CN114185017A - 一种方位多通道天线有源馈电幅相误差控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种方位多通道天线有源馈电幅相误差控制方法，具体包括：根据温度一致性要求进行天线热设计和仿真分析；进行多层级幅相随温一致性控制；进行全流程幅相误差监测；本发明的方法通过从全系统温度一致性温控设计、多层级幅相温度一致性控制、全流程幅相误差监测等三个方面开展工作，从而实现星载SAR雷达研制过程中的高精度幅相控制，为多通道SAR天线的幅相一致性保证提供了有效的技术手段。

Description

一种方位多通道天线有源馈电幅相误差控制方法

技术领域

本发明属于多通道SAR有源相控阵天线测试领域，尤其涉及一种方位多通道天线有源馈电高精度幅相误差控制技术。

背景技术

对于有源相控阵天线，各射频组件收发幅相间的一致性和稳定性是实现有源相控阵天线性能的关键。而对于多通道有源相控阵天线，天线幅相误差变化引起的多通道间幅相误差，对多通道雷达的性能会产生更严重的影响。为了实现有源相控阵天线的幅相误差控制，传统有源相控阵天线在研制过程中，通过对单机和系统采取一系列的温度考核试验，从而考察各单机幅相随温变化情况，但缺少一套完整的幅相控制方法。

对于星载SAR有源相控阵天线，SAR天线通常具有尺寸大、流程复杂、状态多变等特点，在天线的研制过程中各阶段天线状态不可避免的发生一些变化。如何在天线状态发生变化的情况下，对天线幅相进行高精度监测与控制是星载SAR雷达需要解决的重点。因此，如何高精度控制有源相控阵天线的幅相误差，是有源相控阵天线研制的关键技术难点。

发明内容

传统的研制流程未提出一套完整有效的幅相控制方法，本发明通过从全系统温度一致性温控设计、多层级幅相温度一致性控制、全流程幅相误差监测等三个方面开展工作，从而实现星载SAR雷达研制过程中的高精度幅相控制，为多通道SAR天线的幅相一致性保证提供了有效的技术手段。

本发明的技术方案具体为：一种方位多通道天线有源馈电幅相误差控制方法，包括如下步骤：

根据温度一致性要求进行天线热设计与仿真分析；

进行多层级幅相随温一致性控制；

进行全流程幅相误差监测。

有益效果：

1、本发明通过对SAR天线全阵面温度进行仿真分析，实现SAR系统工作温度的幅相影响分析与控制。

2、本发明通过对SAR有源相控阵天线各层级进行幅相温度一致性试验，对各单机的幅相温度一致性进行分析，实现缺陷或故障的早期发现与整改。

3、本发明通过对SAR有源相控阵天线研制过程进行幅相监控与比对分析，实现全流程幅相误差监测。

附图说明

图1是本发明的多通道天线系统连接示意图；

图2是本发明中的幅相控制流程图；

图3是本发明中的热控设计示意图；

图4A 是发射幅相测试监测幅度变化示意图；

图4B 是发射幅相测试监测相位变化示意图；

图5A是接收幅相测试监测幅度变化示意图；

图5B是接收幅相测试监测相位变化示意图；

图6A 是热真空条件发射幅度变化；

图6B 是热真空条件发射相位变化；

图7A是热真空条件接收幅相变化；

图7B是热真空条件接收相位变化。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，一种方位六通道有源相控阵天线其原理框图如图1所示。有源相控阵天线在方位向分成六个子阵，每个子阵与1个接收机相连形成1个接收通道。整个天线射频链路主要分为：发射馈电链路、接收馈电链路和定标链路。

发射馈电链路路径：调频源→预功放→微波组合→功分网络→延时放大→功分网络→T/R组件→辐射单元。

接收馈电链路路径：阵面单元→T/R组件→功分网络→延时放大→功分网络→微波组合→接收机→数据形成器。

定标链路路径:天线定标网络→内定标器→接收机。

其中，发射馈电链路和接收馈电链路性能好坏直接决定有源相控阵天线的性能。定标链路主要实现馈电链路幅相变化的标定，是误差提取、性能监测的重要手段。

在有源相控阵天线的研制过程中，引起天线幅相变化的主要原因包含以下三部分：1）SAR天线工作温度不均衡引起的幅相变化；2）SAR天线部组件幅相温度变化不一致引起的幅相变化；3）研制过程中天线状态变化及部组件故障引起的幅相变化。本发明针对这三种主要引起有源相控阵天线幅相变化的因素开展控制措施，控制流程图见图2，本发明的一种方位多通道天线有源馈电高精度幅相误差控制方法，具体包括：

