相控阵雷达技术的开发方案

作者：Alan J. Fenn, Donald H. Temme, William P Delaney和William E. Courtney

■ 林肯实验室自20世纪50年代后期以来一直参与相控阵雷达技术的开发展。雷达研究活动包括理论分析、应用研究、硬件设计、设备制造和系统测试。早期相控阵研究的重点是提高国家相控阵雷达的能力。该实验室开发了几种试验台相控阵，用于演示和评估组件、波束成形技术、校准和测试方法。

林肯实验室还在相控阵天线辐射元件、移相器技术、固态发射和接收模块以及单片微波集成电路（MMIC）技术领域做出了重大贡献。从这项研究中产生了许多发展中的相控阵雷达系统。还开发了各种各样的加工技术和系统组件。本文概述了相控阵雷达研究活动四十多年来的概况。

在1958年左右开始开发相控阵雷达时，阵列天线的概念已经不是什么新鲜事物了。早期的无线电发射机和第二次世界大战早期的雷达使用多个辐射元件来实现所需的天线辐射方向图。陆军的“弹簧天线”阵列就是早期阵列雷达的一个例子，在20世纪40年代中期首次从月球反射雷达信号。20世纪50年代的一项新倡议导致单个阵列天线元件使用快速电子相位，通过电子设备的灵活性和速度来控制雷达波束，而不是使用缓慢且笨拙的机械转向。许多工业公司、政府实验室和学术机构都参与了电子波束控制方法的开发。事实上，在20世纪50年代，这一研究领域可以被形容为“上千种操纵雷达波束的方法”。对于从20世纪50年代到现在， Bert Fowler写下了许多有趣的回忆[1]。

当时许多怀疑论者认为，哪怕是在很长的一段时间里，都无法建成可行且价格合理的阵列雷达，具有数千个阵列元件且所有阵列元件都能够以紧密协调的相位相干性运作。现在回想起来，狂热者和怀疑论者都是对的。电子波束移动的梦想是可以实现的，但实现这个梦想需要很长时间，并且仍未完全实现——我们仍然需要降低相控阵雷达的成本。然而，现代固态相控阵的进展无疑令我们感到鼓舞。

开端

林肯实验室于1958年左右在无线电物理部门的特种雷达组开始从事相控阵雷达开发项目。最初的应用是卫星监视，在1957年苏联发射第一颗人造地球卫星（人造卫星一号）后，国家对这项工作很有兴趣。该实验室富有远见的雷达专家Herbert G. Weiss的领导下，在磨石山雷达的开发中发挥了关键作用。当时，磨石山雷达是世界上为数不多的具有卫星探测和跟踪能力的雷达仪器之一。Weiss和美国空军的其他人都预见到，美国很快就会需要探测所有经过其领土的卫星的能力。完成这项任务所需的雷达监视量显然是庞大的，这意味着需要雷达具有大功率、天线孔径和波束敏捷性。 

解决这个监视问题的一种方法是建立一个由大约5000 个UHF元件组成的大型平面阵列。Weiss的直觉告诉他，国家还没有能力生产使工程师能够实现带有五个发射器和接收器雷达的可靠低成本组件。然而，国家确实在磨石山雷达发射器中安装了一些大型UHF速调管（2.5-MW峰值功率，100-kW平均功率），此类速调管可以被纳入各种相控阵雷达。因此，他们开始搜索各种使用一些大型速调管的混合机械扫描和电子扫描天线阵列配置。

图1是最受欢迎的混合概念的图纸，其特点是高140英尺，长620英尺的圆柱形接收器反射器[2]。三个旋转的垂直线性阵列形成多个仰角接收波束，这些波束在圆柱形反射器上进行机械扫描。速调管发射器耦合到三个水平线性阵列，这些阵列不使用反射器，也不进行电子扫描。它们以仰角形成扇形波束，由于大型中心轮毂中的机械驱动，此扇形波束可以扫描到天空的大部分区域（因此这台巨大的机器得到了一个不敬的绰号“中心变种机”）。一组900-MHz速调管的平均功率输出为一兆瓦。这种混合阵列概念具有强大的功率、出色的接收孔径和快速的广角扫描能力。其配置适用于测量巨大的空间，因此一个装置可以探测到所有经过美国上空的卫星，轨道高度最高可达三千海里。 

在开发工作开始时，实验室的重点是找到为接收机构建长线性相控阵的有效方法。他们研究了各种波束成形方案，包括中频波束成形器（可以容忍高损耗）、射频（RF）二极管开关移相器（需要保持非常低的损耗）和RF多波束成形器。

有批评者认为，这种混合电子扫描/机械扫描方法只能在扫描时跟踪卫星，并且无法在其限制垂直搜索窗口之外跟踪高关注度卫星。国家似乎赞成五千个元件的全相控阵方法，美国空军在本迪克斯公司的电子扫描阵列雷达(ESAR)上的重大成就鼓励了这一选择。另外，在那个时代，国防界的许多工程师非常希望国家能够建造完整的平面相控阵雷达。

国家对弹道导弹防御兴趣的增加使每个人的注意力都转向了平面相控阵，由于主动导弹防御的挑战和复杂性需要雷达业界能获取的每一束波束都具备敏捷性、灵活性、功率孔径和广角扫描。因此，对线性阵列的兴趣逐渐消退 - 平面阵列是需要的 - 但距离实现负担得起的平面相控阵，这个国家还有很长的路要走。

早年经历

到1959年，已经围绕着有远见的相控阵专家John L. Allen组建了实验室特种雷达小组的基础结构，推动为各种军事任务而开发相控阵，其中明显最需要这种雷达的是弹道导弹防御。Allen的目标是在阵列上开展广泛的开发工作，从阵列理论开始，扩展到实际的硬件开发，以提高国家在相控阵方面的能力，使我们拥有可靠且成本合理的阵列组件，各种波束扫描技术，以及对阵列理论的良好理解。这项工作必须具有实用性，实验室的努力必须与工业和政府实验室正在进行的广泛阵列研究联系起来并产生影响。 

