦天线系统。当天线朝天时，天线的轮廓尺寸为φ9m×10.3m。整个天线具有效率高、旁瓣低、使用维护方便、抗风能力强、造形 美观，刚性好，精度高的特点。广泛用于C频段和Ku频段卫星通信地球站。 天线的主反射面均为实体铝板结构，主面直径为9m，副面直径为 1.08m。 立柱式座架的设计允许方位连续转动140o，俯仰从5o~90o连续转动。方位轴和俯仰轴由马达驱动，驱动速度为0.03o/秒和0.1o/秒两种。 馈源系统的极化轴也由马达驱动，驱动速度为 1.5o/秒，转动范围为180o。 步进跟踪系统由室内天线控制单元、室外马达控制器、变频器和信标接收机组成。轴角显示分辨率为0.01o，跟踪精度为0.06o，步进跟踪系统能使天线随时准确地对准卫星。 本天线的外型图见图 1.1。

图1.1 2、天线的主要技术参数 天线主要技术参数与性能指标 项目名称 参数指标 WTX9.0-4/6 WTX9.0-12/14 C波段Ku波段 接收发射接收发射 一、电气性能指标 1．工作频率（GHz） 3.625～4.2 5.825～6.425 10.95～12.75 14.00～14.50 2．增益（dB）50.1 53.2 59.2 60.4 3．驻波≤1.25：1 ≤1.25：1 4．波束宽度(-3dB) 0.513°0.359°0.185°0.159° 5．天线噪 声温度(仰角10°) 37°K57°K (仰角20°) 32°K 48°K 6．G/T值（dB/K）(T LNA=60K) 30 38.4dB/K 7．极化方式四端口或二端口线极化 8．馈源插入损耗(dB) 0.2 0.25 0.40 9．收发隔离度(dB) ≥85 10．交叉极化隔离度(dB) ≥35 11．第一旁瓣(dB) -14 12．广角旁瓣符合CCIR-580-4标准 13．功率容量(KW) 5 1 14．馈源接口CPR－229F CPR－137G WR-75 WR-75 二、机械性能指标 天线口径9000 mm 转动范围方位±70°俯仰5°～90° 跟踪速度0.03°/S 跟踪精度0.06°/S 三、环境特性 1．工作风速35m/s 2．不破坏风速55m/s 3．环境温度－50oC—+60oC 4．雨降10cm/h 5．阳光辐射1000kcal/h㎡6．相对温度0%—100% 7．裹冰 2.5cm 8．使用寿命：8年 抗风能力保精度工作稳态风20m/s，阵风27m/s. 降经度工作稳态风25m/s，阵风30m/s，降雨50mm/h. 保全条件阵风55m/s，天线朝天锁定. 天线重量3500

扫描法测量有源相控阵天线方向图及误差分析

扫描法测量有源相控阵天线方向图及误差分析 摘要：本文从单元一致性、地面反射、测量天线相位中心误差和方向图等方面分析了波束扫描法的误差来源，讨论了减小误差的方法，给出了改进后的实测方向图，结果表明，该方法原理简单、实施有效，对外场测量大尺寸阵列天线方向图具有重要意义。 【关键词】有源相控阵扫描法误差分析地面反射 1 引言 随着大规模相控阵天线的应用，在外场不具备精确坐标测量条件时，仅有测量天线情况下，波束扫描法可以准确的测量大型有源相控阵天线方向图，其测量误差主要来自单元一致性、地面反射、测量天线、相位中心等。 2 扫描法测量方向图基本原理 被测天线有N个距离为d的单元组成，如图1所示。根据相控阵天线理论，天线方向图为： 天线方向图F（θ，φ0）是指固定波束指向φ=φ0，阵列天线对不同方向电磁波响应的集合；而扫描方向图F（θ0，φ）是指连续调整波束指向，阵列天线对固定方向θ=θ0电磁波响应的集合。可以证明，不考虑单元方向图、地面反射等影响，天线方向图F（θ，φ0）与扫描方向图F（θ0，φ）