一、根据温度一致性要求进行天线热设计与仿真分析；

星载SAR成像雷达主要工作在外太空，在其自身运行轨道中由于地球阴影区和太阳光照区的交替变化，会导致SAR成像雷达工作环境温度发生剧烈变化。同时SAR成像雷达长期不工作时本身温度极低，工作时又会产生大量的热量，如何在环境温度变化剧烈，自身工作热耗大的条件下，控制SAR雷达有源相控阵天线的幅相是保证SAR成像雷达性能的关键技术。

有源相控阵天线的原理框图如图1所示，根据其组成特点引起有源相控阵天线馈电部分幅相变化的单机主要有：调频源、预功放、微波组合、接收机、数据形成器、T/R组件、延时放大组件、功分器、高频电缆等。其中位于舱内的单机主要有：调频源、预功放、微波组合、接收机、数据形成器。舱内单机处于一个封闭的环境内，不受外界环境影响且自身工作功率较小，工作温度相对稳定。位于舱外的单机主要有：T/R组件、延时放大组件、功分器、高频电缆，舱外单机数量众多且工作温度易受地球遮挡和太阳光照等环境变化的影响，同时T/R组件为射频功率输出主要单机，本身热耗较大。如何保证舱外单机的温度一致性和温度水平是保证SAR成像性能的关键。高精度温控技术的主要流程如图2所示，首先根据多通道系统幅相一致性要求对馈电链路各单机的温度一致性提出要求，然后结合天线工作轨道参数进行天线阵面热设计。热设计主要措施如下，热设计措施示意图如图3所示：

a)以外热流水平相对稳定的SAR天线辐射阵面的对地面作为主散热面，其他区域为非主散热区域辅助散热，非主散热区域包覆多层隔热组件，隔离空间环境和卫星本体对天线的热辐射影响。均衡考虑天线工作时的散热能力，以及天线不工作时的热控加热功耗，确定天线辐射阵面的（对地面）表面状态（发射率和吸收率），实现天线辐射阵面与空间环境热交换的匹配。

b)将主发热单机（T/R组件、延时放大组件、二次电源等）放置于相变热管上，同时将相变热管形成相变热管网络，实现各类单机的热量和热容量共享与综合利用，通过相变热管蓄热等手段对T/R组件、延时放大组件等关键射频单机进行均温和一致温升。

c)通过将T/R组件、延时放大组件安装面垫装铟箔、导热垫等手段控制热量迅速导出；同时将功分器、半钢电缆等温度稳定性要求较高的单机加装隔热块，与发热单机实现热隔离；在二次电源、波控单元、天线辐射阵面背后选择性实施热控涂层控制辐射热阻，实现对天线内部传热通路的控制。

d)通过多层隔热组件和电加热等主、被动热控手段，保证SAR天线长期不工作时控制合适的温度水平范围（-5°~0°以上），安装薄膜电加热器和热敏电阻形成控温回路，实现对T/R组件、延时放大组件等关键单机的精确控温。

e)为了保证T/R组件和延时放大组件等重要单机的幅相一致性，对接收通道采用温补衰减器，将大功率发射支路的功率放大器芯片焊接到钼铜，后焊接到衬底，然后衬底再焊接到壳体，壳体再压接到相变热管，完成热量从芯片向天线结构板的传输。同时，射频盖板上方加装吸波材料，减小射频组件的腔体效应，以增强射频幅相稳定性。

f)采用无源功分器和射频电缆连接形成的内定标网络，是实现有源相控阵天线幅相监测的重要手段。因此，保证内定标网络温度一致性和温度稳定度是高精度内定标测量的基础。进行热设计时内定标网络各功分器和射频电缆均位于多层隔热组件内，将功分器与射频电缆采用隔热垫与发热单机进行隔热安装，保证内定标网络的温度一致性和稳定性。同时位于载荷舱内的内定标器，安装薄膜电加热器和热敏电阻形成控温回路，对内定标器进行精确控温从而保证内定标器的工作温度水平和测量精度。

根据以上热设计状态建立热仿真分析模型，对在轨工作条件下天线阵面的温度分布进行仿真分析，并提取出天线不同工作模式、不同轨道位置下各单机工作温度水平和阵面温度一致性分布。根据各单机幅相随温变化曲线，计算出阵面温度分布对天线馈电通道幅相的影响。根据温度分布产生的馈电链路幅相误差数据，进行天线方向图影响分析，并对多通道系统的幅相误差以及成像质量进行影响分析。当影响在可接受范围内，该热设计为满足要求的设计方案；当影响不满足要求时，针对幅相变化情况对热设计进行迭代优化直至满足要求。