因此，在1959年，实验室启动了对理论和硬件新发展的广泛研究，在随后的五年中，相控阵工作在很大程度上起到了与其他研究人员分享见解的知识开放交流作用，也是一个帮助工业界尝试其想法的信息交流中心。实验室的发展记录在一系列题为“相控阵雷达研究”的年度报告中，这些报告是阵列界的畅销书[3-6]。

十六元件测试阵列

由于强调将相控阵变成实用设备，因此建造了一个900MHz、十六元件线性阵列固定装置作为阵列测试台，可以尝试、测试和练习阵列组件，如天线元件、低噪声放大器、中频（IF）放大器、混频器、发射器和波束成形技术。阵列测试台安装为可以观察抛物面圆柱反射器的馈源，整个天线结构安装在旋转基座上，并放置在林肯实验室C楼屋顶的天线罩中，如图2所示。在实验室计划的前五年中，在这个十六元件阵列中开发和测试了各种各样相控阵接收器和发射器组件的雏形。

相控阵组件

阵列天线元件的最初实验是从对数周期结构开始的，据报道，这些结构具有理想的低互耦。然而，早期的实验表明，偶极振子更适合阵列，随后的大部分研究都是关于偶极辐射器的。

用于相控阵接收机的低噪声前端放大器是一个重要的研究领域。研究始于一种被称为电子束参数放大器的复杂电子设备，是由Zenith Radio 公司的Robert Adler和斯坦福大学的Glen Wade发明的。实验室还研究了更传统的基于二极管的参数放大器。由于对更简单、更低成本方法的渴望，出现了对隧道二极管放大器的研究。随着场效应晶体管的出现，研究最后集中在低噪声晶体管放大器上。

还开发和测试了使用中等功率四极管的中频放大器、混频器和发射器，在配置下它们可以适合900 MHz的平面阵列结构。

还有一项主要工作是开发各种电子方式控制雷达波束。最早的方法之一是使用中频工作的波束成型器，并且构建和测试了各种方案。还研究了直接使用射频工作的技术。当时的一项发明是Butler波束成形矩阵，桑德斯协会的Jesse Butler在1960年左右发明了这一矩阵后，它在林肯实验室接受了早期和全面的测试[7，8]。Butler矩阵的一个有趣的微妙之处，是它的微波接线图，它与几年后成为头条新闻的快速傅里叶变换的计算流图相同。回想起来，这种相似性并不奇怪，因为Butler矩阵确实是一个傅里叶转换器[9，10]。事实上，实验室构建了Butler矩阵的低频版本，作为雷达突发波形式匹配滤波器的傅里叶变压器。

寻找能够以电子方式扫描雷达波束的数字设备导致了对数字二极管开关微波移相器的重点研究。实验室在这一领域的研究为开发可行的二极管移相器做出了重大贡献，这些二极管移相器被应用于各种相控阵雷达。本文的后续部分将会介绍二极管移相器工作和相关铁氧体移相器的研究。

对早年的回顾

早期的相控阵研究有一些持久的价值。首先，实验室很快就对这种相控阵新技术“全身心投入”。这项研究涵盖了广泛的前沿技术，包括理论、硬件、实验阵列和需要相控阵的军事问题的系统分析。其次，专注于推动实用、低成本、高度可靠的组件，使相控阵成为未来可行的选择，这有助于为那个时代的相控阵的国家研究议程定下适当的基调*。第三，John Allen领导下的林肯实验室小组在很大程度上是当时工业界、学术界和政府工作人员的开放沙龙和论坛。通过这种方式，扩大了实验室进行所进行研究的影响，远远超出了实验室相控阵雷达组的十余名研究人员的努力。

随后的几年

在接下来的几年中，林肯实验室对相控阵技术做出了重大贡献，包括阵列元件设计、移相器、固态发射和接收模块、砷化镓单片微波集成电路以及阵列校准和测试。

阵列元素设计

设计相控阵的基本困难之一是，阵列一个元件所发射微波功率的很大一部分可以被周围的阵列天线元件接收。这种效应被称为阵列互耦，这可能导致发射或接收的雷达信号大量或全部丢失，具体取决于阵列中所有互耦信号的相干组合。阵列互耦信号的幅度和相位主要取决于辐射天线元件的形状、阵列元件之间的间距以及辐射元件的数量。相控阵有许多不同的设计可能性，因为有数十种不同的辐射阵列元件可供选择，并且辐射元件的间距和数量可以根据扫描要求而变化很大。当然，我们需要充分了解所选择的任何辐射元件的相互耦合方位。因此，实验室研究了许多不同的阵列元件设计，并考虑了交流计数互耦效应。

实验室对阵列天线理论的研究始于1958年，在随后几年仍在继续。在那个年代，Allen的早期研究对阵列天线的理解做出了重大贡献[12]。重重点是理解和建模阵列相互耦合及其对阵列性能的影响。如下所述，这项理论和实验工作在实验室由Diamond [13]、Diamond 和George H. Knittel [14]、Gerasimos N. Tsandoulas [15—19]以及 Alan J. Fenn [20, 21]继续进行。

设计相控阵的一个重大挑战是满足扫描体积和带宽的要求，同时避免盲点并保持低旁瓣[11，22 - 26]。图3（a）中显示了共同馈入相控阵天线的概念，该天线使用移相器以电子方式将雷达波束引导到扫描扇区。RF源产生雷达波形，此波形被划分为单独路径（又称为元件通道），每个路径包含一个移相器和放大器。

图3（b）中显示了覆盖扫描扇区的理想化元件辐射图，扇区之外的信号强度下降。当阵列的所有移相器正确对齐时，阵列在所需的指向上产生主光束，如图3（c）所示。通常，共同馈入旨在达到通道之间串扰最小。然而，一旦信号到达辐射天线元件，就会产生大量的串扰（即阵列互耦）。这些互耦信号的幅度和相位会严重影响相控阵的性能。

 

Mutual coupling Antenna elements Amplifiers Phase shifters Power divider RF source Scan sector Angle

互耦 天线元件 放大器 移相器 功率分配器 射频源 扫描扇区 角度

 

