有源相控阵天线设计T/R组件考虑的主要因素有哪些

有源相控阵天线设计的核心是T/R组件。T/R组件设计考虑的主要因素有：不同形式集成电路的个数，功率输出的高低，接收的噪声系数大小，幅度和相位控制的精度。同时，辐射单元阵列形式的设计也至关重要。

1 芯片设计

理想情况下，所有模块的电路需要集成到一个芯片上，在过去的几十年，大家也都在为这个目标而努力。然而，由于系统对不同功能单元需求的差别，现有的工程技术在系统性能与实现难度上进行了折衷的考虑，因此普遍的做法是将电路按功能进行了分类，然后放置于不同的芯片上，再通过混合的微电路进行连接。

 

一个T/R模块的基本芯片设置包括了3个MMICs组件和1个数字大规模集成电路(VLSI)，如图所示。

高功率放大器(MMIC)

低噪声放大器加保护电路(MMIC)

可调增益的放大器和可调移相器(MMIC)

数字控制电路(VLSI)

根据不同的应用需求，T/R模块可能还需要其他一些电路，如预功放电路需要将输入信号进行放大以满足高峰值功率需求。

大多数X波段及以上频段T/R组件都采用基于GaAs工艺的MMICs技术。该技术有个缺点就是热传导系数极低，因此基于GaAs的电路需要进行散热设计。

未来T/R组件的发展方向是基于GaN和SiGe的设计工艺。

基于GaN的功率放大器可实现更高的峰值功率输出，从而提升雷达的灵敏度或探测距离，输出功率是基于GaAS工艺电路的5倍以上。SiGe工艺虽然传输的功率不如GaAs，然而该材料成本较低，适用于未来低成本、低功率密度雷达系统的设计。

2 功率输出

通常情况下，在给定阵列的口径后，雷达系统所需要的平均功率输出也基本确定了。天线可实现的最大平均功率与每个TR组件的输出功率、T/R组件的个数、T/R组件的效率和散热等条件相关。当输入功率确定后，如果T/R组件的效率越高，那么对应的输出功率也就越大。

在高功率放大器设计时，需要的峰值功率是重要的指标，定义为平均功率除以最小的占空比。雷达系统的峰值功率是由整个天线阵列实现的，也就是说当峰值功率确定后，所需要的最少T/R组件个数也随之确定。

雷达系统TR组件设计需要综合考虑天线口径、T/R模块的输出功率以及T/R组件布局等因素，如为了实现同样的雷达探测性能且T/R组件个数相同，对于4m2口径天线，假定每个T/R组件的输出功率为P，那么对于2m2口径天线，每个T/R组件的输出功率为2P，如图所示。

3 发射机噪声限值

通常，雷达系统采用一个中心发射机进行工作，因此必须尽可能降低发射引入的噪声。在有源相控阵天线中，主要的噪声源是直流纹波或者输入电压的波动。由于每个T/R组件的电压较低且电流较高，因此需要对输入功率进行适应性的滤波。

4 接收机噪声系数

接收噪声系数是有源ESA天线关注的一个重要指标，通常需要使得接收噪声系数较低，以提升雷达性能。通常情况下，T/R组件的接收噪声系数是指整个模块的，包括LNA的噪声系数以及前级电路（环形器、接收保护电路、传输线）引起的插损，如图所示。

5 幅度和相位控制

幅度和相位控制的精度是与雷达系统对整个天线阵列旁瓣的要求有关。假定雷达系统需要天线实现低旁瓣，那么需要减小相位和幅度控制电路的量化步长，同时提升幅度和相位控制的范围以实现对真个天线阵列的加权，且需要对幅度和相位的误差进行严格的控制。

6 阵列物理结构设计

有源ESA天线的性能与成本设计不仅仅与T/R组件相关，也与阵列的集成设计密切相关。

通常情况下，每个天线阵列辐射单元必须精确保证其在阵列中的位置，并安装到刚性的背板上。在对于有天线RCS有缩减要求时，天线阵面的变形后会引起随机散射增强，且该影响无法进行消除。

