有源相控陣天線設(shè)計的核心是T/R組件。T/R組件設(shè)計考慮的主要因素有：不同形式集成電路的個數(shù)，功率輸出的高低，接收的噪聲系數(shù)大小，幅度和相位控制的精度。同時，輻射單元陣列形式的設(shè)計也至關(guān)重要。

1 芯片設(shè)計

理想情況下，所有模塊的電路需要集成到一個芯片上，在過去的幾十年，大家也都在為這個目標(biāo)而努力。然而，由于系統(tǒng)對不同功能單元需求的差別，現(xiàn)有的工程技術(shù)在系統(tǒng)性能與實(shí)現(xiàn)難度上進(jìn)行了折衷的考慮，因此普遍的做法是將電路按功能進(jìn)行了分類，然后放置于不同的芯片上，再通過混合的微電路進(jìn)行連接。

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一個T/R模塊的基本芯片設(shè)置包括了3個MMICs組件和1個數(shù)字大規(guī)模集成電路(VLSI)，如圖所示。

高功率放大器(MMIC)

低噪聲放大器加保護(hù)電路(MMIC)

可調(diào)增益的放大器和可調(diào)移相器(MMIC)

數(shù)字控制電路(VLSI)

根據(jù)不同的應(yīng)用需求，T/R模塊可能還需要其他一些電路，如預(yù)功放電路需要將輸入信號進(jìn)行放大以滿足高峰值功率需求。

大多數(shù)X波段及以上頻段T/R組件都采用基于GaAs工藝的MMICs技術(shù)。該技術(shù)有個缺點(diǎn)就是熱傳導(dǎo)系數(shù)極低，因此基于GaAs的電路需要進(jìn)行散熱設(shè)計。

未來T/R組件的發(fā)展方向是基于GaN和SiGe的設(shè)計工藝。

基于GaN的功率放大器可實(shí)現(xiàn)更高的峰值功率輸出，從而提升雷達(dá)的靈敏度或探測距離，輸出功率是基于GaAS工藝電路的5倍以上。SiGe工藝雖然傳輸?shù)墓β什蝗鏕aAs，然而該材料成本較低，適用于未來低成本、低功率密度雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計。

2 功率輸出

通常情況下，在給定陣列的口徑后，雷達(dá)系統(tǒng)所需要的平均功率輸出也基本確定了。天線可實(shí)現(xiàn)的最大平均功率與每個TR組件的輸出功率、T/R組件的個數(shù)、T/R組件的效率和散熱等條件相關(guān)。當(dāng)輸入功率確定后，如果T/R組件的效率越高，那么對應(yīng)的輸出功率也就越大。

在高功率放大器設(shè)計時，需要的峰值功率是重要的指標(biāo)，定義為平均功率除以最小的占空比。雷達(dá)系統(tǒng)的峰值功率是由整個天線陣列實(shí)現(xiàn)的，也就是說當(dāng)峰值功率確定后，所需要的最少T/R組件個數(shù)也隨之確定。

雷達(dá)系統(tǒng)TR組件設(shè)計需要綜合考慮天線口徑、T/R模塊的輸出功率以及T/R組件布局等因素，如為了實(shí)現(xiàn)同樣的雷達(dá)探測性能且T/R組件個數(shù)相同，對于4m2口徑天線，假定每個T/R組件的輸出功率為P，那么對于2m2口徑天線，每個T/R組件的輸出功率為2P，如圖所示。

3 發(fā)射機(jī)噪聲限值

通常，雷達(dá)系統(tǒng)采用一個中心發(fā)射機(jī)進(jìn)行工作，因此必須盡可能降低發(fā)射引入的噪聲。在有源相控陣天線中，主要的噪聲源是直流紋波或者輸入電壓的波動。由于每個T/R組件的電壓較低且電流較高，因此需要對輸入功率進(jìn)行適應(yīng)性的濾波。

4 接收機(jī)噪聲系數(shù)

接收噪聲系數(shù)是有源ESA天線關(guān)注的一個重要指標(biāo)，通常需要使得接收噪聲系數(shù)較低，以提升雷達(dá)性能。通常情況下，T/R組件的接收噪聲系數(shù)是指整個模塊的，包括LNA的噪聲系數(shù)以及前級電路（環(huán)形器、接收保護(hù)電路、傳輸線）引起的插損，如圖所示。

5 幅度和相位控制

幅度和相位控制的精度是與雷達(dá)系統(tǒng)對整個天線陣列旁瓣的要求有關(guān)。假定雷達(dá)系統(tǒng)需要天線實(shí)現(xiàn)低旁瓣，那么需要減小相位和幅度控制電路的量化步長，同時提升幅度和相位控制的范圍以實(shí)現(xiàn)對真?zhèn)€天線陣列的加權(quán)，且需要對幅度和相位的誤差進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

6 陣列物理結(jié)構(gòu)設(shè)計

有源ESA天線的性能與成本設(shè)計不僅僅與T/R組件相關(guān)，也與陣列的集成設(shè)計密切相關(guān)。

通常情況下，每個天線陣列輻射單元必須精確保證其在陣列中的位置，并安裝到剛性的背板上。在對于有天線RCS有縮減要求時，天線陣面的變形后會引起隨機(jī)散射增強(qiáng)，且該影響無法進(jìn)行消除。