图： 相控阵天线的一般概念，通过电子方式组合元件模式，将雷达波束指向特定方向。（a） 天线使用移相器引导雷达波束以电子方式越过扫描扇区。射频（RF）源产生雷达波形，波形被划分为称为元件通道的单独路径，每个路径包含一个移相器和放大器。（b） 来自单个天线元件的理想化辐射图覆盖扫描扇区，扇区之外信号强度下降。（c） 当阵列的所有移相器正确对齐时，阵列在所需的指向上产生主光束。

如果阵列元件间距约为二分之一波长，则可能出现大量的互耦。这种耦合通常表现为元件的辐射方向图及其反射系数的有害变化。除非在阵列设计时小心谨慎，否则雷达扫描扇区可能会出现盲点。这些盲点是元素图案为零的角度，阵列的反射系数有一个接近统一的峰值，如图4所示。在这些盲点处，雷达信号的总振幅显著降低。

有时我们想将盲点放置在不希望发射或接收雷达能量的方向上。例如，图5对宽边峰值辐射器（偶极子或波导孔径）和宽边零辐射器（单极天线）进行了比较。后一种元件在不希望进行宽侧辐射时很有用，例如减少宽侧杂波和干扰。当雷达波束从0°（宽侧）转向60°时，传统的宽边峰型元件辐射方向图下降，但宽边零点型元件辐射方向图在约45°至50°处增加到峰值。

相控阵辐射元件技术的早期开发是1959年至1967年期间在林肯实验室进行的。从1959年开始，实验室为相控阵的理论理解做出了贡献，特别是阵列互耦对偶极子阵列各种配置性能的影响，例如Allen等人的报告[3-6，27-32]。图6显示了早期的一种L波段偶极相控阵测试台，此测试台用于测量阵列元件图案、互耦和阵列有源扫描阻抗。

 

Relative gain (dB) Ideal Blind spots Blind spots must be avoided over the desired scan sector Scan sector Reflection coefficient Scan angle (deg)

相对增益（分贝） 理想 盲点 要扫描扇区上必须避免的盲点 扫描扇区 反射系数 扫描角度（度）

 

图：相控阵天线中出现盲点的概念图像。这些结果是设计不考虑阵列互耦效应的阵列的典型结果。当 （a） 阵列元素模式具有零值；（b） 元件反射系数具有统一大小时，就会发生盲点。盲点通常是由阵列互耦引起的，它倾向于将阵列平面中的辐射引导为表面波，而不是作为从阵列传播的波。仔细设计阵列元素的形状、大小和间距可以防止盲点的发生。

1968年至1980年期间，林肯实验室对主要用于机载应用的相控阵辐射元件进行了研究。对各种设计（矩形、方形和圆形）的波导元件进行了理论和实验的详细研究[13—19]。Diamond对波导元件进行了分析[13]，后来他与Knittel一起开发了一种相控阵单元设计程序[14]。他们还发现，小阵列可以有效地用于设计大型阵列的阵列辐射元件[33]。

使用Diamond的理论公式，开发了一种被称为RWED（矩形波导元件设计）[34]的计算机程序用于相控阵分析。实验室将此软件由散发给相控阵行业，并广泛用于设计波导相控阵。

在20世纪70年代初期，林肯实验室的Tsandoulas利用Diamond开发的波导阵列分析软件设计了低旁瓣波导相控阵，用于位移相位中心雷达天线的机载应用[15]。图7中显示了一组用于多天线监视雷达（MASR）的测量低旁瓣L波段相控阵波束扫描模式（另见本期Charles Edward Muehe和Melvin Labitt撰写的题为“位移相位中心天线技术”的文章）。

在20世纪80年代中期，林肯实验室积极参与了天基雷达监视系统的相控阵天线的开发，该系统倾向于检测和跟踪飞机、船舶、装甲车、弹道导弹和巡航导弹[35]。作为研究的一部分，实验室在天基雷达天线系统的分析、设计、校准和测试方面做出了重大贡献。绕地球运行的相控阵雷达如果要满足任务需要，就必须具备一些独特的特性，这就需要新的天线技术。例如，当星载雷达俯视地球时，会有很大的雷达杂波。此外，雷达卫星的速度非常快，所需的雷达目标回波往往会被雷达杂波回波的多普勒频移掩盖。因此，从太空中消除雷达杂波的方法是必要的。雷达还需要将大型地面干扰器清零。

 

Scan sector

扫描区域

 

图：（a）常规宽边峰辐射元件（偶极子或波导）和（b）宽边零辐射元件（单极子）的辐射图。宽边零元件在不希望发射或接收雷达能量的方向上放置盲点

 

Relative gain (dB) Scan angle (deg)

相对增益（分贝） 扫描角度（度）

 

图:L波段多天线监视雷达（MASR）波导相控阵天线在中频段的低旁瓣辐射图。光束在方位角上被扫描到最大±45°。通常，第一个旁瓣处于–36 dB至–38 dB水平，所有其他旁瓣的峰值均低于–42 dB（所示旁瓣除外）。获得的低边瓣水平代表了电子扫描阵列天线当时的最佳性能。

本期Muehe和Labitt的文章中对林肯实验室设计的天基雷达系统方面在进行了描述。实验室的低空天基雷达概念有利于在子卫星（最低点）方向上具有最小辐射的单极型辐射器，以减少雷达杂波和干扰。Fenn从理论上和实验上对垂直极化单极子[20]和水平极化环[21]的这个问题进行了研究。图8中显示了L波段天基雷达相控阵天线测试台，该测试台具有96个有源单极辐射元件（类似于钉床）。此位移相位中心阵列实现了40 dB左右的杂波消除，如图9所示。

专为杂波消除而设计的位移相位中心天线通常会关闭元件以移动阵列相位中心。因此，相位中心只能在离散的列或行中移动，受到元件间距的限制。对于天基雷达，开发了一种利用幅度锥度将相位中心移动任意距离（包括一小部分列）的方法[36]。

低旁瓣天线方向图和自适应调零可用于抑制干扰和雷达杂波。UHF的超低旁瓣自适应阵列天线称为RSTER（雷达监视技术实验雷达），由西屋公司为林肯实验室开发，旁瓣的方位角平均要比主瓣低60 dB（参见本期Lee O. Upton和Lewis A. Thurman题为《用于探测和跟踪巡航导弹的雷达》的文章）。此阵列使用共同馈入波束成形器，特别注意减少整个阵列的幅度误差和相位照明误差[37]。

