大功率导引头瓦式有源相控阵天线的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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米用砖式设计技术，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。
[0003]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17.6dB0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JosifAkopian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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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】
[0010]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。
[0011]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4X4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—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2X2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。
[0012]上述方案中，大功率导引头瓦式有源相控