相等。 3 波束扫描法测量方向图误差分析 单元一致性主要通过单元方向图Fi（θ，φ）对扫描法测量精度产生影响，这是由于天线单元一致性差别及阵列中互耦环境的变化引起的。 地面反射通过多径效应影响扫描法测量误差。架设测量天线应满足远场条件，有条件时，在阵面前方的合适位置摆放一定高度的“吸波墙”。 几何中心与相位中心的偏移造成最大电平的偏移，影响扫描法测量的精度，如图2所示。因此，若外场不具备坐标精确测量的条件，可以优先通过扫描法对准测量天线相位中心与被测天线相位中心。 测量天线的方向性及有限的波束宽度影响扫描法在多大的角度范围内有效。为减小这一误差，测量天线方向图不宜过窄，对整个阵面单元的最大张角须控制在一个较小的范围以内。 4 实验与结论 以测量现有的一个全数字有源相控阵方向图验证了波束扫描方法的有效性，该阵列为24×1的线阵，得到接收均匀加权方向图如图3所示。结果均表明，线阵接收扫描方向图与天线实际方向图吻合良好，表明该测试方法在外场测试有较高的精度。

相控阵天线集成技术_彭祥龙

相控阵天线集成技术 彭祥龙 ( 西南电子技术研究所 成都 610036 ) 摘 要：低成本、更高频段与可扩展是推动相控阵天线集成技术发展的主要动力。本文综述了砖块式与瓦片式两种相控阵天线集成阵列结构，以及多功能芯片与射频晶圆集成技术的发展，指出开发多功能芯片是当前发展毫米波相控阵天线的重要途径。 关键词：相控阵天线，低成本，集成技术，多功能芯片，毫米波 Phased Array Antennas Integration Technology PENG Xiang-long （Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036） Abstract ：Low-cost ，higher frequency and scalability are the main impetuses to the development of phased array antennas integration technology. In this paper, the progresses in architecture of phased array antennas (brick-type and tile-type building blocks) and RF circuit integration technology (chips with multi-function and RF-wafer scale integration) are reviewed. Finally, it is pointed out that development of chips performing multi-function is an important way to develop millimeter-wave phased array antennas. Key words ：Phased array antennas, low cost, integration technology, multi-function chips, millimeter-wave 引 言 随着微电子与计算机技术的发展，相控阵系统逐渐应用于战术层面，如战斗机、直升机、无人机、精确制导等领域，通常工作于X 、Ku 与Ka 频段。这些武器平台空间狭小，自身价值有限或者雷达实际使用寿命很短，但是相控阵系统的战术技术指标要求却依然很高。大型天基通信与雷达探测也日益强调采用相控阵技术，成本虽非首要因素，但是体积、重量与功耗要求却非常苛刻。民用智能通信天线尤其关注成本控制。 相控阵天线是相控阵系统的核心部分，特别是两维有源相控阵天线，其集成水平决定了整个系统的性能与成本。工作频率愈高，每个阵元的面积（～λ2/4）愈小，集成度要求愈高。 传统的有源相控阵天线，当应用平台或者功能项目变化，需要扩大或者缩小阵列天线的口径时，除了要增加或减少T/R 组件的数量，还需要重新设计相控阵其它分系统，以适应射频、中频、数字信号与电源接口数量以及负荷能力的变化。开放式可扩展阵列天线，以子阵模块为基本单元，不仅封装了多个相控阵天线通道，还集成了相控阵其它分系统（如波束形成与幅相校正网络，电源、波束控制、频率源、波形产生等）的部分功能，大幅度减少接口类型与数量，实现模块化、通用化，提高可扩展性能。 过去十年间，单片微波集成电路迅速发展，在相控阵天线上得到广泛应用，提高了系统可靠性，减小了体积，降低了重量与成本。但是两维有源相 控阵仍然是代价不菲的，以机载有源相控阵雷达为例，迄今为止，仅仅美国换装了部分战斗机。在保证同样战技指标的条件下，提高相控阵天线集成度是降低成本最有力的措施。 相控阵天线集成阵列结构有两种：砖块式与瓦片式。电路集成技术由多芯片模块（MCM ）向多功能集成芯片与晶圆级单片相控阵发展。 1 阵列结构与封装 将多个通道在电路与结构上封装为一个整体，作为阵列装配的基础积木块或在线可更换单元（LRU ），是相控阵天线最基本的集成手段。基础阵列模块通常集成了多个T/R 组件，射频馈电网络，控制与直流偏置等电路；如果还集成了天线辐射阵元，可称为子阵。 相控阵天线集成的阵列结构有两种：基于砖块式线子阵的纵向集成横向组装；基于瓦片式面子阵的横向集成纵向组装。通常砖块式用于较高频段，瓦片式用于较低频段，但是还要兼顾相控阵天线的且间距小，功耗大，砖块式设计相对容易；通信系统的发射功率要求不高，阵元数少且间距宽，瓦片式集成难度比较小；而共形相控阵天线必须采用瓦片式集成技术。 子阵模块集成能够大幅度减少相控阵天线与波束形成网络、控制电路、电源组件等分系统之间的信号互联，降低损耗，提高效率与电磁兼容水平；减少机械装配结构件，降低重量；简化封装与装配程序，提高相控阵天线的测试性、维修性与可扩展性。在较高的频段，还有利于降低机械公差要求，

