歷史上，防御與民用雷達基礎架構的發展周期很長，需要大量的時間、創新和資本投資推動。防御應用一直是推動雷達基礎架構發展的主要力量，但通常在收獲雷達性能大幅提升的同時，也增加了系統總成本。這些因素促成了從傳統機械控制雷達結構向有源電子掃描陣列（AESA，或者說有源天線陣列）的轉變，后者利用先進的多波束能力，支撐時間與空間精度的巨大收益。AESA的多功能能力同樣引人注目，其提供的新的捷變性可將完全不同的雷達系統集成于單個平臺上（見圖1）。

圖1 有源相控陣結構支撐電子波束控制和多個雷達合并至單個系統

AESA的這些工作特性決定了這項技術必將替代傳統防御雷達系統，并且AESA裝置已經在該領域得到很好的應用。擁有地面、海上和空中部署能力，AESA技術大大強化了傳感器的網絡化，提升了深入現代戰場的態勢感知能力。應用于民用雷達架構，AESA具備深入影響公民人身安全與公共安全的潛力。單個多功能AESA雷達網在顯著提高氣象監測能力的同時，還能夠提升空中交通控制水平，為國家帶來直接的經濟利益及支撐國土防御能力。采用AESA技術，氣象學者能夠更好地預測和評估一些強風暴，以挽救生命。AESA傳感器還能支撐無人駕駛飛機和無人駕駛車輛融入主流社會的能力。這將從根本上改變運輸與商業，從而帶來社會變革。

然而，為了實現AESA由防御應用成功地轉向民用和商業應用，還有一些技術與經濟難題需要解決。繼續依賴于傳統的射頻器件與笨重的裝配技術，結果之一就是阻礙了AESA的重要應用。為了看清這種研究的發展方向，弄清其起源與目前的發展路線圖是有益的。

1研發路線圖

下一代有源天線技術可追溯至上世紀60年代的項目研究。隨著上世紀80年代GaAs單片微波集成電路（MMIC）技術走向成熟，AESA的開發速度也得到加速。美國國防高級研究計劃局（DARAP）與MACOM及其他技術公司合作，開展微波/毫米波單片微波集成電路項目及微波模擬前端技術（MAFET）項目研究。這些研究項目促成了先進的混合半導體技術從實驗室研究躍升為商用制造射頻器件，研制出該行業首個幾瓦特的MMIC。這些半導體與封裝技術的進一步發展帶來的是首批批產型射頻模塊與器件在主流印制電路板（PCB）技術與表面組裝技術上的應用。DARPA項目后這些研究活動的目標是開發更高輸出功率、更高效率與更高工作頻率的混合半導體。由于工作頻率（至500 GHz）、收益、一致性和可靠性極高，氮化鎵（GaN）技術已成為AESA的開發和投資重點。

DARPA的商業時標陣列(ACT)項目始于2014年，旨在利用商用領域形成的最佳實踐來縮短下一代雷達、電子戰（EW）和通信系統的開發和制造周期。最終目標是實現數字互聯相控陣標準組件，由此構建更大的系統，并且針對每種新應用都無需完全重新設計。這種途徑的雷達系統實現預期會縮短市場投放時間與成本，而這兩點對于AESA獲取民用與商業主流應用而言都是必需的。

2板條陣列與瓦片陣列之比較

AESA的成本與生存能力取決于其電子器件的成本及這些器件在陣列中的構建方式。影響最終系統成本的因素很多，包括收/發（T/R）模塊、射頻電路板和電纜等。

T/R模塊大約占據雷達相控陣部分一半的成本，而其自身成本又由MMIC類型、封裝方式和模塊基片決定的。用于雷達的傳統T/R模塊采用陶瓷材料作為基片，制造采用“芯片細線”法裝配工藝。在芯片細線組裝中，MMIC芯片和其他IC要求額外的打磨工作。與商用系統中的塑料密封MMIC相比，這樣就增加了相當多的支出。相控陣設計中的多層射頻電路板和電纜占據幾乎所有剩余的成本（裝配、測試和機構結構約占總成本的10%）。與T/R模塊一樣，陣列設計的基本架構會增加較多的成本。

圖2 板條陣列

這里舉例說明了構建大型相控陣的傳統方法，即通稱的板條陣列結構，它有許多與陣面垂直的板條（見圖2）。板條陣列擁有許多優勢：它為連接T/R模塊和支撐電子器件提供較大的表面積。此外，這種大功率放大器的熱載荷可在較大空間內展開，即孔徑面積與板條厚度乘積。主要的不利因素是它需要大量的射頻板和電纜，以通過安裝與拆卸板條來傳送射頻、直流電和控制信號，實現陣列運行。這樣也增加了設計成本。