移相器

林肯实验室在20世纪50 年代后期和60 年代集中开展研究，开发了当时相控阵雷达电子束转向所需的移相器。当时实验室在移相器和相关程序领域的许多开发研究在William J. Ince和Donald H. Temme的文章中都有所描述[38]。

 

Measured at array scan angle Theory Phase-center displacement (columns) Clutter-cancellation ratio (dB)

在阵列扫描角度下测量 理论 相心位移（列） 杂波消除比 （分贝）

 

图： 所示的位移相位中心天线测试台阵列实现了40 dB左右的杂波消除比。理论曲线仅包括阵列互耦效应[80]。

第一个现场相控阵雷达又称为ESAR（电子扫描阵列雷达），由Bendix建造，并于1960年完成[39]。ESAR具有IF模拟移相器和IF波束成型器。这种波束成形技术极为庞杂并需要良好的温度控制。实验室在相控阵波束控制方面的早期举措之一是开发数字中频波束控制技术，此技术强调更小的尺寸和控制的简单性。这种方法利用二极管控制的数字移相器，将以二进制级联排列的传输线的分数波长切换进和输出，并放置在每个天线通道中，以正确相位辐射阵列的元件。

如图10所示，这些移相器在实验线性阵列中进行了测试。它们在微波频率下往往具有高损耗（几dB），这当然是一个缺点。同时，微波开关研究中使用的是新型RF正-本征-负（PIN）二极管，这导致了更简单的低损耗移相器。贝尔电话实验室的A. Uhlir从理论上展示了为什么PIN二极管是微波开关的理想选择，当直流正向偏置时具有低阻抗，在直流反向偏置时具有高阻抗[38]。与RF周期相比，PIN二极管中的直流注入载流子具有较长的使用寿命，但在IF周期内则不然。因此，对于RF频率，PIN二极管不会整流，但在充满直流注入载流子时具有低阻抗，在没有注入载流子的情况下具有高阻抗（成为小电容）。

林肯实验室的Temme使用这些PIN二极管构建了有史以来第一个数字二极管L波段低损耗移相器[5]，如图11所示。低损耗二极管移相器被应用于导弹探测中使用的几种现场相控阵雷达，例如HAPDAR（硬点演示阵列雷达）、AN/FPS-85、MSR（导弹位置雷达）、Cobra Dane和S波段Cobra Judy [4，39-41]。MSR使用了不同的电路配置，此配置是由J.F. White[42]设计的，可以实现更高的RF功率能力。当两个相等的并联电抗在传输线上间隔四分之一波长时，仍存在匹配并引入相移。每个并联电抗通过PIN二极管开关在传输线上连接和断开，以获得功率水平较大的小可变相移。有16对用于MSR移相器。功率电平、带宽和RF损耗与电抗和二极管参数有关。

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L波段的HAPDAR相控阵雷达[41]是由Sperry制造的，于1965年完工。超高频AN/FPS-85[43]相控阵雷达由Bendix制造并于1968年完工。S波段MSR由雷神公司制造，于1969年完工。L波段丹麦眼镜蛇相控阵雷达由雷神公司制造，位于阿拉斯加的谢米亚岛，用于观察苏联导弹试验，于1976年完工。本期William W. Camp等人撰写题为《用于弹道导弹防御的宽带雷达和卫星的距离多普勒成像》的文章中对丹麦眼镜蛇雷达进行了更加详细的描述。雷神公司建造了四台UHF位置和速度提取（PAVE）相控阵预警系统（PAWS）[44]相控阵雷达（全固态），这些雷达至今仍用于导弹预警和太空监视。

铁氧体移相器的开发要晚于二极管移相器，但在S波段和更高频率下，铁氧体移相器的性能有望优于二极管移相器（主要是微波损耗更低）。早期的讨论和分析是在实验室进行的，这有助于早期微波铁氧体的开发[45]。

实验室构思并分析了带有介电负载环形线圈的铁氧体移相器。这是首个插入损耗小于1dB的移相器，可以在微波区域处理千瓦的峰值功率[46]。图12显示了这款数字铁氧体移相器的生产模型的照片。开发改进的铁氧体材料是实现铁氧体移相器预期良好性能的重点之一。Ernest Stern，Temme和Gerald F. Dionne研究发现，对铁氧体环形线圈上机械应力的了解有助于开发应力敏感性较低的铁氧体材料组合 [47-49]。

 

180° element Dielectric separators Two-section quarter-wave transformer BeO slabs Driver terminal Cooling fins 90° element 45° element 22.5° element

180° 元件 介电质分离器 两段式四分之一波长变压器 氧化铍板 驱动器终端 散热片 90° 元件 45° 元件 22.5° 元件

 

图 ： 西屋电气生产的四位C波段铁氧体移相器型号，波导盖被移除。

实验室在Ampex公司的协助下开发了一种低成本铁氧体材料——锂铁氧体——它对直接控制相移磁化的温度敏感性较低。这种材料的使用还可以使铁氧体移相器操作的延伸达到毫米波长频率[50]。另外一种由实验室开发的磁通驱动技术可以使移相器的相位设置具有低温灵敏度和五位精度，而移相器和驱动器的复杂性不会有所降低[51]。

这些铁氧体移相器技术用于1974年RCA为美国海军开发的S波段宙斯盾相控阵雷达，1975年雷神公司为美国陆军开发的C波段爱国者雷达，以及1988年格鲁曼公司为美国空军开发的X波段联合监视目标雷达系统（联合STARS）[52]。1991年，联合STARS的两架原型机在沙漠风暴行动中执行了49次任务；Muehe和Labitt在本期文章中展示的联合STARS雷达监视图像如图11所示。

固态发射/接收模块

从1982年到1990年，林肯实验室领导了美国空军/美国海军联合天基雷达发射/接收模块开发计划。该计划的目标是利用单片微波集成电路（MMIC）和砷化镓数字电路来生产重量轻、小尺寸、高抗辐射、高效且经济实惠的模块，这些模块能够在预期的温度范围内精确控制信号相位，具有足够的射频发电、低直流功耗和低噪声运行。图13表明了L波段发送/接收模块的配置。通用电气和雷神公司都为该计划生产了几个版本的发射/接收模块;图 14 显示了通用电气的一个模块。

