CN105356051B - 大功率导引头瓦式有源相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，旨在提供一种体积小、重量轻、不需要再做温度补偿，能够可靠地工作的有源相控阵天线。本发明通过下述方案予以实现：微带天线阵列以E型贴片作为辐射阵元，按4×4阵列规模的整倍数进行扩展，矩形栅格阵列布局在天线介质基板上，瓦式TR组件一体化紧密相连热交换器；微带天线阵列与瓦式TR组件的大功率收发芯片相连集成收发通道，并且每4个大功率收发芯片同时相连一个TR多功能芯片，4个TR多功能芯片共同构成一个4×4的子阵电路模块，往下相连于功率分配合成网络。DC电源和波束控制信号通过电源调制分配器实现供电、大功率脉冲功率调制、以及幅相码的控制，实现大功率瓦式有源相控阵天线方向图扫描。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域中一种大功率、高效储热、高密度集成导引头有源相控阵天线。
背景技术
20世纪80年代，美国委托马丁·玛丽埃塔公司采用砖式设计技术研制了导引头平面相控阵天线，该相控阵天线工作在W波段(94GHz)，天线口径为127mm，共有2208个阵元，阵元峰值功率为100mW，合成功率为62W。在2002年，美国国防高级研究计划局投资开发出微型机电系统(MEMS)电子扫描天线，该导引头电子扫描天线阵采用砖式设计技术，工作在X和Ka两个波段；X波段由60个辐射阵元单元组成，每个辐射阵元单元的射频辐射功率为500mW，总辐射功率达30W；Ka波段有768个辐射阵元单元，总的峰值功率可达到30W，平均功率为10W。2008年，美国航空导弹研发工程设计中心也开始验证基于MEMS的Ka频段16阵元砖式相控阵，该相控阵中心频率为33.4GHz，阵元间距为半波长，阵元采用Vivaldi天线，通过泰勒加权来减小旁瓣。2010年11月，美国空军实验室选定波音公司和雷锡恩公司开展了双波段砖式相控阵主动雷达/宽带被动雷达多模导引头的演示验证工作，利用C波段相控阵主动雷达导引头尽早探测、锁定隐身目标，利用Ka波段相控阵主动雷达导引头提高对空中目标的末端跟踪精度；宽带被动雷达导引头主要用于探测地面制导雷达，并利用Ka波段相控阵主动雷达导引头的高分辨提供目标识别能力，从而提高对地面制导雷达抗关机能力。美国专利US4823136介绍了一种晶片级有源相控阵天线系统，该系统将16个收/发单元集中在一片3～4英寸大小的半导体晶片上。这些收/发单元采用了宽带设计，该有源相控阵主动雷达工作在9.2～10.2GHz频段，同时在2.0～20.0GHz宽频段范围内有源天线系统可进行射频干扰(ECM)。美国休斯公司在欧洲申请的专利EP621654A2中介绍了一种主动电子扫描阵列，通过砖式模块化和低成本的设计方法，采取功能冗余设计和实时自适应补偿，阵列中若有阵元失效，总体性能下降但系统仍保持运行功能。
据2002年4月英国《简氏导弹与火箭》报道，俄罗斯安泰设计局已研制出几种新的砖式相控阵天线，展示的3种天线分别为毫米波、厘米波和分米波波段，均为圆形，直径约为11个波长，增益约为26dB，带宽为8％，最大旁瓣电平为17.6dB。厘米波和分米波天线的扫描扇区为±53°，毫米波天线则为±45°。天线控制装置采用了独立单元控制或天线子阵控制方式，能够分区控制天线，可有效对抗有源电子干扰。目前，俄罗斯玛瑙设计局正在研究用于导引头的主动式和被动式的电子扫描相控阵天线，玛瑙设计局总设计师Josif Akopian表示，该导引头技术是一个全新的研究领域，正处在试验阶段，尚有一些基本问题亟待解决，解决这些问题可能还需要1～2年的时间。玛瑙设计局目前还没有生产这些相控阵导引模块的计划。