二、幅相随温一致性控制

有源相控阵天线各单机部组件众多，在生产过程中由于生产工艺设置不合理或者控制不到位，会引起各单机的幅相随温特性不一致。从而导致天线有源馈电幅相误差的产生，引起天线性能下降。对于星载SAR有源相控阵天线，其研制周期长，研制成本高，在研制前期阶段发现问题并采取相应措施可以有效控制成本和研制周期。因此，根据有源相控阵的研制流程，幅相一致性控制主要分为：单机级、模块级、天线子板级和整星级测试控制。

单机级：对于舱内单机（调频源、预功放、微波组合、接收机、数据形成器）由于数量少，100%进行收发幅相随温特性测试，温度范围覆盖单机在轨工作温度。当收发幅相随温变化连续稳定且单机内多个射频通道幅相一致性误差满足要求，则表明设备工作正常；当随温幅相数据发生跳变或单机内部多通道幅相一致性不满足要求则需要对单机进行排查分析并整改。对于数量众多的舱外单机（T/R组件、延时放大组件、功分器、高频电缆）采取每批次随机抽取10%进行幅相随温特性测试。分析各单机的幅相随温变化是否连续，各单机幅相一致性是否满足要求，若满足要求则表明设备工作正常，若不满足需要对单机进行排查分析：若单机个体原因导致幅相数据不满足要求，需要对异常单机进行整改或剔除，若批次性原因导致幅相数据不满足要求，需要将该批次进行返修或重新加工。

模块级：根据阵面装配划分将T/R组件、功分器、高频电缆、延时放大组件装配成模块，并根据装配批次随机抽取10%的模块进行幅相随温特性测试。分析模块内各单机的幅相随温变化是否连续，各单机幅相一致性是否满足要求，若满足要求则表明设备工作正常，若不满足要求则需要进行排查分析：若单机个体原因导致需要对异常单机进行整改或剔除，若批次性原因导致需要将该批次进行返修或重新加工。

天线子板级：将模块装配成一块子板，抽取一块子板进行幅相随温特性测试，分析子板内各单机的幅相随温变化是否连续且各单机幅相数据一致性是否满足要求，若满足要求则表明设备工作正常，若不满足需要进行排查分析：若单机个体原因导致需要对异常单机进行整改或剔除，若批次性原因导致需要将该批次进行返修或重新加工。对于子板间的顶层射频网络，将顶层功分器和顶层高频电缆组成一个网络进行幅相随温特性测试，分析顶层馈电网络幅相温变一致性是否满足要求，若满足要求则表明顶层馈电网络工作正常，若不满足需要对网络内单机进行排查分析：若单机个体原因导致需要对异常单机进行整改或剔除，若批次性原因导致需要将该批次进行返修或重新加工。

整星级：将SAR载荷放入热真空罐中，模拟在轨工作条件。通过SAR雷达的内定标功能进行收发单T/R定标测试。通过比对在轨温度条件与常温条件下的收发单T/R定标数据，分析幅相误差变化是否满足要求。

三、全流程幅相误差监测

在有源相控阵天线的研制过程中，天线内各单机的数量众多由于生产工艺参数控制偏差或者芯片早期失效等多种因素，不可避免的会导致天线馈电幅相产生变化，影响天线的性能。如何尽早的发现幅相变化并进行原因分析和失效剔除，是保证有源相控阵天线性能和控制成本与周期的重要手段。根据研制流程对幅相进行监控主要从以下几个方面开展：

单机级：对于有源单机（T/R组件、延时放大组件、预功放、调频源、接收机、数据形成器、内定标器）研制过程中各类试验前后均进行幅相测试，对试验前后的幅相数据进行比对分析，形成单机研制流程历程比对数据。

模块级：采用模块内的内定标网络，在模块研制过程中各试验前后对模块内各射频通道进行单T/R收发定标幅相测试，对试验前后数据进行比对分析，形成模块研制流程历程比对数据。

子板级：采用子板内的内定标网络，在子板研制过程中对子板内各射频通道进行单T/R收发定标幅相测试，将多次测试数据进行比对分析，形成子板研制流程历程比对数据。同时，将子板数据按照子板内各模块进行归一化，并与对应模块研制数据进行比对分析，分析各有源通道的幅相稳定性。

子系统级：采用天线的内定标网络，在天线子系统研制过程中对天线子系统内各射频通道进行单T/R收发定标幅相测试，将多次测试数据进行比对分析，形成天线子系统研制流程历程比对数据。同时，将子系统数据按照子板进行归一化，并与对应子板的研制数据进行比对分析，分析各有源通道的幅相稳定性。