为天基雷达应用开发的轻型L波段发射/接收模块技术被用于使用相控阵天线的铱星商业卫星通信系统[53]。砷化镓MMIC发射/接收模块技术用于雷神公司建造的战区高空区域防御（THAAD）X波段相控阵雷达系统[54]。

 

Transmit signal Beamformer A Beamformer B Module Attenuator CR & D Phase shifter Command register and driver (CR & D) Amplifier Power amplifier Circulator To and from antenna Low-noise amplifier	传输信号 波束成形器 A 波束成形器 B 模块 衰减 命令寄存器和驱动程序（CR & D） 移相器 命令寄存器和驱动程序（CR & D） 放大器 功率放大器 循环器 往返天线 低噪声放大器
Other modules Subarray Command computation chip Radar control processor Other modules Power conditioning Prime power	其他模块 子阵列 命令计算芯片 雷达控制处理器 其他模块 功率调节 主电源

 

图 ：天基雷达应用所需的L波段发射/接收模块示意图。该模块包含选择发送或接收路径的开关。接收路径包含两个衰减器，用于照亮两个置换的相位中心，由波束形成器A和B表示。发射路径包含一个移相器和一个功率放大器，以实现雷达所需的发射功率电平。

相控阵天线固态有源元件的演变

在20世纪60年代后期，有望实现创建相控阵全固态的概念，特别是在国防分析研究所的Mel Vosburg发起的一项倡议下，这个研究所是国防部（DoD）赞助的研究和分析中心。这次冒险是由Vosburg和林肯实验室的Carl Blake合作进行的。Blake接替John Allen成为了阵列雷达小组的负责人。正如本文前面所述，这个小组在过去十年中开展了相控阵理论和发展的开创性工作。在阿拉巴马州亨茨维尔弹道导弹防御先进技术中心（BMDATC）的美国陆军弹道导弹防御计划的支持下，林肯实验室于20世纪70年代启动了此类相控阵目标组件的开发。最初的重点是L波段频率范围内的阵列。

虽然上一代相控阵是基于导电管波导和集中式高功率真空管的移相器（可变移相器），但开发人员认为包含固态集成电路的阵列设计将使阵列概念得到更为广泛的应用，这将得益于这些电路的主要优势，特别是体积小、 重量轻、成本低和可靠性高。

在60年代，单片电路所需的技术尚未足够成熟。早期材料的质量有限和受限的加工技术导致了产量低下且单片部件性能不足。因此，研究工作最初是基于将集成电路与更传统组件相结合的混合设计。混合电路由分立封装晶体管、二极管移相电路和开关以及无源元件组成，这些元件都附在共同的陶瓷基板上，并通过引线键合连接到中间的平面电路。到了60 年代末和70 年代初期，以混合设计概念为基础的早期开发计划主要是在工业实验室进行的，其中包括德州仪器、雷神、RCA、西屋、通用电气和休斯的实验室。特别是德州仪器的T. Hyltin在俄亥俄州赖特-帕特森空军基地的R. Albert和W. Edwards的支持下，启动了雷达应用分子电子学（MERA）计划，以建立固态机载雷达。

到了20世纪60年代后期，林肯实验室在Blake的推动下建立了微波集成电路设施，以开发并完善制备基板以及应用电路和器件的技术，主要是采用混合模式，以满足微波使用所需的规格。平面电路是在稳步改进陶瓷基板材料（主要是氧化铝）的基础上制造的，采用了当时最精细的光刻材料和技术。有了这些改进以及美国陆军新泽西州蒙茅斯堡实验室赞助的名为CAMEL的项目，研究人员开始开发100-元件L波段（1.0至2.0GHz）测试阵列[55]。第二代开发是新泽西州摩尔斯敦RCA的先进野战阵列雷达（AFAR），其模块由西屋电气生产。尽管AFAR并没有完成，但这种尝试在展示混合动力技术的承诺和局限性方面是极具价值的。 

砷化镓单片集成电路

全固态UHF陆基雷达又名为PAVE PAWS，采用混合技术制造，并且获得了成功。其他军事防御雷达的设计，如可靠先进固态雷达（RASSR）和固态相位Ar射线（SSPA）[56]，都是基于类似的固态混合技术。然而，研究人员最终意识到，使用混合电路制造的大规模固态相控阵雷达需要大量的分立元件和相关的引线键合，与单片技术的前景相比，成本过高且可靠性低下。因此，相控阵研究工作转向了在通用半导体衬底上创建的器件组成的完全集成电路的开发和部署[57]。

被认为最有前景的基底材料是砷化镓，主要是因为它具有高载流子迁移率，因此适用于高频系统，特别是在微波（1至30 GHz）和毫米波（30至300 GHz）频率范围内。最高的可用频率和相应的最短波长对于在目标跟踪中形成高分辨率的窄光束至关重要，而较低的频率则更有可能满足高发射机功率的要求，有利于监视和搜索的相关功能。1968年，在德州仪器工作的E.W. Mehal和R.W Wacker [58]以及G.D. Vendelin等人[59]在一项重要的开发工作中，报告了在微波和毫米波频率的砷化镓器件和电路开发方面的初步成功。那些年的另一个重大进展是苏黎世IBM实验室的Bachtold等人报告的砷化镓上的单片低噪声场效应晶体管（FET）微波放大器[60]。

在林肯实验室，Blake和Roger W. Sudbury共同推进了对MMIC相控阵的支持。实验室通过在固态研究部门的微电子小组和实验系统小组之间建立互补关系将这些项目的成果组织起来，微电子小组为材料的开发和改进以及器件制造和测试做出了贡献，实验系统小说为相控阵技术的电路设计做出了贡献。

这些开创性成果的成功取决于许多相互关联的问题的解决。更高的微波或毫米波频率在用于雷达的窄波束、高分辨率跟踪功能方面具有潜在优势，这就对单片晶片用镓-砷化物材料的质量，以及光刻工艺的光学、冶金和化学提出了严格的要求。

