下一代有源相控陣?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)

有源電掃描陣列（AESA）技術(shù)最近的發(fā)展趨勢(shì)正在瞄準(zhǔn)衛(wèi)星和無人機(jī)（UAV）上的新型雷達(dá)有效載荷，這些載荷可以和現(xiàn)代化地面、機(jī)載以及艦載雷達(dá)一起，通過改良的情報(bào)、監(jiān)視、偵查（ISR）系統(tǒng)，幫助軍事決策者應(yīng)對(duì)瞬息萬變的軍事行動(dòng)需求，并更好地把握戰(zhàn)局態(tài)勢(shì)。這些雷達(dá)載荷在尺寸規(guī)模和工作性能方面催生的需求正在逐步被新的架構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)能力所解決，而正是諸如GaN功率放大器（PA）、新型微波單片集成電路（MMIC）、“extreme”MMIC器件、“超越摩爾定律”的異質(zhì)集成、收發(fā)（T/R）模塊成本縮減、新型毫米波硅基集成電路（IC）、光電集成等這些微波和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展使得這一切成為可能。

在這些進(jìn)步的背后是大量逐步發(fā)展的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)，它們?yōu)樵O(shè)計(jì)者在樣機(jī)開發(fā)之前提供了系統(tǒng)架構(gòu)、元件規(guī)格、個(gè)別元件物理設(shè)計(jì)和驗(yàn)證等各方面的支持。本文將對(duì)這些技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論，并通過幾個(gè)例子展示EDA工具的進(jìn)步是如何支撐下一代AESA和相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展的。

1相控陣技術(shù)

AESA雷達(dá)，也被稱作有源相控陣?yán)走_(dá)（APAR），由獨(dú)立輻射陣元（即天線陣元，每個(gè)都帶有一個(gè)包含低噪聲接收機(jī)的固態(tài)T/R模塊）、PA以及增益和相位（或延遲）數(shù)控單元構(gòu)成。陣元輸入信號(hào)的相位和幅度控制為天線波束在俯仰和方位向提供了可控的方向性，這使得雷達(dá)能夠?qū)⑻炀€主瓣“瞄準(zhǔn)”需要的方向。與機(jī)械掃描雷達(dá)不同，相控陣?yán)走_(dá)能夠在空間上幾乎無延時(shí)地輪換模式，模塊收發(fā)增益和時(shí)序的數(shù)字化控制造就了具備波束指向敏捷、雷達(dá)模式交叉和極低副瓣性能的天線，相對(duì)于無源電掃描陣列（ESA）和機(jī)械掃描雷達(dá)來說，這極大地降低了天線雷達(dá)的特征。波束寬度依賴于陣列中陣元的數(shù)量，通過增加陣元（或傳感器）數(shù)量，波束能夠變窄，并且更加有效地對(duì)小目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。如今的AESA雷達(dá)通常由成千上萬的陣元組成，這些陣元通過日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)相互連接，從而達(dá)到小尺寸、低重量和高性能（即低損耗）的目的。

當(dāng)RF頻率在10GHz以下時(shí)，其波長(zhǎng)會(huì)使得天線尺寸和間距增大，RF、中頻（IF）和基帶信號(hào)的布線通過印制電路板（PCB）上的分立元件和現(xiàn)貨供應(yīng)的MMIC就能解決，信號(hào)路徑過長(zhǎng)帶來的影響會(huì)被PCB在這些頻點(diǎn)較低的損耗所抵消，而且鑒于相對(duì)靈活的封裝需求，天線接口可以認(rèn)為和IC單元無關(guān)。但是，在毫米波頻段（即30GHz以上），物理上小的天線間距（~λ/2< 5 mm）、封裝損耗和包括阻抗控制、多層封裝互聯(lián)在內(nèi)的工藝挑戰(zhàn)使得高功能度和精密集成的IC更加具有吸引力，這些高頻信號(hào)的復(fù)雜封裝和布局設(shè)計(jì)必須依賴于針對(duì)RF和毫米波電子器件的電路仿真和電磁分析。

雖然有源相控陣天線具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但卻極其復(fù)雜，其一次性開發(fā)和制造的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通天線設(shè)計(jì)，這是因?yàn)槊總€(gè)制造單元中成百上千的有源電子模塊（如圖1所示）經(jīng)常都是基于定制化的GaAsMMIC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的（通常每個(gè)系統(tǒng)5-10種設(shè)計(jì)）。

