有源相控陣?yán)走_(dá)天線技術(shù)揭秘

環(huán)形器用于發(fā)射和接收通道間的雙向作用和隔離，防止波束掃描期間天線單元輸入阻抗的變化，引起功率放大器的負(fù)載波動(dòng)。接收通道由限制器、低噪聲放大器、移相器和可變放大器或衰減器組成。該模塊結(jié)構(gòu)可以選擇最佳的模塊噪聲系數(shù)、三階截點(diǎn)和動(dòng)態(tài)范圍。?

T/R模塊通常也嵌入電壓調(diào)節(jié)和數(shù)字控制電路。本地儲(chǔ)量可用于維持發(fā)射脈沖現(xiàn)有的狀態(tài)，滿足上升時(shí)間要求。此外，串聯(lián)穩(wěn)壓器可調(diào)節(jié)一部分或所有內(nèi)部電壓，使電源紋波和噪音減小到可控水平，滿足日益嚴(yán)格的頻譜純度需求。

T/R模塊需求源于相控陣天線需求，根據(jù)用途不同有顯著差異。T/R模塊通常有以下重要參數(shù)：

?工作頻率和帶寬 ?輸出功率 ?功率附加效率 ?雜散和諧波輸出 ?工作周期和脈沖特性 ?接收噪聲圖 ?接收增益和三階交調(diào) ?振幅和相位的數(shù)值 ?振幅和相位均方根誤差 ?平均故障間隔時(shí)間(MTBF)

?成本

系統(tǒng)用途決定了頻率、帶寬和輸出功率。一種典型的X波段組件的額定輸出功率為10瓦左右，采用了商用微波單片集成電路。通常低頻段工作時(shí)功率大。功率附加效率是可以將有源相控陣基本功率需求和冷凝負(fù)荷降到最低的一個(gè)重要參數(shù)。取決于采用的技術(shù)，發(fā)射功率附加效率通?？梢赃_(dá)到20到25%。

低噪聲放大器微波單片集成電路在微波環(huán)境下的噪聲系數(shù)一般在1-2dB范圍內(nèi)。加上損耗和其他影響，模塊噪聲系數(shù)通常在3-4dB范圍內(nèi)。模塊在低副瓣工作時(shí)，需要進(jìn)行更多數(shù)量的相位控制以減少振幅和相位均方根誤差。

因?yàn)橛性聪嗫仃囍杏写罅縏/R模塊，因此模塊的制作費(fèi)用對(duì)有源相控陣可購(gòu)性而言非常重要。模塊的制作費(fèi)用隨性能、設(shè)計(jì)復(fù)雜度、生產(chǎn)數(shù)量和其他因素的不同而有所不同。

有源相控陣天線設(shè)計(jì)的核心是T/R組件。T/R組件設(shè)計(jì)考慮的主要因素有：不同形式集成電路的個(gè)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(shí)，輻射單元陣列形式的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。

理想情況下，所有模塊的電路需要集成到一個(gè)芯片上，在過(guò)去的幾十年，大家也都在為這個(gè)目標(biāo)而努力。然而，由于系統(tǒng)對(duì)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(guò)混合的微電路進(jìn)行連接，如圖所示。

一個(gè)T/R模塊的基本芯片設(shè)置包括了3個(gè)MMICs組件和1個(gè)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(hào)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(gè)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(jì)。未來(lái)T/R組件的發(fā)展方向是基于GaN和SiGe的設(shè)計(jì)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(cè)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(lái)低成本、低功率密度雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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(gè)TR組件的輸出功率、T/R組件的個(gè)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(duì)應(yīng)的輸出功率也就越大。

在高功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)天線陣列實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)當(dāng)峰值功率確定后，所需要的最少T/R組件個(gè)數(shù)也隨之確定。

雷達(dá)系統(tǒng)TR組件設(shè)計(jì)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(cè)性能且T/R組件個(gè)數(shù)相同，對(duì)于4m2口徑天線，假定每個(gè)T/R組件的輸出功率為P，那么對(duì)于2m2口徑天線，每個(gè)T/R組件的輸出功率為2P，如圖所示。

通常，雷達(dá)系統(tǒng)采用一個(gè)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(dòng)。由于每個(gè)T/R組件的電壓較低且電流較高，因此需要對(duì)輸入功率進(jìn)行適應(yīng)性的濾波。

接收噪聲系數(shù)是有源ESA天線關(guān)注的一個(gè)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(gè)模塊的，包括LNA的噪聲系數(shù)以及前級(jí)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。

幅度和相位控制的精度是與雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)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(zhǎng)，同時(shí)提升幅度和相位控制的范圍以實(shí)現(xiàn)對(duì)真?zhèn)€天線陣列的加權(quán)，且需要對(duì)幅度和相位的誤差進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

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

通常情況下，每個(gè)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(duì)于有天線RCS有縮減要求時(shí)，天線陣面的變形后會(huì)引起隨機(jī)散射增強(qiáng)，且該影響無(wú)法進(jìn)行消除。

每個(gè)T/R模塊通常安裝在有散熱板的背板上，以便及時(shí)將T/R組件產(chǎn)生的熱量散發(fā)。對(duì)于每個(gè)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(jiàn)的布局方式是采用磚塊式(stick)布局，如圖所示。

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(gè)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(gè)TR電路。T/R組件中電路產(chǎn)生的熱量通過(guò)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(hào)、射頻信號(hào)的耦合縫隙等，如圖所示。

對(duì)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(jí)布局。當(dāng)天線采用子陣級(jí)布局方式后，整個(gè)相控陣天線的生產(chǎn)加工成本會(huì)大幅降低，且通過(guò)調(diào)整每個(gè)子陣后端的移相器形成模擬波束掃描能力。

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

審核編輯：黃飛