制造外延器件层的半绝缘砷化镓基板具有电惰性，允许低插入损耗和紧密间隔的电路元件之间的低耦合损耗。林肯实验室的William E. Courtney对于2.5至36.0 GHz范围内砷化镓复介电常数的详细测量证实了这一关键的介电特性[61]。这些测量结果表明，如果处理得当，该材料实际上并没有一些研究人员担心的频率相关损耗特性。随着器件和电路质量的提高，需要更高的基板性能来实现器件的电气隔离，设想这些器件密集地放置在半导体晶圆上，要防止它们彼此相互作用。林肯实验室[62]演示了这一成果的前期成功，通过质子轰击钝化过程来产生晶体缺陷，从而赋予近本征半导体特性。后来，采用了一种更简单、成本更低的隔离技术，这项技术涉及到对基板的中间区域进行大量掺杂以缩短载流子寿命。

德州仪器（TI）早期对装置开发的投入产生了混合和单片电路，包括平衡混频器，Gunn二极管振荡器和用于毫米波频率接收器应用的倍频器。在这些基本进展之后，各研究小组生产了性能明显改善的平面装置。实验室和工业界的这种进步导致了发展的急剧进步，特别是砷化镓金属半导体场效应晶体管（MESFET），无论是分立形式还是作为单片芯片上的有源器件。Plessey有限公司的R.S. Pengelly和J.A. Turner于1976年首次报告了具有砷化镓MESFET和匹配电路的全单片微波放大器芯片[63]，这一成就导致所有领先的微波研究实验室都迅速参与到了单片电路的进一步开发中。

在1980年的一次发布会上[64]，Courtney等人介绍了单片接收器的问题和潜力，这是固态相控阵概念的核心。实验室为支持新一代相控阵设计的政府机构提供咨询。同时，实验室也在继续开展自己的研究，其目的是：（1）开发适用于军事系统阵列天线发射/接收模块的技术；（2）提高自身的创新和咨询能力。

国防部的Sonny Maynard对于林肯实验室通过超高速集成电路（VHSIC）计划提出的固态电路技术研究提案很感兴趣。在80年代，对单片微波技术发展的主要支持来自Maynard的国防部伙伴Elliot Cohen的努力，以及Blake对研究砷化镓在微波集成电路中的实际用途的大力提倡。Cohen赞助了国防高级研究计划局（DARPA）的微波和毫米波单片集成电路（MIMIC）计划[65]。此计划基于“有源晶片”相控阵的概念，即将具有集成电路相位器和发射/接收功能的阵列作为每个天线元件的组成部分，锁定中心相位和幅度标准。

MIMIC计划保持了早期发展的动力，并鼓励微波行业建造大型砷化镓加工设施，这些设施现在仍然用于制造相控阵和电信模块。MIMIC计划的目标包括开发批量生产技术，来生产大直径高质量的基板，适合商业生产高功率或低噪声优化的MESFET；开发计算机辅助设备和电路设计程序（当时仍处于起步阶段的强大学科）；并证明单片电路可以在适合且负担得起的电路中找到适用方法，以便广泛用于军事系统。

林肯实验室在BMDATC的支持下深入参与了这项开发技术。实验室计划继续向对新技术各个方面进行资助的政府机构提供咨询，同时通过开发毫米波发射/接收模块的技术，特别是导弹上的Ka波段（26.5至40 GHz）相控阵导引头，加强实验室在该领域的专门知识。

林肯实验室在MIMIC计划中提议开发的Ka波段模块是一个单极化发射/接收模块，在34 GHz的毫米波范围内平均输出功率约为100 mW。1978年，林肯实验室的R.W. Laton等人[66]和Sudbury [67]对这种雷达和组件开发的系统注意事项进行了审查。图15显示了Ka波段传输/接收模块的配置，还包括截至1985年的组件芯片图示[68，57]。接收器部分基于平衡混频器/外差配置中的平面肖特基势垒二极管[69]。该电路的一种创新是混频器的双重用途：在接收模式下产生L波段IF信号，并在发射模式下作为开关保护接收器[70]。混频器输出之后是林肯实验室开发的两级低噪声中频放大器，该放大器使用由高介电介质五氧化二钽制造的极低损耗平面耦合电容器[71]。

除了制造图15中所示的双功能混频器外，实验室还制造了混频器-前置放大器单片芯片，首次在同一芯片上成功地组合了两个不同的有源微波器件。这些器件包括一个毫米波肖特基二极管混频器，后跟一个工作频率为1.0至2.0 GHz的MESFET IF放大器。发射器链中包含一个 17 GHz MESFET 驱动放大器、一个使用肖特基二极管的低损耗移相器和一个 17 GHz FET 功率放大器，用于驱动倍增器以产生 34 GHz 的输出功率 [72]。单片倍增器[73]是嵌入芯片上匹配电路中的平面串联变容二极管。它们在K 波段频率下产生的输出大于100毫瓦，效率为35%[74]。由于在20世纪70年代末和80年代初，MESFET放大器的截止频率无法在毫米波频率下工作，还设计了从17 GHz（Ku频段，12.0至18.0 GHz）到34 GHz（Ka频段）的频率倍增策略。

全固态UHF陆基雷达又名为PAVE PAWS，采用混合技术制造，并且获得了成功。其他军事防御雷达的设计，如可靠先进固态雷达（RASSR）和固态相位Ar射线（SSPA）[56]，都是基于类似的固态混合技术。然而，研究人员最终意识到，使用混合电路制造的大规模固态相控阵雷达需要大量的分立元件和相关的引线键合，与单片技术的前景相比，成本过高且可靠性低下。因此，相控阵研究工作转向了在通用半导体衬底上创建的器件组成的完全集成电路的开发和部署[57]。

被认为最有前景的基底材料是砷化镓，主要是因为它具有高载流子迁移率，因此适用于高频系统，特别是在微波（1至30 GHz）和毫米波（30至300 GHz）频率范围内。最高的可用频率和相应的最短波长对于在目标跟踪中形成高分辨率的窄光束至关重要，而较低的频率则更有可能满足高发射机功率的要求，有利于监视和搜索的相关功能。1968年，在德州仪器工作的E.W. Mehal和R.W Wacker [58]以及G.D. Vendelin等人[59]在一项重要的开发工作中，报告了在微波和毫米波频率的砷化镓器件和电路开发方面的初步成功。那些年的另一个重大进展是苏黎世IBM实验室的Bachtold等人报告的砷化镓上的单片低噪声场效应晶体管（FET）微波放大器[60]。