有源相控阵天线G-T测量及误差分析

有源相控阵天线G/T值测量及误差分析 任冀南秦顺友陈辉吴伟伟 (中国电子科技集团公司第54研究所，河北石家庄050081 ) 摘要：简述了地面站天线系统G/T值测量的传统方法。论述了室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的原理方法，推导出测量的原理方程。分析了G/T值测量误差，其均方根误差小于或等于±0.422dB。最后给出了S波段19元阵天线系统G/T测量结果，实测结果与预算结果吻合很好。 关键词：有源相控阵天线；G/T测量；误差分析 G/T Measurement and Error Analysis for Active Phased Array Antenna REN Ji-nan, QIN Shun-you, CHEN Hui, WU Wei-wei (The Fifty Fourth Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081, China ) Abstract: In this paper, traditional measurement methods are described simply for earth station system G/T value. Measuring principle and procedure of active phased array antenna G/T value are discussed using outdoor direct far-field method, and measuring principle equation is derived. Error of G/T value measurement is analyzed, and results show that RMS error of G/T value measurement is less than or equal to ±0.422dB. Measuring result of S-band 19-unit array antenna G/T value is given, test result agrees with prediction result. Key words：active phased array antenna; G/T measurement; error analysis 引言 G/T是地面站系统的重要性能参数之一，其性能好坏直接影响系统的灵敏度。目前G/T值传统的测量方法有间接法和直接法[1][2][3]。所谓间接法就是分别测量出天线接收增益和系统噪声温度，从而计算系统G/T值的方法；直接法又可细分为卫星载噪比法和射电源法。卫星载噪比法就是直接测量地面站天线接收卫星信号的载噪比，从而确定G/T值的方法，该方法非常适合卫星通信地面站天线系统G/T测量；射电源法就是测量地面站天线指向射电星和冷空时的Y因子，从而计算G/T值的方法。由于射电源的信号很微弱，对于小型地面站，其系统G/T很小，则很难观测到射电源的信号[4]。 对于有源相控阵天线，因其射频单元与天线单元集成在一起，其天线测试方法不同于常规的无源天线测量[5][6]。对于有源相控阵天线系统G/T 值测量，无法采用间接法测量系统G/T值；另外如果天线工作频段与卫星频段不符，且系统G/T 值较小，则采用卫星载噪比或射电源法测量其G/T值具有局限性。为此我们提出了在室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的方法。实践证明：该方法是切实可行的，在G/T值测量中值得推广和应用。 1 测量原理和方法 图1所示为室外远场法测量有源相控阵天线G/T值原理方框图。 图1 室外远场法测量相控阵天线G/T值原理方框图图1中，R为测试距离，R应满足远场测试距离条件，即R≥2D2/λ（D为待测天线最大尺寸，λ为工作波长）。由功率传输方程可得：频谱分析仪测量的载波功率C为[7]： RF P net S t L L GG G P C （1) 式中： 相控阵天线 标准天线 R