圖3 瓦片陣列

另一種方法為瓦片結構，即陣列由與陣面平行的層狀結構構成，它通過采用一種更加精簡的結構來克服這些缺陷（見圖3）。天線單元與射頻波束形成器集成于單個多層射頻板上，T/R模塊直接安裝在該板的背面。這種方法的優勢在于大幅降低了射頻板的面積，并顯著減少了連接和電纜的數量。T/R模塊的設計利用高產量商用微波封裝和制造技術能夠進一步降低成本。這種架構的T/R模塊MMIC采用工業標準的方形扁平無引腳 (QFN)封裝，即QFN封裝直接焊接在一個廉價PCB上，然后PCB再直接焊接到瓦片的背部。排列在印制電路板邊緣的純金屬護墊擔負T/R模塊與瓦片背部之間的射頻與直流電互連。

通過比較板條與瓦片陣列結構的單元面積相對發射功率與單元成本，可以看出，在高功率和低功率輸出情況下，瓦片陣列都可降低5倍以上的成本。

3多功能雷達

MACOM與 麻省理工學院（MIT）林肯實驗室合作優化了瓦片陣列的結構，驗證了可使用商用制造加工來獲取成本效率。MACOM/林肯實驗室合作研制的多功能相控陣雷達（MPAR）項目得到美國聯邦航空局(FAA)和國家海洋與大氣局(NOAA)的贊助，設計目標為下一代民用雷達，它將八種單獨的傳統雷達功能集成至一個多功能平臺上。第一代MPAR (見圖4)采用可擴展平面陣列（SSAR）瓦片陣來探測和跟蹤氣象條件、飛機和空中目標。

圖4 MACOM和林肯實驗室共同開發的SPAR瓦片樣品

盡管大多數傳統雷達系統采用機械旋轉方式，并將雷達的拋物面天線傾斜來掃描不同的空域，但是SPAR瓦片雷達由一個固定平面陣列（空域電子掃描）內的數百至數千個T/R單元組成。如圖5所示，MPAR的SPAR瓦片由一個前孔印制電路板(APCB)組成，內含輻射單元、發射與接收波束形成網絡、功率和邏輯分發。利用標準的工業制造加工工藝，把這些T/R模塊表面安裝到APCB的背部。 第二個PCB，即底板，包含直流電源、通用處理器和高級邏輯電路。它與APCB組合后構成SPAR瓦片。這兩個PCB通過低成本、高性能連接器連接，并利用一個簡單的機械結構固定在一起，組成完整陣列的裝配結構。

圖5 SPAR瓦片結構

首部部署型MPAR樣機正在美國俄克拉荷馬州的國家嚴重風暴實驗室（NSSL）進行天氣觀測驗證。它也為開發后端結構及AESA數據驅動天氣建模算法提供了一個基本平臺。完全投入應用以后，該系統有助于增加對類似于颶風等惡劣天氣的預報精度，支撐更早期的重大風暴預警及其他好處等。對于FAA來說，MPAR系統能夠顯著提升空中交通告警與國土防御監視。

近十年來，MACOM一直在推動SPAR瓦片技術研究。從概念驗證至首部樣機系統在實際終端應用環境的部署，SPAR瓦片的技術準備度（TRL）與制造準備度（MRL）已經得到了提升。基于首部樣機系統的成功研制，MACOM已經啟動了第一階段SPAR瓦片的規模制造，為FAA/NOAA先進技術驗證（ATD）提供了90多個瓦片，用于完全系統驗證。這樣首次保證了富有意義的端對端制造過程中的性能指標分步統計。MACOM已經制造和測試了6000多個T/R模塊，成果數據如圖6所示。

圖6 ATD T/R模塊的噪聲系數分布。柱狀圖接近平均噪聲系數3.7 dB的正態分布。

4瓦片AESA的機會

隨著用于空中交通控制和天氣監視等傳統民用雷達走向沒落，以及政府支出削減，對一些重要的防御項目產生影響，開發高費效比新型雷達系統的唯一途徑是把創新的射頻系統結構與商用制造加工結合起來。

瓦片AESA為新一代高性能、捷變雷達系統的研制奠定了基礎。這些雷達系統建造速度快、費效比高和易于升級改進，可廣泛應用于防御、民事和商業領域。應用于瓦片陣列MPAR的設計與裝配技術既可用于通信，也可應用于感知，支撐著有源天線能力以低廉的價格適用于多種商業領域：空中因特網、5G技術、無人機感知與規避和汽車雷達等。