每個T/R模塊通常安裝在有散熱板的背板上，以便及時將T/R組件產(chǎn)生的熱量散發(fā)。對于每個相控陣天線而言，其具體T/R布局的方式各不相同，其中一種常見的布局方式是采用磚塊式(stick)布局。

另外一種有源相控陣天線的布局是采用片式(tile)結(jié)構(gòu)，如圖所示。每個T/R模塊由三層電路板垂直疊放形成，而每層電路板又包括了4個TR電路。T/R組件中電路產(chǎn)生的熱量通過電路板傳導(dǎo)至周圍的金屬結(jié)構(gòu)中進(jìn)行散發(fā)。

采用片式T/R組件的相控陣天線還包括直流功率、控制信號、射頻信號的耦合縫隙等，如圖所示。

對于寬帶或數(shù)字波束形成雷達(dá)系統(tǒng)，其通常需要有源相控陣天線采用子陣級布局。當(dāng)天線采用子陣級布局方式后，整個相控陣天線的生產(chǎn)加工成本會大幅降低，且通過調(diào)整每個子陣后端的移相器形成模擬波束掃描能力。

對于模擬雷達(dá)系統(tǒng)，每個子陣需要通過時間延遲單元以實(shí)現(xiàn)波束的掃描，如圖所示。對于數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)，每個子陣的回波直接進(jìn)行接收機(jī)進(jìn)行采集。

就針對于有源相控陣?yán)走_(dá)來說，T/R組件是其中的一個關(guān)鍵部分，并且，T/R組件的性能，將會直接影響到整個雷達(dá)系統(tǒng)的性能。T/R組件是包含微波開關(guān)、功率放大器、低噪聲放大器、移相器和電源控制等部分的復(fù)雜電路系統(tǒng)，技術(shù)上覆蓋微波電路、數(shù)字控制電路等方面。高性能T/R組件對電路器件的性能參數(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電磁兼容性能、穩(wěn)定性都有很高要求。

一、有源相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用

（一）機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)

隨著有源相控陣雷達(dá)技術(shù)的日趨成熟，其作用距離遠(yuǎn)和靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，非常適合空中（地）監(jiān)視任務(wù)，也有助于火控雷達(dá)發(fā)揮更大的效能。通常有源相控陣?yán)走_(dá)的輸出功率是傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)的3～4倍，作用距離更遠(yuǎn)，可以支持像中距空空導(dǎo)彈這樣的中遠(yuǎn)距武器遠(yuǎn)距離攻擊能力發(fā)揮到極致。

（二）星載有源相控陣?yán)走_(dá)

有源相控陣?yán)走_(dá)由于具有故障弱化的特點(diǎn)，可靠性大大提高，非常適合星載應(yīng)用。同時采用有源相控陣的SAR雷達(dá)系統(tǒng)在觀測范圍和觀測時間具有更大的靈活性，波束指向的靈活性使有源相控陣SAR雷達(dá)系統(tǒng)可以在掃描模式、條帶模式以及聚束模式等不同的工作模式下運(yùn)行，根據(jù)不同用途，工作頻率通常為L、C、X頻段。2003年，歐洲航天局啟用的C波段星載有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)ASAR工作頻率為5.331GHz，320個有源天線陣元分布在1.3m×10m的線陣中，天線采用雙極化形式VV/HV或VH/VV，采用GaAs技術(shù)的T/R組件接收通道噪聲系數(shù)達(dá)到1.3dB，發(fā)射通道峰值功率10W，掃描模式下觀測范圍400km，成像模式下觀測范圍80km。

（三）彈載有源相控陣?yán)走_(dá)

20世紀(jì)90年代開始，現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展推動了武器系統(tǒng)的小型化。為了滿足戰(zhàn)區(qū)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈防御系統(tǒng)大氣層內(nèi)攔截器導(dǎo)引頭系統(tǒng)對體積小、質(zhì)量輕，以及在高攔截速度和高接近速度條件下直接碰撞殺傷的制導(dǎo)精度的苛刻要求，美國軍方提出了有源電子掃描陣列導(dǎo)引頭的概念，選擇的頻率為35GHz或94GHz，通過對大量T/R組件進(jìn)行數(shù)字化幅相控制，實(shí)現(xiàn)快速、靈活的波束形成與掃描，最終完成了94GHz有源相控陣導(dǎo)引頭方案設(shè)計與演示樣機(jī)研制[1]。

二、有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件技術(shù)分析

（一）單片微波集成電路技術(shù)

