有源相控阵天线主要由辐射阵面、T/R组件、馈线网络、波束控制模块、散热系统、电源管理模块、校准系统、结构支撑框架等部分组成,以下是详细介绍:
- 辐射阵面:由配置在平面或曲面上的几百个到几万个辐射单元组成,这些辐射单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等,负责发射和接收电磁波。
- T/R组件:是有源相控阵天线的主体结构和主要功能元器件,每个天线单元通道上都有一个发射/接收组件(T/R组件),其包含发射功率放大器、低噪声放大器、移相器、衰减器、收发开关、天线波束控制电路等。T/R组件主要用于实现对发射信号的放大、对接收信号的放大以及对信号幅度、相位的控制。一部有源相控阵雷达包含了成千上万个TR组件,T/R组件占据相控阵天线体积和重量的1/3,其发热量占总发热量的80% - 85%,是天线的主要热功率器件。
- 馈线网络:负责将发射机输出的信号送至天线阵面中各个辐射单元,或将天线阵面中各个辐射单元接收到的信号送至接收机输入端。馈线网络的布局需要考虑到信号的传输损耗、相位差以及阻抗匹配等问题。
- 波束控制模块:由FPGA或专用ASIC实现,包含移相器、衰减器、控制逻辑单元。数字移相器采用6位以上控制字实现360°相位覆盖,时间切换速度小于100ns。波束形成网络采用Butler矩阵或Blass矩阵结构,通过功率分配器与合成器网络实现多波束形成。控制算法需考虑相位量化误差补偿,采用最小二乘法或遗传算法优化波束赋形。
- 散热系统:设计需考虑热流密度分布,T/R组件热功耗可达5 - 10W/cm²。强迫风冷采用高风速离心风机,风道设计需优化气流均匀性;液冷系统使用乙二醇水溶液循环,冷板采用微通道结构提升换热效率。热界面材料选用导热硅脂或相变材料,确保接触热阻低于0.5℃·cm²/W。
- 电源管理模块:包含DC - DC转换器和滤波电路,为T/R组件提供28V/5V多路稳压电源。纹波抑制需达到60dB以上,采用π型滤波与磁珠组合方案。过流保护电路采用霍尔电流传感器配合比较器实现快速关断,响应时间小于10μs。
- 校准系统:包含近场探头阵列与耦合器网络,内置校准信号源产生参考信号。在线校准采用导频信号注入法,通过最小均方算法补偿通道误差。温度传感器选用PT1000铂电阻,布置在T/R组件散热基板,配合查表法进行温漂补偿。
- 结构支撑框架:采用碳纤维复合材料,通过有限元分析优化筋板布局,固有频率避开振动谱范围。接插件选用MIL - DTL - 38999系列,接触电阻小于5mΩ,具有IP67防护等级。抗振动设计采用橡胶隔振器与钢丝绳减振器组合,满足GJB150.16振动试验要求。