根据法国《航宇防务》2003年5月12日报道，英国QinetiQ公司在实验室内，第一次对其X波段相控阵天线成功进行了闭环试验，从而使英国在这一技术领域处于领先地位，同时使采用相控阵的新一代地空和空空导弹的技术风险显著下降。这次试验表明，该有源相控阵天线能够产生波束，波束能始终对准目标，经过进一步改进能够实现所需的全部功能，并显著提高对抗未来电子干扰能力，其下一步目标是研制一个有更高机械强度、能发射高功率波束的有源相控阵天线。英国BAE系统公司的专利GB2409361A介绍了一种双模导引头雷达系统，该双模导引头天线罩内有一个宽带比幅被动雷达和一个高频相控阵主动雷达，其共同的视轴与天线罩轴线一致，主动雷达天线装在天线罩前端，因为足够小，所以不会干扰被动雷达的视场。
据美国《航空周刊》2003年11月17日报道，德国政府正在为BGT公司和EADS公司提供资金，研制Ka频段导引头砖式相控阵，无需机械扫描，而是生成电子波束，约有700个小型TR模块的相控阵天线。
以色列在美国申请的专利US20100052975A1涉及到一种弹载小型相控阵雷达，包括一个可发射和接收聚焦辐射波束的主动相控阵天线和提供信号以产生辐射波束并控制辐射波束方向的电路，可用聚焦波束扫描导弹运动方向前方的区域以探测目标。该雷达可以反复扫描整个水平面以定位目标，还可以接收指定区域的坐标并且反复扫描指定区域。
日本专利JP2279995A介绍了一种弹载相控阵天线系统。该专利中，相控阵天线偏离弹轴一定倾角，围绕弹轴形成不对称的波束扫描角。通过控制弹体滚动，增大波束扫描范围，提高对快速飞行和快速机动目标的跟踪能力。日本专利JP8032342A介绍了一种相控阵雷达，该相控阵雷达通过独立控制若干可变输出模块输出的发射波的相位和幅值，可使其输出的天线方向图的主瓣高、旁瓣低，从而提高系统对电磁波的探测能力和抗干扰能力。
国内文献“相控阵雷达导引头技术”(飞航导弹，2009年)报道了相控阵雷达导引头在国内外的应用现状、技术特点、以及关键技术，同时也报道了国内外导引头相控阵天线的散热方案：弹载条件下，采用热管温控系统，将TR组件上的热传到天线阵面上，天线阵面壁板本身采用无芯热管，通过它将热传至阵外与热交换器进行交换。
综上述，目前国内外文献报道的主要是采用砖式模块化设计的导引头有源相控阵天线，主要是将TR组件上的热传到阵面上通过它将热传至阵面外与热交换器进行交换，其散热方式的不足之处在于:有源相控阵天线可靠性差，由于其热路径长、不能快速将大功率芯片的热直接导入热交换器，导致大功率芯片易烧毁；其次是过长的热路径导致每个通道大功率芯片温度差异性大，影响芯片幅相一致性，导致导引头有源相控阵天线需要做温度补偿。目前，对于能将热直接导入热交换器、不需要再做温度补偿的大功率导引头瓦式有源相控阵天线还没有确定的技术方案。
发明内容
本发明目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种体积小、重量轻、成本低、工程实用性高、能将热直接导入热交换器、不需要再做温度补偿，能够在高温环境中可靠地工作的大功率导引头瓦式有源相控阵天线。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，包括微带天线阵列1、瓦式TR组件2、热交换器3、电源调制分配器4和功率分配合成网络5，其特征在于：微带天线阵列1以E型贴片6作为辐射阵元，辐射阵元单元间距在工作频率的0.45～0.55波长之间取值，按4×4阵列规模的整倍数进行扩展，采用矩形栅格阵列布局在天线介质基板8上，瓦式TR组件2一体化紧密相连热交换器3；微带天线阵列1的馈电探针7穿过天线介质基板8和天线底板9上的馈电过孔10、与布局在瓦式TR组件2的大功率收发芯片11相连集成收发通道，并且每4个大功率收发芯片11同时相连一个TR多功能芯片12，构成一个2×2瓦式TR组件2的电路单元；每个电路单元通过SMP射频连接器16，往下穿过热交换器3上的圆形金属过孔20和电源调制分配器4上的屏蔽过孔25，相连在功率分配合成网络5的SMP射频插座31上；发射信号通过功率分配合成网络5的射频输入接口33，经微带功分器34和环形器35进入分布在瓦式TR组件2的TR多功能芯片12，每个TR多功能芯片12将输入进来的射频信号分成4路，分别发送给每个大功率收发芯片11，再传输到微带天线阵列1。