分系统级：天线子系统研制结束后交付SAR总体进行SAR分系统集成测试。天线子系统经历多次天线收拢展开以及长途运输。在分系统集成测试期间采用内定标网络对分系统内各射频通道进行单T/R收发定标幅相测试，测试各有源通道的幅相误差数据，并与子系统的幅相数据进行比对分析，分析收拢展开以及长途运输对子系统幅相误差的影响。在分系统集成测试阶段，采用内定标链路对分系统多次进行收发单T/R定标测试，获取系统幅相误差数据，并进行比对分析，形成分系统集成测试历程数据。

整星级：分系统测试结束后，天线通过收拢并长途运输至卫星总体，然后再次进行天线展开。采用内定标链路对分系统进行收发单T/R定标测试，形成整星级幅相数据，并与分系统幅相数据进行比对，分析运输前后幅相变化。在整星测试的各个阶段采用内定标链路对分系统进行收发单T/R定标测试，并对测试数据进行比对分析，形成整星级幅相分析历程数据。

对于研制过程中状态变化引起的天线幅相变化，通过内定标链路进行幅相误差测试，然后再进行补偿修正；对于早期失效或者单机故障引起的幅相变化，通过部组件更换或返修，并对更换前后组件的幅相差异进行补偿修正等措施来保障有源相控阵天线性能保持不变。在轨运行期间采用内定标网络对运行期间的幅相数据进行高精度监测，分析在轨运行期间天线馈电链路的幅相变化情况，分析对天线性能的影响，从而实现全流程天线幅相变化的高精度监测与控制。

实施例

某星载SAR雷达系统为6通道有源相控阵天线，其系统连接示意图如图3所示。通过高精度内定标链路在研制过程中对分系统进行多次幅相误差监测，其测试结果如图4A、4B、图5A、图5B所示：图4A为发射幅相测试监测的幅度变化，，图4B为相位变化；图5A为接收幅相测试监测的幅度变化，图5B为相位变化；

根据研制过程中的多次监测数据表明，高精度内定标幅相测量精度小于±0.15dB/±2°，可以实现天线阵面幅相的高精度测量。在热真空环境下（温度为-10°）与常温常压下的幅相变化如下图6A、6B、图7A、图7B所示：图6A为热真空条件发射幅度变化，图6B为发射相位变化；图7A为热真空条件接收幅度变化，图7B为接收相位变化；

通过对有源相控阵天线进行合理的热设计和各部组件幅相温度一致性控制，根据热真空试验结果发射幅度可以控制在±0.2dB范围内，发射相位可以控制在±6°以内，接收幅度可以控制在±0.5dB范围内，发射相位可以控制在±6°以内，处于T/R组件的量化范围内，由于幅相误差控制较好无需进行在轨工作温度与常温条件下的幅相误差补偿校正。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种方位多通道天线有源馈电幅相误差控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据温度一致性要求进行天线热设计与仿真分析；

进行多层级幅相随温一致性控制；

进行全流程幅相误差监测。

2.根据权利要求1所述的一种方位多通道天线有源馈电幅相误差控制方法，其特征在于，根据温度一致性要求进行天线热设计与仿真分析，具体包括：

均衡考虑天线散热与加热功耗设置天线辐射阵面的表面状态；采用相变热管网络实现各单机的均温和一致温升；通过导热结构、隔热材料和热控涂层实现对天线内部传热通路的控制；采用多层隔热组件和电加热实现控温；采用温补衰减器和芯片热传导设计增强射频幅相稳定性；对定标链路进行隔热和控温设计，保证幅相监测精度；建立热仿真分析模型，提取天线温度分布，根据幅相温变特性进行多通道幅相误差影响分析，确认热设计合理性。

3.根据权利要求1所述的一种方位多通道天线有源馈电幅相误差控制方法，其特征在于，进行多层级幅相随温一致性控制，具体包括：

根据有源相控阵的研制流程，在单机级、模块级、天线子板级和整星级分别进行温度幅相特性测试，进行幅相一致性控制。

4.根据权利要求1所述的一种方位多通道天线有源馈电幅相误差控制方法，其特征在于，进行全流程幅相误差监测，具体包括：

根据有源相控阵的研制流程，在单机级、模块级、天线子板级、天线子系统级、SAR分系统级、整星级分别进行研制历程数据比对分析，针对产生幅相数据变化的单机，根据变化情况进行单机剔除或幅相误差补偿。

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