圖1 AN/APG-80 F-16 AESA雷達(dá)陣元局部視圖

2日益增長(zhǎng)的集成度

GaAs MMIC技術(shù)最初由美國(guó)國(guó)防部（DoD）在上世紀(jì)八九十年代資助和開發(fā)，它是制造10~20GHz密集封裝（截面尺寸<1cm）T/R模塊的唯一可行選擇，強(qiáng)大的仿真軟件和廉價(jià)的計(jì)算資源促進(jìn)了MMIC設(shè)計(jì)的進(jìn)步，這使得工程師能夠設(shè)計(jì)具備更高精度的復(fù)雜電路，開發(fā)通用RF模塊庫(kù)。早期MMIC的發(fā)展解決了一些挑戰(zhàn)，如組合幾十上百個(gè)有源和無源元件（單片GaAs襯底上的三極管、PIN二極管、電阻、電容、電感等），在單片單通道或多通道MMIC上組合低噪聲放大器（LNA）、PA、開關(guān)矩陣和移相器等RF模塊時(shí)集成AESA功能的復(fù)雜性等。如今，基于采用新材料、新器件和先進(jìn)集成技術(shù)的多芯片組件，MMIC正朝著更強(qiáng)大的功能和更高的集成密度發(fā)展。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究項(xiàng)目署（DARPA）微系統(tǒng)技術(shù)辦公室曾經(jīng)資助了兩個(gè)項(xiàng)目用以研究下一代器件集成技術(shù)?！肮杌衔?a target="_blank">半導(dǎo)體材料”（COSMOS）項(xiàng)目致力于發(fā)展新方法將化合物半導(dǎo)體（III-V族化合物）緊密集成到最先進(jìn)的硅基COMS電路中，“多源可用異質(zhì)集成”（DAHI）項(xiàng)目繼續(xù)了這項(xiàng)工作，開發(fā)異質(zhì)集成技術(shù)將使用新興材料和器件的先進(jìn)III-V族器件和高密度硅基CMOS緊密結(jié)合。

集成技術(shù)在過去10年取得了巨大發(fā)展。針對(duì)DARPA的“集成傳感器即結(jié)構(gòu)”（ISIS）項(xiàng)目，2006年佐治亞技術(shù)研究所在單芯片上開發(fā)了一款帶有控制電路的4通道X波段SiGeT/R模塊，平均每個(gè)T/R模塊成本約為10美元；2008年，加利福尼亞圣地亞哥大學(xué)（UCSD）的研究者在性能和集成密度上取得了重大突破，他們?cè)O(shè)計(jì)和演示了第一款SiGeRF波束形成IC：一個(gè)6~18GHz，帶有5比特相位控制和片上8:1復(fù)合器的8單元相控陣接收機(jī)；2009年，UCSD緊接著又研發(fā)了第一款16單元、45~50GHz的相控陣發(fā)射機(jī)；2013年，UCSD報(bào)道了一款110GHz、4*4晶元級(jí)、帶有高效片上天線的相控陣發(fā)射機(jī)，并成功演示了其單芯片解決方案（如圖2所示）。

圖2 110GHz4*4晶元級(jí)相控陣發(fā)射機(jī)

由于相控陣天線正在逐步演變成支持多輻射單元的硅基核心芯片，首選的解決方案通常都是將硅和III-V族前端結(jié)合起來，以滿足需要盡可能最佳性能的應(yīng)用，特別是對(duì)諸如噪聲系數(shù)（NF）和輸出功率等品質(zhì)因數(shù)的需求。GaN正在越來越多地取代GaAs成為高功率或?qū)拵岸瞬牧希瑢?duì)于固定的功率電平，一片GaNMMIC的大小僅有GaAs MMIC的三分之一到四分之一，這足以抵消GaN帶來的高材料成本，GaN晶元成品（包括材料）的成本是GaAs的兩倍，從而GaN解決方案平均每RF瓦特消耗的成本只有GaAs的50~66%。鑒于GaN成本的不斷降低，可以預(yù)見GaAs將在很多應(yīng)用中從相控陣天線里消失。