此时，外部DC电源供电从电源调制分配器4上的电源插座29输入，依次进入电源储能模块27、电源脉冲调制电路模块26、以及电源分发模块22，同时外部波束控制信号从电源调制分配器4上的控制插座28输入，直接进入电源分发模块22，经与低频信号网络23相连的PGA插头24输出，PGA插头24穿过热交换器3上的矩形金属过孔19与瓦式TR组件2的PGA插座17相连，最终通过低频信号控制网络13实现给瓦式TR组件2的供电、大功率脉冲功率调制、以及幅相码的控制，实现大功率瓦式有源相控阵天线的空间功率合成和方向图扫描。
上述方案中，大功率导引头瓦式有源相控阵天线是按4×4子阵规模进行设计的，该方案设计具有阵列规模的可扩展性，可按4×4阵列规模的整倍数进行扩展，如8×8阵列、4×12阵列、16×16、20×20阵列等规模。
上述方案中，大功率收发芯片11输出功率的量级在5w～150w之间。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
本发明在结构上采用4×4阵列规模的整倍数进行扩展的高密度集成瓦式有源相控阵天线构架，与传统砖式导引头相控阵天线相比，具有体积小、重量轻的优势，能更好地满足弹载狭小空间和轻质载荷的要求。本发明可将8×8阵列规模的大功率有源相控阵天线的体积缩小30.7％，重量减轻1.6kg。
本发明通过采用瓦式设计技术，将瓦式TR组件2一体化紧密相连热交换器3，每个电路单元通过SMP射频连接器16，往下穿过热交换器3上的圆形金属过孔20和电源调制分配器4上的屏蔽过孔25，相连于功率分配合成网络5的SMP射频插座31；因此，在散热设计方案上不再将大功率收发芯片11的热传到天线阵面上，并通过它与外界热交换器进行交换，缩短了热路径，可以避免大功率收发芯片11被烧毁的危险，提高了大功率有源相控阵天线的可靠性。同时也使每个大功率收发芯片11在工作条件下均温性好，大功率有源相控阵天线不再需要做温度补偿。
本发明的热交换器3可以采用石墨/石蜡复合相变材料进行设计，可以实现大功率瓦式有源相控阵天线的高效储热和轻质设计。
本发明采用大功率收发芯片11进行收发通道集成和采用TR多功能芯片12进行多功能四通道集成，减少了大功率瓦式有源相控阵天线的芯片数量，降低了设计成本。本发明可将8×8阵列规模的大功率瓦式有源相控阵天线的芯片数量由195个减少为83个，芯片数量减少了112个，实现了低成本设计。
附图说明
图1是本发明大功率瓦式有源相控阵天线的组成框图。
图2是本发明大功率瓦式有源相控阵天线的透视分解图。
图3是图1微带天线阵列1的透视分解图。
图4是图1瓦式TR组件2的四分之一局部构造的透视分解图。
图5是图1热交换器3的透视分解图。
图6是图1电源调制分配器4的透视分解图。
图7是图1功率分配合成网络5的透视分解图。
图8是本发明大功率瓦式有源相控阵天线热设计结果图。
图中：1微带天线阵列，2瓦式TR组件，3热交换器，4电源调制分配器，5功率分配合成网络，6E型贴片，7馈电探针，8天线介质基板，9天线底板，10馈电过孔，11大功率收发芯片，12TR多功能芯片，13低频信号控制网络，14PCB介质基板，15一分四Wilkinson功分器，16SMP射频连接器，17PGA插座，18射频弹性插针，19矩形金属过孔，20圆形金属过孔，21金属腔体，22电源分发模块，23低频信号网络，24PGA插头，25屏蔽过孔，26电源脉冲调制电路模块，27电源储能模块，28控制插座，29电源插座，30聚四氟乙烯基板，31SMP射频插座，32射频输出接口，33射频输入接口，34微带功分器，35环形器，，36低频控制线，37玻璃钢介质基板。
具体实施方式