為了降低成本，提高成品率以適應(yīng)日益廣泛的商業(yè)民用領(lǐng)域的競爭，多功能MMIC開發(fā)成為趨勢。M/A-COM公司采用0.5μmpHEMT工藝實(shí)現(xiàn)了S波段雙極化應(yīng)用的接收芯片、發(fā)射芯片。接收芯片集成了兩路獨(dú)立的通道，都具有限幅、放大、開關(guān)、移相和衰減功能；發(fā)射芯片同樣集成了兩路獨(dú)立的通道，都具有功分、驅(qū)動、移相和衰減功能。Teledyne公司計劃開發(fā)三維MMIC技術(shù)，用于相控陣天線的小型收發(fā)組件，以增強(qiáng)雷達(dá)和通訊系統(tǒng)的效率和靈敏度[2]。采用一種三維硅中介層集成工藝，能夠通過硅中介層將不同制造工藝的集成電路集成到一個模塊中，包括數(shù)字集成電路、MMIC和其它有源和無源器件，最終尋求開發(fā)晶圓級集成RF和微波發(fā)射/接收組件。太空科技和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是天體物理和地球遙感研究推動MMIC向毫米波和亞毫米波頻段發(fā)展。隨著晶體管截止頻率的提高，采用HEMT、HBT、InP技術(shù)的MMIC放大器越來越多地用于0.1～0.3THz頻率范圍的超外差接收機(jī)前端中。2000年，采用0.1μmInP工藝的單級低噪聲放大器在91～97GHz頻率增益達(dá)到8dB，噪聲系數(shù)2.2dB；四級低噪聲放大器在85～119GHz頻率增益達(dá)到20dB，噪聲系數(shù)3.7dB；2005年，采用0.07μmInP工藝的三級低噪聲放大器在150～215GHz頻率增益達(dá)到12dB。一種用于提高視頻傳輸速率的InP多功能MMIC工作頻率為140GHz，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試，已經(jīng)獲得了40Gbits/s的傳輸速率，該芯片所占面積約1.6mm×1.2mm，包含一個I-Q調(diào)制器、一個三級放大器以及一個用于本振的三倍頻器。

（二）RFCMOS集成電路技術(shù)

隨著CMOS器件特征尺寸的進(jìn)一步減小，器件的特征頻率和最高振蕩頻率進(jìn)一步升高，特別是進(jìn)入到納米尺寸的工藝進(jìn)展，使得CMOS技術(shù)在射頻領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著市場需求的推動，RFCMOS技術(shù)除了進(jìn)行低噪聲、低成本、低功耗方面的優(yōu)化以外，正逐步朝著更高頻率和更寬頻帶的方向發(fā)展，尤其是在Ku、K和W波段低成本、小型化相控陣應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。DARPA授予諾格公司的按商業(yè)周期發(fā)展的陣列項(xiàng)目（ACT），旨在通過設(shè)計可重復(fù)使用的、含下一代有源相控陣技術(shù)所需關(guān)鍵集成電路的數(shù)字通用模塊，來發(fā)展?jié)M足經(jīng)濟(jì)性的下一代有源相控陣所需的關(guān)鍵技術(shù)。ACT項(xiàng)目通過通用模塊重復(fù)使用、高度集成、高容量商用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）集成電路技術(shù)，減少未來數(shù)字陣列的發(fā)展和制造成本。一個采用0.13μmCMOS工藝的24GHz。陣列接收機(jī)性能測試結(jié)果：24～27GHz頻帶內(nèi)輸入輸出端口回波損耗小于-10dB，通道增益12～15dB，噪聲系數(shù)7.8～9.5dB，4bits移相器的相位控制均方根誤差小于6°，幅度控制均方根誤差小于0.35dB。2013年，比利時微電子中心使用CMOS工藝研制出全球首個用于汽車安全控制的79GHz雷達(dá)發(fā)射器前端，該雷達(dá)發(fā)射器前端采用28nmCMOS工藝實(shí)現(xiàn)，輸出功率大于10dB，電源電壓為0.9V，功耗僅為121mW。

（三）寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)

寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN以其禁帶更寬、飽和漂移速度更大、臨界擊穿電場和熱導(dǎo)率更高的獨(dú)特優(yōu)勢，成為繼硅（Si）、砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等之后迅速發(fā)展起來的第三代新型半導(dǎo)體材料。與目前絕大多數(shù)半導(dǎo)體材料相比，GaN器件具有高壓、高速、高功率、高效率、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，成為研究和制造微波高功率器件的重要半導(dǎo)體材料。氮化鎵材料在研發(fā)性能更可靠的軍用雷達(dá)方面發(fā)揮著不可或缺的作用，它能夠使軍用雷達(dá)的功率比傳統(tǒng)雷達(dá)增大5倍，大幅提高使用雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航和通信系統(tǒng)作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)斗力，而體積卻減少一半。

三、結(jié)語

總而言之，T/R組件作為有源相控陣?yán)走_(dá)中最重要的組成部分，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展正在從窄帶單功能向?qū)拵Ф喙δ堋腗CM向SOP和SOC方向發(fā)展，MMIC技術(shù)、RFCMOS集成電路技術(shù)、GaN技術(shù)、RFMEMS技術(shù)和集成封裝技術(shù)為新一代高性能、高可靠、小型化和低成本T/R組件的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)途徑。瓦片式T/R組件的研究將極大地推動共形相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的發(fā)展。

審核編輯：劉清