光控相控阵中的真时延技术

光控相控阵中的真时延技术 发表时间：2016-12-06T16:34:30.140Z 来源：《基层建设》2016年19期作者：王媛董波徐建军 [导读] 摘要：20世纪80年代随着计算机技术、信号处理技术、光电子技术以及器件、材料、工艺的发展,相控阵技术的研究取得了实质性的进展,采用光学控制手段实现雷达波束扫描的光控相控阵雷达的研究也被提到日程上来。 陕西黄河集团有限公司设计所陕西西安 710043 摘要：20世纪80年代随着计算机技术、信号处理技术、光电子技术以及器件、材料、工艺的发展,相控阵技术的研究取得了实质性的进展,采用光学控制手段实现雷达波束扫描的光控相控阵雷达的研究也被提到日程上来。它不仅能克服传统相控阵雷达的缺点,还具有低损耗、无波束偏斜、扫描角度大、瞬时带宽等优点。同时这一领域的研究对无线通信技术、光通信技术、光存储技术、天文学也将产生深远的影响。本文分析了光控相控阵中的真时延技术。 关键词：光控相控阵；雷达；真时延技术； 为了提高相控阵雷达的抗干扰能力, 相控阵天线必须具有尽量大的带宽。要提高雷达对目标的分辨、识别能力, 解决多目标的雷达的成像问题, 相控阵雷达必须采用具有大瞬时信号带宽的信号。 一、工作原理 雷达微波信号外调制激光，将微波信号加载到光波上，之后，加载有微波信号的光波通过光纤传输，实现低损耗的天馈线。光波经过光环形器进入光延迟网络。进入光延时网络的光波，在经过波分复用器后，不同波长的光会进入不同的延迟通道。加载有微波信号的光波经过光／电转换后，微波信号即被解调出来，经过电放大后，由天线阵列发射出去。接收时，天线接收到的微波信号经过低噪放大之后，进行电／光转换，将微波调制到光载波，再进入光延时网络实现波束形成。进入光／电转换器，然后到达预处理单元。主要包括对微波信号的低噪放大、滤波及下变频处理，将Ｘ波段的微波信号下变频到中频，然后进行采样及量化。之后进入数据处理单元，完成雷达对目标的检测、识别等功能。在光控相控阵雷达的核心单元光延时网络部分，每一级延迟线包含Ｋ个光通道。单级延迟线结构由光开关、光环形器、波分复用器、光纤延迟线和光纤反射镜组成。假设进 入波分复用延时网络的波长为，波长间隔均匀且为常 数Δλ。第一级光纤延迟线通道线间真时延迟为ΔＴ（１）＝Δτ。通过设计并精确制作光纤延迟线长度，使第二级延迟线单元通道间间形成的真时延迟为ΔＴ（２）＝２Δτ。依此类推，在第Ｎ级延迟线单元中通道间形成的真时延迟为ΔＴ（Ｎ）＝２Ｎ－１Δτ。将基本单元通过环形器和光开关串联起来，形成连续、快速可调的多波长光波束成形延时网络。很显然，这种级数增长的延迟间隔，可以实现０～２（Ｎ－１）逐次变化的共２Ｎ种延迟组合，大幅增加了延迟能力和形成波束的数目。 二.光控相控阵中的真时延技术 1.轻质低功耗的波束合成。光控微波波束形成器是下一代相控阵雷达和智能天线的核心技术，它通过控制阵列中各微波链路的相位差或真延时差，使各微波辐射源的辐射场在远场的特定方向产生干涉极大，达到定向发射(或接收)的目的，它具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、带宽大、无波束倾斜等优点。