参阅图1-图2。在以下描述的实施例中，一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，包括微带天线阵列1、瓦式TR组件2、热交换器3、电源调制分配器4和功率分配合成网络5，其特征在于：微带天线阵列1以E型贴片6作为辐射阵元，辐射阵元单元间距在工作频率的0.45～0.55波长之间取值，按4×4阵列规模的整倍数进行扩展，采用矩形栅格阵列布局在天线介质基板8上，瓦式TR组件2一体化紧密相连热交换器3；微带天线阵列1的馈电探针7穿过天线介质基板8和天线底板9上的馈电过孔10、与布局在瓦式TR组件2的大功率收发芯片11相连集成收发通道，并且每4个大功率收发芯片11同时相连一个TR多功能芯片12，构成一个2×2瓦式TR组件2的电路单元；每个电路单元通过SMP射频连接器16，往下穿过热交换器3上的圆形金属过孔20和电源调制分配器4上的屏蔽过孔25，相连在功率分配合成网络5的SMP射频插座31上；发射信号通过功率分配合成网络5的射频输入接口33，经微带功分器34和环形器35进入分布在瓦式TR组件2的TR多功能芯片12，每个TR多功能芯片12将输入进来的射频信号分成4路，分别发送给每个大功率收发芯片11，再传输到微带天线阵列1。此时，外部DC电源供电从电源调制分配器4上的电源插座29输入，依次进入电源储能模块27、电源脉冲调制电路模块26、以及电源分发模块22，同时外部波束控制信号从电源调制分配器4上的控制插座28输入，直接进入电源分发模块22，经与低频信号网络23相连的PGA插头24输出，PGA插头24穿过热交换器3上的矩形金属过孔19与瓦式TR组件2的PGA插座17相连，最终通过低频信号控制网络13实现给瓦式TR组件2的供电、大功率脉冲功率调制、以及幅相码的控制，实现大功率有源相控阵天线的空间功率合成和方向图扫描。然后，在同一个脉冲工作周期内，从目标反射回来的接收信号经微带天线阵列1的辐射阵元进入分布在瓦式TR组件2的大功率收发芯片11，同时每4个大功率收发芯片11共同相连于一个TR多功能芯片12，形成多路接收信号进入若干个一分四Wilkinson功分器15，并通过每个一分四Wilkinson功分器15的SMP射频连接器16，合成多路射频接收信号，往下传输进入功率分配合成网络5的SMP射频插座31，经环形器35和微带功分器34后，最终形成4路接收信号从4个射频输出接口32输出，并同样是在外部DC电源供电和外部波束控制信号控制下，实现给瓦式TR组件2的供电、大功率脉冲功率调制、以及幅相码的控制，实现大功率瓦式有源相控阵天线接收信号的和/差方向图扫描。
以大功率导引头瓦式有源相控阵天线工作在15GHz、阵列规模取为8×8为例。子阵规模按4×4进行设计，4个4×4子阵组成一个8×8的大功率瓦式有源相控阵天线。该大功率瓦式有源相控阵天线主要包括微带天线阵列1，瓦式TR组件2，以及相连瓦式TR组件2的热交换器3，电源调制分配器4，和功率分配合成网络5。微带天线阵列1以E型贴片6作为辐射阵元单元，取工作频率的0.45～0.55个波长为单元间距，按矩形栅格阵列布局在天线介质基板8的上面。每个E型贴片6通过馈电探针7进行射频信号的发射和接收，每个馈电探针7穿过天线介质基板8和天线底板9上的馈电过孔10相连于瓦式TR组件2的射频弹性插针18，并进一步相连在瓦式TR组件2的每个大功率收发芯片11上。在瓦式TR组件2里，每4个大功率收发芯片11同时相连一个TR多功能芯片12，构成一个2×2瓦式TR组件2的电路单元，4个电路单元通过一分四Wilkinson功分器15构成一个4×4子阵电路模块，4个4×4子阵电路模块通过4个一分四Wilkinson功分器15上的SMP射频连接器16、往下穿过热交换器3上的圆形金属过孔20和电源调制分配器4上的屏蔽过孔25、相连于功率分配合成网络5的SMP射频插座31。在瓦式TR组件2里，相连于大功率收发芯片11和TR多功能芯片12的低频信号控制网络13通过PGA插座17、与往上穿过热交换器3上的矩形金属过孔19的电源调制分配器4上的PGA插头24相连。整个瓦式TR组件2的电路布局在PCB介质基板14上。