每个T/R模块通常安装在有散热板的背板上，以便及时将T/R组件产生的热量散发。对于每个相控阵天线而言，其具体T/R布局的方式各不相同，其中一种常见的布局方式是采用砖块式(stick)布局。

另外一种有源相控阵天线的布局是采用片式(tile)结构，如图所示。每个T/R模块由三层电路板垂直叠放形成，而每层电路板又包括了4个TR电路。T/R组件中电路产生的热量通过电路板传导至周围的金属结构中进行散发。

采用片式T/R组件的相控阵天线还包括直流功率、控制信号、射频信号的耦合缝隙等，如图所示。

对于宽带或数字波束形成雷达系统，其通常需要有源相控阵天线采用子阵级布局。当天线采用子阵级布局方式后，整个相控阵天线的生产加工成本会大幅降低，且通过调整每个子阵后端的移相器形成模拟波束扫描能力。

对于模拟雷达系统，每个子阵需要通过时间延迟单元以实现波束的扫描，如图所示。对于数字雷达系统，每个子阵的回波直接进行接收机进行采集。

就针对于有源相控阵雷达来说，T/R組件是其中的一个关键部分，并且，T/R组件的性能，将会直接影响到整个雷达系统的性能。T/R组件是包含微波开关、功率放大器、低噪声放大器、移相器和电源控制等部分的复杂电路系统，技术上覆盖微波电路、数字控制电路等方面。高性能T/R组件对电路器件的性能参数、机械结构、电磁兼容性能、稳定性都有很高要求。

一、有源相控阵雷达的应用

（一）机载有源相控阵雷达

随着有源相控阵雷达技术的日趋成熟，其作用距离远和灵活性高的优点，非常适合空中（地）监视任务，也有助于火控雷达发挥更大的效能。通常有源相控阵雷达的输出功率是传统机械扫描雷达的3～4倍，作用距离更远，可以支持像中距空空导弹这样的中远距武器远距离攻击能力发挥到极致。

（二）星载有源相控阵雷达

有源相控阵雷达由于具有故障弱化的特点，可靠性大大提高，非常适合星载应用。同时采用有源相控阵的SAR雷达系统在观测范围和观测时间具有更大的灵活性，波束指向的灵活性使有源相控阵SAR雷达系统可以在扫描模式、条带模式以及聚束模式等不同的工作模式下运行，根据不同用途，工作频率通常为L、C、X频段。2003年，欧洲航天局启用的C波段星载有源相控阵雷达系统ASAR工作频率为5.331GHz，320个有源天线阵元分布在1.3m×10m的线阵中，天线采用双极化形式VV/HV或VH/VV，采用GaAs技术的T/R组件接收通道噪声系数达到1.3dB，发射通道峰值功率10W，扫描模式下观测范围400km，成像模式下观测范围80km。

（三）弹载有源相控阵雷达

20世纪90年代开始，现代电子技术的发展推动了武器系统的小型化。为了满足战区、战略导弹防御系统大气层内拦截器导引头系统对体积小、质量轻，以及在高拦截速度和高接近速度条件下直接碰撞杀伤的制导精度的苛刻要求，美国军方提出了有源电子扫描阵列导引头的概念，选择的频率为35GHz或94GHz，通过对大量T/R组件进行数字化幅相控制，实现快速、灵活的波束形成与扫描，最终完成了94GHz有源相控阵导引头方案设计与演示样机研制[1]。