人们对于相控阵雷达和智能天线的研究催生了光控微波波束形成技术的相关研究。光控微波波束形成技术是未来无线通信和军事领域的重要支撑技术，已成为各国研究计划的前沿课题与重点项目。目前，光波束形成技术应用主要包括以下几个方面:一是利用光电子和光纤传输技术简化阵列(相控阵) 天线控制信号的传输或实现阵列天线的分体设计。二是利用光电子技术对阵列天线的辐射单元或子阵进行幅度和相位控制。三是固态相控阵天线是相控阵天线技术的发展方向，T/Ｒ模块的实现是关键。利用光电子技术实现接收多波束网络。四是用于形成接收阵的 DBF 网络。五是利用光纤实现实时延时。六是用于常规阵列实现天线辐射孔径的幅相综合，尤其是高精度的相位综合，从而达到设计单脉冲阵列、超低旁瓣阵列、宽带阵列以及特殊赋形波束阵列的目的。 2.射频信号的光分配技术。射频信号的光分配技术是指ＲF 信号输入到 T/Ｒ组件之间的传输链路是通过光纤来实现的，特别是单模光纤网络在相控阵天线信号的分配中可以带来很多好处，比如说布局灵活，易于构造三维; 在同一光纤中将微波和数字信号混合传输，并且能够实现实时延迟兼容，具有非常宽的带宽; 再次，对多种阵列信号是否能以波分复用技术用同一网络来分配，这是光控相控阵雷达要解决的关键问题。 3.模拟信号传输技术。利用光子技术实现模拟信号的远距离传输，在满足低损耗要求的同时，能够避免相位漂移，实现大的动态范围以及低的噪声系数。对器件和制造工艺的要求比较高。要实现连续可调就必须有能实现多波长连续可调的高性能激光器,而且对色散光纤、平面波导的制作以及光栅本身的刻制、精确定位、连接都要求有较高的工艺和操作水平。通过波分复用和解复用器或者一个定时单元就可以将光载波传送到天线的发射端。 4.利用光子技术完成快速可调谐ＲF滤波。相控阵雷达工作频点可能需要根据战场实况进行自适应调整，为此可以选择滤波器组来实现，但是，一般的滤波器组具有体积大、质量大、功耗高等缺点不适于无人机等平台。希望基于光子技术的可调谐滤波器可以满足无人机的需求。另外，如何利用光纤的灵活性在天线部署时实现相位稳定性，并且获得网内的低损耗和低色散也是光控相控阵雷达的关键技术之一。希望在光的频域内实现天线波束形成所要求的移相操作，如此可以设想是否在将来能够实现在 L 和 X 两个波段同时工作的光电馈送的相控阵天线。国外的一些机构已经开始了这方面的研究可以预测采用集成光学技术的真延时结构必将成为研究的一个热点。 光控相控阵天线由于具有尺寸小、重量轻、功耗低、大带宽、高精度、高隔离度、小型化和高密度的优点，未来将可能适用于天基预警平台、太阳能无人机、舰载多功能射频系统等。宽带、大动态射频光链路，时钟、本振信号阵面光传输，射频光纤拉远和超宽带相控阵阵面光传输都将是光控相控阵发展的关键技术，这将大大提高未来雷达的性能。 参考文献 [1]张光义.相控阵雷达瞬时带宽的几个问题[J].现代雷达,2014,4:1- 10. [2]黄章勇.光纤通信用新型光无源器件[M].北京: 北京邮电大学出版社,2014. [3]何子述,金林,韩蕴洁,等. 光控相控阵雷达发展动态和实现中的关键技术[J].电子学报, 2015, 33(12):2191- 2195.