与瓦式TR组件2一体化紧密相连的是热交换器3，用于实现瓦式TR组件2的大功率收发芯片11的高效储热，确保大功率瓦式有源相控阵天线工作的可靠性。电源调制分配器4集成在聚四氟乙烯基板30上，外部DC电源供电从电源插座29输入，依次进入电源储能模块27、电源脉冲调制电路模块26、以及电源分发模块22，同时外部波束控制信号从控制插座28输入，直接进入电源分发模块22，最后通过低频信号网络23实现对瓦式TR组件2的供电、大功率脉冲功率调制、以及幅相码的控制。功率分配合成网络5通过环形器35和微带功分器34实现射频信号的一路发射和4路接收。
在同一个脉冲工作周期内，大功率瓦式有源相控阵天线首先处于发射工作状态，射频信号由功率分配合成网络5的射频输入接口33输入，通过微带功分器34分别进入4个环形器35，并通过功率分配合成网络5的SMP射频插座31完成射频信号的输出。SMP射频插座31穿过电源调制分配器4上的屏蔽过孔25和热交换器3上的圆形金属过孔20，相连于瓦式TR组件2的SMP射频连接器16，实现给瓦式TR组件2的射频信号的输入。然后射频信号分4路分别进入瓦式TR组件2的4个一分四Wilkinson功分器15，4个一分四Wilkinson功分器15将输入进来的射频信号再分成4路发送给16个TR多功能芯片12，然后TR多功能芯片12再将输入进来的射频信号分成4路，分别发送给64个大功率收发芯片11，再传输到微带天线阵列1。此时，外部DC电源供电从电源调制分配器4上的电源插座29输入，依次进入电源储能模块27、电源脉冲调制电路模块26、以及电源分发模块22，同时外部波束控制信号从电源调制分配器4上的控制插座28输入，直接进入电源分发模块22，经与低频信号网络23相连的PGA插头24输出，并进入瓦式TR组件2的PGA插座17，最终通过低频信号控制网络13实现给瓦式TR组件2的供电、大功率脉冲功率调制、以及幅相码的控制，实现大功率瓦式有源相控阵天线的空间功率合成和方向图扫描。然后，在同一个脉冲工作周期内，大功率瓦式有源相控阵天线接着处于接收工作状态，从目标反射回来的接收信号经微带天线阵列1后进入瓦式TR组件2的64个大功率收发芯片11，同时4个大功率收发芯片11共同相连于一个TR多功能芯片12，形成16路接收信号进入4个一分四Wilkinson功分器15，并通过每个一分四Wilkinson功分器15的SMP射频连接器16，合成4路接收信号，往下传输给功率分配合成网络5的SMP射频插座31，经环形器35后，分4路接收信号从射频输出接口32输出。同样是在外部DC电源供电和外部波束控制信号控制下，实现给瓦式TR组件2的供电、大功率脉冲功率调制、以及幅相码的控制，实现大功率瓦式有源相控阵天线接收信号的和/差方向图扫描。
参阅图3。微带天线阵列1选取分布在天线介质基板8上的E型贴片6作为辐射阵元，E型贴片6往下相连于穿过天线介质基板8的馈电探针7，馈电探针7往下穿过天线底板9上的馈电过孔10，形成给E型贴片6的射频馈电。E型贴片6以馈电探针7作为基准，可在单元间距0.45～0.55个波长之间任意选取适合的间距(如取0.5个波长)排列成4×4子阵，4个4×4子阵组合成一个8×8的微带天线阵列1，从而实现大功率瓦式有源相控阵天线在±60°扫描范围内的空间功率合成或射频信号的接收。E型贴片6的工作频率为15GHz，采用E型贴片6可实现天线的小型化设计，减少微带天线阵列1辐射阵元之间的互耦，从而确保大功率瓦式有源相控阵天线实现目标的精确制导。E型贴片6的尺寸可按模式展开法进行计算或电磁仿真软件仿真确定。馈电探针7的半径尺寸与馈电过孔10的半径尺寸按1:2.3的比例进行设计，确保E型贴片6的输入阻抗为50欧姆。整个微带天线阵列1的辐射阵元按8×8阵列规模相连瓦式TR组件2的64个射频弹性插针18上、并进一步与大功率收发芯片11相连。