在林肯实验室，Blake和Roger W. Sudbury共同推进了对MMIC相控阵的支持。实验室通过在固态研究部门的微电子小组和实验系统小组之间建立互补关系将这些项目的成果组织起来，微电子小组为材料的开发和改进以及器件制造和测试做出了贡献，实验系统小说为相控阵技术的电路设计做出了贡献。

这些开创性成果的成功取决于许多相互关联的问题的解决。更高的微波或毫米波频率在用于雷达的窄波束、高分辨率跟踪功能方面具有潜在优势，这就对单片晶片用镓-砷化物材料的质量，以及光刻工艺的光学、冶金和化学提出了严格的要求。

制造外延器件层的半绝缘砷化镓基板具有电惰性，允许低插入损耗和紧密间隔的电路元件之间的低耦合损耗。林肯实验室的William E. Courtney对于2.5至36.0 GHz范围内砷化镓复介电常数的详细测量证实了这一关键的介电特性[61]。这些测量结果表明，如果处理得当，该材料实际上并没有一些研究人员担心的频率相关损耗特性。随着器件和电路质量的提高，需要更高的基板性能来实现器件的电气隔离，设想这些器件密集地放置在半导体晶圆上，要防止它们彼此相互作用。林肯实验室[62]演示了这一成果的前期成功，通过质子轰击钝化过程来产生晶体缺陷，从而赋予近本征半导体特性。后来，采用了一种更简单、成本更低的隔离技术，这项技术涉及到对基板的中间区域进行大量掺杂以缩短载流子寿命。

德州仪器（TI）早期对装置开发的投入产生了混合和单片电路，包括平衡混频器，Gunn二极管振荡器和用于毫米波频率接收器应用的倍频器。在这些基本进展之后，各研究小组生产了性能明显改善的平面装置。实验室和工业界的这种进步导致了发展的急剧进步，特别是砷化镓金属半导体场效应晶体管（MESFET），无论是分立形式还是作为单片芯片上的有源器件。Plessey有限公司的R.S. Pengelly和J.A. Turner于1976年首次报告了具有砷化镓MESFET和匹配电路的全单片微波放大器芯片[63]，这一成就导致所有领先的微波研究实验室都迅速参与到了单片电路的进一步开发中。

在1980年的一次发布会上[64]，Courtney等人介绍了单片接收器的问题和潜力，这是固态相控阵概念的核心。实验室为支持新一代相控阵设计的政府机构提供咨询。同时，实验室也在继续开展自己的研究，其目的是：（1）开发适用于军事系统阵列天线发射/接收模块的技术；（2）提高自身的创新和咨询能力。

国防部的Sonny Maynard对于林肯实验室通过超高速集成电路（VHSIC）计划提出的固态电路技术研究提案很感兴趣。在80年代，对单片微波技术发展的主要支持来自Maynard的国防部伙伴Elliot Cohen的努力，以及Blake对研究砷化镓在微波集成电路中的实际用途的大力提倡。Cohen赞助了国防高级研究计划局（DARPA）的微波和毫米波单片集成电路（MIMIC）计划[65]。此计划基于“有源晶片”相控阵的概念，即将具有集成电路相位器和发射/接收功能的阵列作为每个天线元件的组成部分，锁定中心相位和幅度标准。

MIMIC计划保持了早期发展的动力，并鼓励微波行业建造大型砷化镓加工设施，这些设施现在仍然用于制造相控阵和电信模块。MIMIC计划的目标包括开发批量生产技术，来生产大直径高质量的基板，适合商业生产高功率或低噪声优化的MESFET；开发计算机辅助设备和电路设计程序（当时仍处于起步阶段的强大学科）；并证明单片电路可以在适合且负担得起的电路中找到适用方法，以便广泛用于军事系统。

林肯实验室在BMDATC的支持下深入参与了这项开发技术。实验室计划继续向对新技术各个方面进行资助的政府机构提供咨询，同时通过开发毫米波发射/接收模块的技术，特别是导弹上的Ka波段（26.5至40 GHz）相控阵导引头，加强实验室在该领域的专门知识。

林肯实验室在MIMIC计划中提议开发的Ka波段模块是一个单极化发射/接收模块，在34 GHz的毫米波范围内平均输出功率约为100 mW。1978年，林肯实验室的R.W. Laton等人[66]和Sudbury [67]对这种雷达和组件开发的系统注意事项进行了审查。图15显示了Ka波段传输/接收模块的配置，还包括截至1985年的组件芯片图示[68，57]。接收器部分基于平衡混频器/外差配置中的平面肖特基势垒二极管[69]。该电路的一种创新是混频器的双重用途：在接收模式下产生L波段IF信号，并在发射模式下作为开关保护接收器[70]。混频器输出之后是林肯实验室开发的两级低噪声中频放大器，该放大器使用由高介电介质五氧化二钽制造的极低损耗平面耦合电容器[71]。

除了制造图15中所示的双功能混频器外，实验室还制造了混频器-前置放大器单片芯片，首次在同一芯片上成功地组合了两个不同的有源微波器件。这些器件包括一个毫米波肖特基二极管混频器，后跟一个工作频率为1.0至2.0 GHz的MESFET IF放大器。发射器链中包含一个 17 GHz MESFET 驱动放大器、一个使用肖特基二极管的低损耗移相器和一个 17 GHz FET 功率放大器，用于驱动倍增器以产生 34 GHz 的输出功率 [72]。单片倍增器[73]是嵌入芯片上匹配电路中的平面串联变容二极管。它们在K 波段频率下产生的输出大于100毫瓦，效率为35%[74]。由于在20世纪70年代末和80年代初，MESFET放大器的截止频率无法在毫米波频率下工作，还设计了从17 GHz（Ku频段，12.0至18.0 GHz）到34 GHz（Ka频段）的频率倍增策略。

 