對(duì)寬禁帶（Wide BandGap，WBG）半導(dǎo)體研究持續(xù)不斷的投入將有望使得“morethan Moore”功率電子器件邁上一個(gè)新臺(tái)階，研究者們正致力于通過將GaN異質(zhì)集成到硅晶元上改進(jìn)GaN技術(shù)，在更大的硅晶元上集成GaN和采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝流程將會(huì)以更低的成本帶來更高的功能和性能，所有這些技術(shù)都需要設(shè)計(jì)者能夠有效理解獨(dú)特技術(shù)和對(duì)整體性能影響之間的均衡。

雖然GaAs MMIC的密度要比競(jìng)爭(zhēng)的硅數(shù)字IC小很多，但高頻設(shè)計(jì)仍需要特別注意互聯(lián)技術(shù)和電磁仿真，這有助于預(yù)測(cè)可能導(dǎo)致性能失效的寄生行為。元件的物理布局和互聯(lián)是RF和微波電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，軟件應(yīng)當(dāng)采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型（UDM）將基于原理圖的電子元件和經(jīng)過電磁（EM）仿真的布局固有地聯(lián)系起來。隨著技術(shù)集成水平的提高，這種分析對(duì)于成功的MMIC開發(fā)至關(guān)重要。

在III-V族材料和Si集成技術(shù)解決下一代相控陣?yán)走_(dá)尺寸和功能需求的同時(shí)，高密度IC同樣對(duì)晶元制造質(zhì)量提出了要求，一百個(gè)晶體管中如果有一個(gè)因?yàn)橹圃烊毕荻霈F(xiàn)問題，那將意味著失去整個(gè)昂貴的模具。所以，微波RF電路的設(shè)計(jì)需要對(duì)元件的布局和互聯(lián)建立RF設(shè)計(jì)規(guī)則，基于成品率和極限條件分析的健壯性設(shè)計(jì)也必須納入到設(shè)計(jì)階段，用于研究制造工藝偏差所帶來的影響。

3仿真工具

系統(tǒng)工程在毫米波頻段硅技術(shù)中扮演著關(guān)鍵角色，由于產(chǎn)業(yè)正朝著高集成、多功能核心芯片方向發(fā)展，RFIC開發(fā)者擁有可以全面檢查架構(gòu)和可用技術(shù)之間協(xié)調(diào)平衡的內(nèi)部專家系統(tǒng)也越來越重要。系統(tǒng)仿真將電路仿真和輻射及信號(hào)處理行為模型聯(lián)系起來，它使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠?yàn)閼?yīng)用選擇最佳的單片工藝，并確定早期架構(gòu)定義和元件規(guī)范。

高層次系統(tǒng)工具無法準(zhǔn)確對(duì)大量單獨(dú)定義的內(nèi)部連接通路行為進(jìn)行準(zhǔn)確建模是導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗和高開發(fā)成本的一個(gè)原因，部分或完整地實(shí)際建造相控陣系統(tǒng)來研究這些不可預(yù)見的內(nèi)部行為代價(jià)高昂，因?yàn)樾枰獙?shí)現(xiàn)大量通路并對(duì)其行為特征進(jìn)行測(cè)試，而且隨著天線陣列和波束指向控制電路集成度的提高，這個(gè)挑戰(zhàn)將日益嚴(yán)峻。

由于設(shè)計(jì)過程中的制造和測(cè)試迭代成本過高，開發(fā)往往只局限于第一或第二階段一個(gè)概念性驗(yàn)證展示的原理樣機(jī)。與規(guī)格的不符將導(dǎo)致整個(gè)天線/電子系統(tǒng)難以接受的設(shè)計(jì)和測(cè)試迭代次數(shù)，這使得包含整個(gè)系統(tǒng)的仿真成為必要。考慮到相控陣的性能不僅單純?nèi)Q于天線和微波電子器件的行為，仿真必要抓住它們的組合行為以便準(zhǔn)確對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