参阅图4。瓦式TR组件2的射频弹性插针18往上连接微带天线阵列1的馈电探针7，实现给微带天线阵列1的射频馈电。每个射频弹性插针18通过微带传输线相连于每个大功率收发芯片11。8×8阵列规模共有64个大功率收发芯片11，每个大功率收发芯片11集成了大功率收发开关、发射末级功放、接收末级低噪放，从而实现收发信号功率的放大。4个大功率收发芯片11通过微带传输线共同相连于一个TR多功能芯片12上，8×8阵列规模共有16个TR多功能芯片12，每4个TR多功能芯片12通过一个一分四Wilkinson功分器15相连在一起，构成一个4×4阵列规模的子阵电路模块，并通过SMP射频连接器16实现射频信号的发射或接收。TR多功能芯片12主要实现对发射信号的驱动放大，实现末级功放饱和输出，为接收通道提供足够增益，保证各级损耗不会大幅影响系统噪声；每个TR多功能芯片12集成了一个接收驱动低噪声放大器、一个发射驱动功率放大器、以及一个Corechip芯片的小功率收发开关；Corechip芯片是实现波束控制的关键器件，Corechip芯片集成了6位数字移相器和6位数字衰减器，还集成了实现收发分时幅相码串行加载的12位串并转换器和寄存器。
相连于大功率收发芯片11和TR多功能芯片12的低频信号控制网络13分布于瓦式TR组件2的PCB介质基板14上，用于控制64个大功率收发芯片11和16个TR多功能芯片12的工作状态。低频信号控制网络13通过PGA插座17、与往上穿过热交换器3上的矩形金属过孔19的电源调制分配器4上的PGA插头24相连，实现给瓦式TR组件2的供电、大功率脉冲功率调制、以及幅相码的控制。
参阅图5。热交换器3主要是解决瓦式TR组件2的大功率收发芯片11和TR多功能芯片12的储热。热交换器3制有紧贴大功率收发芯片11和TR多功能芯片12上的金属腔体21，金属腔体21的面积大小与固定瓦式TR组件2的PCB介质基板14的面积一致，在金属腔体21上制有开孔位置分别与瓦式TR组件2的PGA插座17和SMP射频连接器16一一对应的圆形金属过孔20和大于圆形金属过孔数量的矩形金属过孔19，用于PGA插座17和SMP射频连接器16分别与电源调制分配器4的PGA插头24和功率分配合成网络5的SMP射频插座31相连，且金属腔体21填充有用于储热的石墨/石蜡复合相变材料。
热交换器3的金属腔体21上开有8个矩形金属过孔19和4个圆形金属过孔20，其开孔位置分别与瓦式TR组件2的PGA插座17和SMP射频连接器16一一对应。金属腔体21内部挖空，填充石墨/石蜡复合相变材料，用于大功率瓦式有源相控阵天线的储热，确保大功率有源相控阵可靠工作，并实现轻质设计。金属腔体21的厚度由大功率瓦式有源相控阵天线的总热耗、大功率瓦式有源相控阵天线的工作时间、石墨/石蜡复合相变材料的潜热、石墨/石蜡复合相变材料的密度、金属腔体21的面积和质量、大功率收发芯片11和TR多功能芯片12芯片结温决定，可通过热仿真软件仿真确定。
参阅图6。电源调制分配器4集成在聚四氟乙烯基板30上，外部DC电源供电从电源调制分配器4上的电源插座29输入，通过低频信号线进入电源储能模块27实现大功率瓦式有源相控阵天线供电的储能，然后将电源通过低频信号线供给电源脉冲调制电路模块26实现对瓦式TR组件2的大功率收发芯片11和TR多功能芯片12供电的脉冲调制，最后通过低频信号线供给电源分发模块22实现对电源的分发，并通过与电源分发模块22相连的低频信号网络23的PGA插头24输出。同时外部波束控制信号从电源调制分配器4上的控制插座28输入，通过低频控制线36进入电源分发模块22，同样通过与低频信号网络23相连的PGA插头24输出，共同实现对瓦式TR组件2的大功率收发芯片11和TR多功能芯片12的供电、大功率脉冲功率调制、以及幅相码的控制。
参阅图7。功率分配合成网络5集成在玻璃钢介质基板37上。SMP射频插座31的一端与往下穿过热交换器3上的圆形金属过孔20和电源调制分配器4上的屏蔽过孔25的瓦式TR组件2的SMP射频连接器16相连，实现瓦式TR组件2的射频信号的发射或接收。SMP射频插座31另一端通过玻璃钢介质基板37上的微带传输线相连于环形器35，经环形器35后，分两路输出，一路将射频接收信号经微带传输线从射频输出接口32输出，共有四个射频输出接口32，另一路经微带功分器34，相连于功率分配合成网络5的射频输入接口33，可实现发射信号的输入。