Frequency doubler FET power amplifier Phase shifter To antenna 34 GHz Transmit/receive Local oscillator Power amplifier Low-noise amplifier From voltage-controlled oscillator (17 GHz) IF (1–2 GHz) Dual-function mixer and transmit/receive switch Low-noise IF amplifier

倍频器 FET放大器 移相器 到天线 34 GHz 发送/接收 本振 功率放大器 低噪声放大器 来自压控振荡器 （17 GHz） 中频 （1–2 GHz） 双功能混频器和发送/接收开关 低噪声IF放大器

 

图 ：砷化镓有源元件发射/接收电路的组件芯片的模块配置和组织。发射侧包括相位控制和17 GHz的场效应晶体管（FET）功率放大，以及倍频器。在接收侧，双单元包含一个发射/接收开关和一个混频器，可在 1 至 2 GHz 下产生中频（IF）。此双单元后面是一个低噪声输出放大器。

到 1990 年，微波频率的有源固态器件已经非常普及，日常开发用于汽车仪表和民用通信等商业应用的MMIC，以及用于大型相控阵的有源发射/接收模块。砷化镓MMIC发射/接收模块技术用于雷神公司建造的X波段（8.0至12.0 GHz）战区导弹防御相控阵雷达系统[54]。在90年代的十年中，砷化镓单片集成电路在许多领域得到广泛应用，包括雷达、全球定位系统（GPS）、直接卫星广播接收器和商业无线电话。

阵列校准和测试

相控阵天线需要精确校准其发射/接收通道的多重性，使雷达主波束能够指向正确的方向，并控制雷达天线的旁瓣电平。在实际应用中，通过通道的相移通常会受到温度和电子漂移的影响，因此需要对现场雷达系统进行校准的方法。林肯实验室开创了几种相控阵校准和辐射图测量技术[75-80]。

 

Relative gain (dB) Azimuth (deg) Absolute gain (dBi) Measured Theory

相对增益（分贝） 方位角（度） 绝对增益（分贝） 测量 理论

 

图 ： L波段三十二元单极相控阵天线的低旁瓣辐射图。测得的平均旁瓣电平为–50 dB，接近–52.6 dB的平均理论旁瓣电平。

如H.M. Aumann等人的一篇论文中所述（本文获得了1990年IEEE天线和传播协会的最佳应用奖）[75]，包含数千个发射/接收通道的机载和天基相控阵需要机载技术进行飞行中校准，其中一种校准技术涉及使用固有的阵列互耦在阵列中的元件对之间发送和接收信号。阵列中所有元件对之间的测量信号可以完整地表征阵列波束成形器中每个通道的相对幅度和相位响应。因此，可以对通道移相器和衰减器进行校准（如图13所示），从而在整个阵列孔径上生成任何所需的相位/幅度分布。此外，人们还发现，一旦将所需的相位和幅度分布应用于阵列，第二系列的互耦测量就可以测量相控阵辐射图。使用图8所示的单极相控阵天线对互耦校准技术进行了实验验证。与传统的远场测量技术相比，已证明这种校准技术是测量一维和二维阵列辐射图的一种快速准确的方法。

实验室探索了校准和测试低旁瓣相控阵的各种其他方法。例如，使用自适应清零技术来校准实验测试阵列[76]。还开发了对阵列辐射元件模式[77]和失效辐射元件[78]的变化影响进行补偿的方法。实验室还探索了天线反应区域（极近近场）的平面近场校准和测试，以准确测量低旁瓣辐射方向图[79]。图16显示了使用反应区近场扫描方法测量的典型低旁瓣单极相控阵辐射图。测得的平均旁瓣电平为-50 dB，接近理论值。如Muehe和Labitt在本期文章中所述，天基雷达或机载雷达可以使用多个位移相位中心来消除杂波。实验室还演示了一种用于测量位移相位中心天线杂波消除性能的近场扫描方法[80]。

上述相控阵测试技术通常仅限于非实时操作。然而，在许多情况下，需要在包括雷达目标、杂波和干扰在内的模拟实时条件下，在现场或部署之前测试雷达系统。其中一些雷达可以具有约在五到二十米之间大孔径。通常，雷达在辐射波前近似平面的远场条件下工作。由于在远场条件下测试这些雷达天线可能需要几英里长的范围，因此需要可以替代的短程测试。林肯实验室开发了一种用于天基雷达应用中相控阵天线评估的近场地面测试设施[81]。该设施由一栋内墙覆盖有辐射吸收材料的大型建筑物组成，能够在约为一个孔径直径的测试距离内对相控阵雷达能力进行全面实时测试。如图17所示，该测试设施提供了实施实验室开发的许多新型测试程序的能力，可用于测量长达约12米的天线的雷达系统性能。

从理论上分析，用于测试自适应相控阵干扰器抑制的实时性能聚焦近场方法，可用于单相心天线[82]和多相心天线用于杂波和干扰器抑制以及目标检测[83]。用于抑制干扰器的聚焦近场调零技术在单相中心阵列天线上得到了实验验证[84]。聚焦近场自适应清零测试技术也被发现可用于医学[85]。

总结

当前用于许多地面和机载雷达的各种相控阵正在逐渐实现20世纪50年代电子波束控制的梦想。相控阵越来越多地被预期作为应对军事和民用系统未来挑战的关键部件。自1958年以来，林肯实验室为国家的相控阵雷达能力做出了重大贡献。实验室开发的技术已在野外作业的许多相控阵雷达中得到应用。实验室正在继续研究光子波束成形、微机电移相器和先进的时空自适应处理阵列等领域的新相控阵技术。

我们预计低成本全固态阵列模块、宽带宽模数转换器和自适应数字波束成形技术的组合将带来巨大的前景，使各种复杂的雷达工作模式和雷达系统成为现实。

在过去的四十年中，林肯实验室有幸在最特别的雷达技术领域开展工作，并成为使电子束控制成为现实的愿景成为广大国家成果的一部分[1]。我们可以断定，相控阵雷达的时代才刚刚开始！

致谢

作者要感谢林肯实验室的Jerald A. Weiss和Roger W. Sudbury对本文的技术贡献。我们还要感谢George Knittel和John Allen对手稿的审阅，以及Chang-Lee Chen，Leonard J. Mahoney和Anand Gopinath为手稿提供的材料。

审核编辑：黄飞