雖然應(yīng)用于單獨(dú)電路方面的EDA工具已經(jīng)非常成熟，但將整體系統(tǒng)性能看作是所構(gòu)成分系統(tǒng)的函數(shù)，并采用這些工具對(duì)其進(jìn)行評(píng)估的做法仍不常見。高層次的系統(tǒng)分析通常都是通過電子數(shù)據(jù)表格（如Excel）或基于MATLAB這類產(chǎn)品的一般數(shù)學(xué)計(jì)算來完成的，這些個(gè)性化方法的復(fù)雜程度往往每個(gè)公司都不一樣，甚至同一個(gè)公司里不同項(xiàng)目之間也千差萬別，這些個(gè)性化工具一般只適用于定義基礎(chǔ)分系統(tǒng)（如MMIC、天線、RF無源和控制單元）的性能需求。

更健壯的分析方法應(yīng)當(dāng)將相控陣系統(tǒng)中每個(gè)分立組件的性能度量都結(jié)合起來，并提供一個(gè)對(duì)高層系統(tǒng)性能更加準(zhǔn)確的評(píng)估。一開始，這種分析可以用來指定整個(gè)系統(tǒng)的元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和單獨(dú)分系統(tǒng)的性能需求，當(dāng)有了更加詳盡的分系統(tǒng)模型后，將其整合到全系統(tǒng)的分析中，從而獲得對(duì)于整體系統(tǒng)性能的更好把握。

系統(tǒng)仿真允許設(shè)計(jì)者：在很大的功率和頻點(diǎn)范圍上評(píng)估陣列性能；執(zhí)行各種預(yù)算分析測(cè)量，如級(jí)聯(lián)增益、NF、輸出功率（如P1dB）、增益與噪聲溫度比（G/T）；通過成品率分析評(píng)估缺陷和硬件損傷敏感性；使用相控陣全模型進(jìn)行端對(duì)端系統(tǒng)仿真。

參數(shù)分析使得設(shè)計(jì)者能夠有效研究系統(tǒng)變化以便平衡成本和性能，參數(shù)分析的例子有T/R模塊規(guī)格、移相器分辨率（即比特位數(shù)）和誤差、組合器和分頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、阻性和抗性振幅形成、天線單元數(shù)量和間距等。

4基于VSS的相控陣分析

作為本方法的例子，針對(duì)AESA的全系統(tǒng)分析能力已經(jīng)被添加到“虛擬系統(tǒng)仿真器”（VSS）軟件中，該仿真器運(yùn)行在國(guó)家儀器（NI）的AWR設(shè)計(jì)環(huán)境平臺(tái)上，它將系統(tǒng)性能看作是受波束方向、天線設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)電子波束掃描的有源無源電路單元等因素所影響的函數(shù)。當(dāng)前的VSS版本能夠?qū)哂猩锨€(gè)天線單元的相控陣進(jìn)行建模，支持各種標(biāo)準(zhǔn)和定制幾何布局的陣列配置。此前，軟件中相控陣基于基本獨(dú)立模塊實(shí)現(xiàn)，其規(guī)模限制在幾百個(gè)陣元左右，每個(gè)陣元都被建模成一個(gè)輸入或輸出模塊；現(xiàn)在，相控陣的行為可以方便地通過參數(shù)對(duì)話框或包含配置參數(shù)的數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)，這些參數(shù)包括增益和相位偏移、入射的俯仰和方位角、X和Y向位置（絕對(duì)長(zhǎng)度或以波長(zhǎng)為單位）以及信號(hào)頻率等。相控陣模型既能夠設(shè)置為發(fā)射也能設(shè)置為接收，在發(fā)射模式，激勵(lì)每個(gè)陣元的信號(hào)功率基于用戶定義的設(shè)置進(jìn)行計(jì)算，包括：無損，所有陣元以輸入信號(hào)功率進(jìn)行激勵(lì)；功分，輸入信號(hào)功率在陣元之間均勻分配；壓分，輸入信號(hào)電壓在陣元之間均勻分配。

基于增益錐削的幅度激勵(lì)通常被用來控制波束形狀和減小副瓣，一些常用的增益錐削已經(jīng)在相控陣模塊中實(shí)現(xiàn)，其系數(shù)處理決定了加權(quán)是否是歸一化的，如果是，錐削會(huì)歸一化到單位增益。相控陣模型中的標(biāo)準(zhǔn)增益錐削包括切比雪夫錐削、泰勒錐削和均勻錐削，用戶也可以通過指定每個(gè)陣元的增益和相位來實(shí)現(xiàn)定制化的錐削方式（如圖3所示）。