图8是本发明大功率瓦式有源相控阵天线在高温80℃的条件下，工作180秒的热设计结果。8×8规模的大功率瓦式有源相控阵天线共有64个大功率芯片11，每个大功率芯片11输出功率为49dBm。考虑到64个大功率芯片11结构布局的对称性，取四分之一结构设置温度监控，并在任意4个靠近中间位置的大功率芯片11的下面设置温度监控点，进行温度监测。从设计结果看，4个温度监控点在大功率瓦式有源相控阵天线工作180秒时最高温度为103.5℃，满足芯片结温小于150℃的工作要求，大功率瓦式有源相控阵天线能在高温80℃的高温条件下可靠地工作，4个大功率芯片11均温性在5℃以内，不需要再做温度补偿，即可满足大功率瓦式有源相控阵天线的电性能要求。
本发明特别参照优选的实施例来说明和展示，本领域的技术人员应理解，可以在形式上和内容上作出改型而不偏离本发明精神和范围。
Claims (10)
1.一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，包括依次层叠的微带天线阵列（1）、瓦式TR组件（2）、热交换器（3）、电源调制分配器（4）和功率分配合成网络（5），其特征在于：微带天线阵列（1）以E型贴片（6）作为辐射阵元，辐射阵元单元间距在工作频率0.45～0.55波长之间取值，按4×4阵列规模的整倍数进行扩展，采用矩形栅格阵列布局在天线介质基板（8）上；瓦式TR组件（2）一体化紧密相连热交换器（3）；微带天线阵列（1）的馈电探针（7）穿过天线介质基板（8）和天线底板（9）上的馈电过孔（10）、与布局在瓦式TR组件（2）的大功率收发芯片（11）相连集成收发通道；发射信号通过功率分配合成网络（5）的射频输入接口（33），经微带功分器（34）和环形器（35）进入分布在瓦式TR组件（2）的TR多功能芯片（12），每个TR多功能芯片（12）将输入进来的射频信号分成4路，分别发送给每个大功率收发芯片（11），再传输到微带天线阵列（1）；此时，外部DC电源供电从电源调制分配器（4）上的电源插座（29）输入，依次进入电源储能模块（27）、电源脉冲调制电路模块（26）、以及电源分发模块（22），同时外部波束控制信号从电源调制分配器（4）上的控制插座（28）输入，直接进入电源分发模块（22），经与低频信号网络（23）相连的PGA插头（24）输出，PGA插头（24）穿过热交换器（3）上的矩形金属过孔（19）与瓦式TR组件（2）的PGA插座（17）相连，最后通过低频信号网络（23）实现给瓦式TR组件（2）的供电、大功率脉冲功率调制、以及幅相码的控制，实现大功率瓦式有源相控阵天线的空间功率合成和方向图扫描。
2.如权利要求1所述的一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，其特征在于：在同一个脉冲工作周期内，从目标反射回来的接收信号经微带天线阵列（1）的辐射阵元进入分布在瓦式TR组件（2）的大功率收发芯片（11），同时每4个大功率收发芯片（11）共同相连于一个TR多功能芯片（12），形成多路接收信号进入若干个一分四Wilkinson功分器（15），并通过每个一分四Wilkinson功分器（15）的SMP射频连接器（16），合成多路射频接收信号，往下传输进入功率分配合成网络（5）的SMP射频插座（31），经环形器（35）和微带功分器（34）后，最终形成4路接收信号从4个射频输出接口（32）输出，并同样是在外部DC电源供电和外部波束控制信号控制下，实现给瓦式TR组件（2）的供电、大功率脉冲功率调制、以及幅相码的控制，实现大功率瓦式有源相控阵天线接收信号的和/差方向图扫描。