二、有源相控阵雷达T/R组件技术分析

（一）单片微波集成电路技术

为了降低成本，提高成品率以适应日益广泛的商业民用领域的竞争，多功能MMIC开发成为趋势。M/A-COM公司采用0.5μmpHEMT工艺实现了S波段双极化应用的接收芯片、发射芯片。接收芯片集成了两路独立的通道，都具有限幅、放大、开关、移相和衰减功能；发射芯片同样集成了两路独立的通道，都具有功分、驱动、移相和衰减功能。Teledyne公司计划开发三维MMIC技术，用于相控阵天线的小型收发组件，以增强雷达和通讯系统的效率和灵敏度[2]。采用一种三维硅中介层集成工艺，能够通过硅中介层将不同制造工艺的集成电路集成到一个模块中，包括数字集成电路、MMIC和其它有源和无源器件，最终寻求开发晶圆级集成RF和微波发射/接收组件。太空科技和军事领域的应用，特别是天体物理和地球遥感研究推动MMIC向毫米波和亚毫米波频段发展。随着晶体管截止频率的提高，采用HEMT、HBT、InP技术的MMIC放大器越来越多地用于0.1～0.3THz频率范围的超外差接收机前端中。2000年，采用0.1μmInP工艺的单级低噪声放大器在91～97GHz频率增益达到8dB，噪声系数2.2dB；四级低噪声放大器在85～119GHz频率增益达到20dB，噪声系数3.7dB；2005年，采用0.07μmInP工艺的三级低噪声放大器在150～215GHz频率增益达到12dB。一种用于提高视频传输速率的InP多功能MMIC工作频率为140GHz，在实验室环境下测试，已经获得了40Gbits/s的传输速率，该芯片所占面积约1.6mm×1.2mm，包含一个I-Q调制器、一个三级放大器以及一个用于本振的三倍频器。

（二）RFCMOS集成电路技术

随着CMOS器件特征尺寸的进一步减小，器件的特征频率和最高振荡频率进一步升高，特别是进入到纳米尺寸的工艺进展，使得CMOS技术在射频领域得到广泛的应用。随着市场需求的推动，RFCMOS技术除了进行低噪声、低成本、低功耗方面的优化以外，正逐步朝着更高频率和更宽频带的方向发展，尤其是在Ku、K和W波段低成本、小型化相控阵应用中发挥重要作用。DARPA授予诺格公司的按商业周期发展的阵列项目（ACT），旨在通过设计可重复使用的、含下一代有源相控阵技术所需关键集成电路的数字通用模块，来发展满足经济性的下一代有源相控阵所需的关键技术。ACT项目通过通用模块重复使用、高度集成、高容量商用互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路技术，减少未来数字阵列的发展和制造成本。一个采用0.13μmCMOS工艺的24GHz。阵列接收机性能测试结果：24～27GHz频带内输入输出端口回波损耗小于-10dB，通道增益12～15dB，噪声系数7.8～9.5dB，4bits移相器的相位控制均方根误差小于6°，幅度控制均方根误差小于0.35dB。2013年，比利时微电子中心使用CMOS工艺研制出全球首个用于汽车安全控制的79GHz雷达发射器前端，该雷达发射器前端采用28nmCMOS工艺实现，输出功率大于10dB，电源电压为0.9V，功耗仅为121mW。

（三）宽禁带半导体技术

宽禁带半导体材料GaN以其禁带更宽、饱和漂移速度更大、临界击穿电场和热导率更高的独特优势，成为继硅（Si）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等之后迅速发展起来的第三代新型半导体材料。与目前绝大多数半导体材料相比，GaN器件具有高压、高速、高功率、高效率、耐高温等优点，成为研究和制造微波高功率器件的重要半导体材料。氮化镓材料在研发性能更可靠的军用雷达方面发挥着不可或缺的作用，它能够使军用雷达的功率比传统雷达增大5倍，大幅提高使用雷达、电子战、导航和通信系统作战人员的战斗力，而体积却减少一半。

三、结语

总而言之，T/R组件作为有源相控阵雷达中最重要的组成部分，随着半导体技术的发展正在从窄带单功能向宽带多功能、从MCM向SOP和SOC方向发展，MMIC技术、RFCMOS集成电路技术、GaN技术、RFMEMS技术和集成封装技术为新一代高性能、高可靠、小型化和低成本T/R组件的实现提供了技术途径。瓦片式T/R组件的研究将极大地推动共形相控阵雷达系统的发展。

审核编辑：刘清