圖3用于波束形成、指向和副瓣控制的增益及相位錐削

除了各種信號(hào)分布電路和對(duì)頻率相關(guān)操作的支持以外，模型還允許用戶對(duì)由制造缺陷或單元失效引起的陣列瑕疵進(jìn)行仿真。所有的增益和相位計(jì)算都在內(nèi)部進(jìn)行，用戶還可以調(diào)用成品率仿真來評(píng)估模塊對(duì)任意定義的相控陣參數(shù)方差的敏感性。

圖4網(wǎng)格（a）和圓環(huán)（b）相控陣布局

參數(shù)對(duì)話框允許用戶快速通過標(biāo)準(zhǔn)或自定義的幾何布局來設(shè)計(jì)天線整列架構(gòu)。網(wǎng)格選項(xiàng)（如圖4a所示）中相控陣成網(wǎng)格分布，其布局通過X和Y軸向陣元數(shù)量（NX和NY）、軸間陣元距離（dx和dy）以及軸之間的夾角（γ）來配置，γ可以取任意正值，γ= 90°即為矩陣網(wǎng)格，γ = 60°即為三角網(wǎng)格。環(huán)形選項(xiàng)（如圖4b所示）將相控陣配置成一個(gè)或多個(gè)同心圓，每個(gè)同心圓上的陣元數(shù)量和圓的半徑可以通過變量NC和R定義成向量形式。同樣的，用戶自定義選擇可以通過設(shè)置陣元數(shù)量N和各自的X、Y向位置實(shí)現(xiàn)定制陣列架構(gòu)。

設(shè)計(jì)者可以為相控陣中的每個(gè)天線陣元定義增益或全向輻射模式，這使得他們可以為內(nèi)部、邊緣和角上的陣元選擇不同的輻射模式，這些模式能夠在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到，或者通過電磁仿真器進(jìn)行計(jì)算，如用于平面電磁分析的AXIEM和3D有限元方法（FEM）分析的Analyst，這些都是NIAWR軟件自帶的仿真器。一種簡(jiǎn)單的方法是采用3*3的相控陣并激勵(lì)其中一個(gè)陣元——內(nèi)部陣元，或一個(gè)邊緣陣元，或一個(gè)角上陣元——并關(guān)閉其它陣元，從而分別得到內(nèi)部、邊緣和角上陣元的輻射模式，這些模式都可以通過使用NIAWR軟件的輸出數(shù)據(jù)文件功能進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)。上述方法考慮到了一階近鄰陣元的相互耦合作用，如果要擴(kuò)展到二階近鄰，可以采用5*5的陣列進(jìn)行仿真。

VSS的另一個(gè)特點(diǎn)是可以對(duì)相控陣中獨(dú)立陣元之間的RF連接進(jìn)行建模，這是一個(gè)非常重要的功能，因?yàn)镽F連接并非理想，它會(huì)導(dǎo)致陣列行為嚴(yán)重偏離理想情況。舉個(gè)例子，相控陣中經(jīng)常用到增益加權(quán)，但是，對(duì)于所有陣元都采用一樣的RF連接可能會(huì)導(dǎo)致某些特定的陣元（具有更高增益的陣元）工作在抑制區(qū)或其附近，而其他工作在線性區(qū)，陣列性能將受到陣元工作靠近抑制區(qū)程度的影響。反之，如果設(shè)計(jì)者根據(jù)所使用的增益加權(quán)模式，針對(duì)不同陣元選擇不同的RF連接，雖然會(huì)更加復(fù)雜，但能夠帶來更加有效的相控陣設(shè)計(jì)，而VSS建模就允許設(shè)計(jì)者做到這一點(diǎn)。

5結(jié)束語

隨著陣元數(shù)量和含電子器件天線集成度的提高，對(duì)獨(dú)立元件以及整個(gè)AESA雷達(dá)信號(hào)通路性能進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的能力變得不可或缺，通過使用集電路仿真、系統(tǒng)級(jí)行為建模和電磁分析于一體的設(shè)計(jì)平臺(tái)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以在昂貴的樣機(jī)研發(fā)之前對(duì)系統(tǒng)性能和元件之間的相互作用進(jìn)行研究，能夠預(yù)測(cè)性能并修改RF設(shè)計(jì)以便滿足需求正是VSS建模功能所提供的能力之一。