3.如权利要求1所述的一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，其特征在于：E型贴片（6）以馈电探针（7）作为基准，在单元间距0.45～0.55个波长之间任意选取适合的间距排列成4×4子阵，4个4×4子阵组合成一个8×8的微带天线阵列（1），从而实现大功率有源相控阵天线在±60o扫描范围内的空间功率合成或射频信号的接收。
4.如权利要求1所述的一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，其特征在于：每个E型贴片（6）通过馈电探针（7）进行馈电，每个馈电探针（7）穿过天线介质基板（8）和天线底板（9）上的馈电过孔（10）相连于瓦式TR组件（2）的射频弹性插针（18）。
5.如权利要求1所述的一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，其特征在于：每个TR多功能芯片（12）集成了一个接收驱动低噪声放大器、一个发射驱动功率放大器、以及一个Corechip芯片的小功率收发开关；Corechip芯片集成了6位数字移相器和6位数字衰减器，还集成了实现收发分时幅相码串行加载的12位串并转换器和寄存器。
6.如权利要求1所述的一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，其特征在于：在瓦式TR组件（2）里，每4个大功率收发芯片（11）同时相连一个TR多功能芯片（12），构成瓦式TR组件（2）的一个2×2的电路单元，4个电路单元通过一分四Wilkinson功分器（15）构成一个4×4子阵电路模块，4个4×4子阵电路模块通过4个一分四Wilkinson功分器（15）上的SMP射频连接器（16）、往下穿过热交换器（3）上的圆形金属过孔（20）和电源调制分配器（4）上的屏蔽过孔（25）、相连于功率分配合成网络（5）的SMP射频插座（31）。
7.如权利要求1所述的一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，其特征在于：热交换器（3）制有紧贴大功率收发芯片（11）和TR多功能芯片（12）上的金属腔体（21），金属腔体（21）的面积大小与固定瓦式TR组件（2）的PCB介质基板（14）的面积一致，在金属腔体（21）上制有开孔位置分别与瓦式TR组件（2）的PGA插座（17）和SMP射频连接器（16）一一对应的圆形金属过孔（20）和大于圆形金属过孔数量的矩形金属过孔（19），用于PGA插座（17）和SMP射频连接器（16）分别与电源调制分配器（4）的PGA插头（24）和功率分配合成网络（5）的SMP射频插座（31）相连，且金属腔体（21）填充有用于储热的石墨/石蜡复合相变材料。
8.如权利要求1所述的一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，其特征在于：电源调制分配器（4）集成在聚四氟乙烯基板（30）上，其上的PGA插头（24）往上通过热交换器（3）上的矩形金属过孔（19）连接于瓦式TR组件（2）的PGA插座（17）上。
9.如权利要求1所述的一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，其特征在于：功率分配合成网络（5）通过环形器（35）和微带功分器（34）实现射频信号的一路发射和4路接收。
10.如权利要求1所述的一种大功率导引头瓦式有源相控阵天线，其特征在于：射频信号分4路分别进入瓦式TR组件（2）的4个一分四Wilkinson功分器（15），每个一分四Wilkinson功分器（15）将输入进来的射频信号再分成4路发送给TR多功能芯片（12），然后TR多功能芯片（12）再将输入进来的射频信号分成4路，分别发送给64个大功率收发芯片（11），再传输到微带天线阵列（1）。
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