数字相控阵天线测试平台

龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/8b10851953.html, 数字相控阵天线测试平台 作者：戴海青胥志毅吴鸿超 来源：《电子技术与软件工程》2017年第15期 摘要：现代大型数字相控阵天线中，天线内的TR组件数目庞大同时工作频带很宽，阵面的暗室测试工作十分繁琐，工作量巨大。为简化测试过程，提高测试效率，文中对数字相控阵天线阵面的测试方案进行了研究，提出并搭建了一套测试平台，通过对天线阵面样机的试验，验证了测试方法的高效率和正确性。 【关键词】相控阵天线天线测试波控 在现代雷达领域，数字相控阵雷达相比较传统的模拟相控阵雷达，在波束扫描的灵活性、系统时问资源利用率以及多功能应用等多个方而有着明显优势。 为了保证数字相控阵天线性能，需完成天线组件的通道数据采集，对整个天线系统的组件相位幅度配平，以及完成对相控阵雷达天线的方向图测试。尤其对于大型相控阵雷达天线而言，测试工作量（尤其在近场测试）按TR组件数目、工作频点数目乘积激增，测试过程非常繁琐。所以建立一种能够快速、准确地测量出数字相控阵天线的特性参数的天线测试平台，对于满足新型数字相控阵雷达的研制十分重要。 1 数字相控阵天线阵面 数字相控阵天线阵而都包含天线罩、天线阵列、结构骨架和高频箱（内部包含了T/R组件、综合网络、阵而电源、阵而监测设备等），其主要功能是： （1）发射时，阵而对发射前级送来的信号进行放大、辐射和空问功率合成。 （2）接收时，阵而将天线接收到的目标回波信号放大，经过数字接收通道转换成数字信号，交由数字波束形成（DBF）形成自适应波束。 数字相控阵天线阵而的测试主要特点：数字相控阵天线阵而，收发波瓣测试时，天线阵而与测试探头之问一个是发射模拟信号，一个则是经过AD采样之后的接收数字IQ信号，二者之问的同步相参需要额外的硬件设备，并经过特殊的数据处理，同时数字相控阵天线阵而控制接口、下行数据接口一般采用光纤形式，需要测试系统满足该要求。 2 测试系统组成和原理框图 根据数字相控阵天线阵而暗室测试的特点，本文设计了一套测试系统，系统框图如图1所示。

相控阵天线的基本原理介绍

相控阵天线的基本原理介绍 相控阵天线是目前卫星移动通信系统中最重要的一种天线形式，由三个部分组成：天线阵、馈电网络和波束控制器。基本原理是微处理器接收到包含通信方向的控制信息后，根据控制软件提供的算法计算出各个移相器的相移量，然后通过天线控制器来控制馈电网络完成移相过程。由于移相能够补偿同一信号到达各个不同阵元而产生的时间差，所以此时天线阵的输出同相叠加达到最大。一旦信号方向发生变化，只要通过调整移相器的相移量就可使天线阵波束的最大指向做相应的变化，从而实现波束扫描和跟踪。相控阵天线有相控扫描线天线阵和平面相控阵天线。图一 图一 N单元相阵 远区观察点P处的总场强可以是认为线阵中N个单元在P点产生的辐 射场强叠加：

图二线性相控阵天线 这一天线阵的方向图函数为： 图三平面相控阵天线 相控阵在快速跟踪雷达、测相等领域得到广泛的应用，它可以使主瓣指向随着通信的需要而不断地调整。相控阵为主瓣最大值方向或方向图形主要由单位激励电流的相对来控制天线阵。通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位改变方向图形状的天线。控制相位可以改变

天线方向图最大值的指向，以达到波速扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状。用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，相控阵天线克服了这已缺点，波速的扫描高。它的馈电相一般用电子计算机控制，相位变化速度快，即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大特点。 一般相控阵天线应对每一辐射单元的相位进行控制。为了节省移相器和简化控制线路，有时几个辐射单元共用一个移相器。相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分连续式移相器和数字式移相器两种。连续式移相器的移相值可在0°～360°范围内连续变化，数字式移相器的移相值是离散的，只能是360×(1/2)^n的整数倍，移相器应保证在一定的频率范围内获得所需要的移相值。天线辐射单元的设计应使一定移相范围内和一定频率范围内的输入阻抗的变化尽可能小，以保证发射机正常工作，防止由于射频信号的多次反射而出现寄生副瓣和方向图中出现凹点的现象。相控阵天线的馈电方式分传输线馈电和空间馈电两种。在传输线馈电方式下，射频能量通过波导、同轴线和微带线等微波传输线馈给辐射单元。在空间馈电方式下，发射机产生的射频能量通过辐射装置辐射至自由空间，传输一段距离后由一个接收阵接收，接收阵的每个单元或一组单元所接收到的信号，经过移相器移相后再馈给发射阵的发射单元并辐射出去。 相控阵天线阵列本身的设计主要是幅度、相位分布设计和单元阻