相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的開(kāi)發(fā)方案

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

■ 林肯實(shí)驗(yàn)室自20世紀(jì)50年代后期以來(lái)一直參與相控陣雷達(dá)技術(shù)的開(kāi)發(fā)展。雷達(dá)研究活動(dòng)包括理論分析、應(yīng)用研究、硬件設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和系統(tǒng)測(cè)試。早期相控陣研究的重點(diǎn)是提高國(guó)家相控陣?yán)走_(dá)的能力。該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了幾種試驗(yàn)臺(tái)相控陣，用于演示和評(píng)估組件、波束成形技術(shù)、校準(zhǔn)和測(cè)試方法。

林肯實(shí)驗(yàn)室還在相控陣天線輻射元件、移相器技術(shù)、固態(tài)發(fā)射和接收模塊以及單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。從這項(xiàng)研究中產(chǎn)生了許多發(fā)展中的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。還開(kāi)發(fā)了各種各樣的加工技術(shù)和系統(tǒng)組件。本文概述了相控陣?yán)走_(dá)研究活動(dòng)四十多年來(lái)的概況。

在1958年左右開(kāi)始開(kāi)發(fā)相控陣?yán)走_(dá)時(shí)，陣列天線的概念已經(jīng)不是什么新鮮事物了。早期的無(wú)線電發(fā)射機(jī)和第二次世界大戰(zhàn)早期的雷達(dá)使用多個(gè)輻射元件來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的天線輻射方向圖。陸軍的“彈簧天線”陣列就是早期陣列雷達(dá)的一個(gè)例子，在20世紀(jì)40年代中期首次從月球反射雷達(dá)信號(hào)。20世紀(jì)50年代的一項(xiàng)新倡議導(dǎo)致單個(gè)陣列天線元件使用快速電子相位，通過(guò)電子設(shè)備的靈活性和速度來(lái)控制雷達(dá)波束，而不是使用緩慢且笨拙的機(jī)械轉(zhuǎn)向。許多工業(yè)公司、政府實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都參與了電子波束控制方法的開(kāi)發(fā)。事實(shí)上，在20世紀(jì)50年代，這一研究領(lǐng)域可以被形容為“上千種操縱雷達(dá)波束的方法”。對(duì)于從20世紀(jì)50年代到現(xiàn)在，?Bert Fowler寫(xiě)下了許多有趣的回憶[1]。

當(dāng)時(shí)許多懷疑論者認(rèn)為，哪怕是在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，都無(wú)法建成可行且價(jià)格合理的陣列雷達(dá)，具有數(shù)千個(gè)陣列元件且所有陣列元件都能夠以緊密協(xié)調(diào)的相位相干性運(yùn)作?，F(xiàn)在回想起來(lái)，狂熱者和懷疑論者都是對(duì)的。電子波束移動(dòng)的夢(mèng)想是可以實(shí)現(xiàn)的，但實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想需要很長(zhǎng)時(shí)間，并且仍未完全實(shí)現(xiàn)——我們?nèi)匀恍枰档拖嗫仃嚴(yán)走_(dá)的成本。然而，現(xiàn)代固態(tài)相控陣的進(jìn)展無(wú)疑令我們感到鼓舞。

開(kāi)端

林肯實(shí)驗(yàn)室于1958年左右在無(wú)線電物理部門(mén)的特種雷達(dá)組開(kāi)始從事相控陣?yán)走_(dá)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。最初的應(yīng)用是衛(wèi)星監(jiān)視，在1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星（人造衛(wèi)星一號(hào)）后，國(guó)家對(duì)這項(xiàng)工作很有興趣。該實(shí)驗(yàn)室富有遠(yuǎn)見(jiàn)的雷達(dá)專(zhuān)家Herbert G. Weiss的領(lǐng)導(dǎo)下，在磨石山雷達(dá)的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。當(dāng)時(shí)，磨石山雷達(dá)是世界上為數(shù)不多的具有衛(wèi)星探測(cè)和跟蹤能力的雷達(dá)儀器之一。Weiss和美國(guó)空軍的其他人都預(yù)見(jiàn)到，美國(guó)很快就會(huì)需要探測(cè)所有經(jīng)過(guò)其領(lǐng)土的衛(wèi)星的能力。完成這項(xiàng)任務(wù)所需的雷達(dá)監(jiān)視量顯然是龐大的，這意味著需要雷達(dá)具有大功率、天線孔徑和波束敏捷性。?

解決這個(gè)監(jiān)視問(wèn)題的一種方法是建立一個(gè)由大約5000 個(gè)UHF元件組成的大型平面陣列。Weiss的直覺(jué)告訴他，國(guó)家還沒(méi)有能力生產(chǎn)使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)帶有五個(gè)發(fā)射器和接收器雷達(dá)的可靠低成本組件。然而，國(guó)家確實(shí)在磨石山雷達(dá)發(fā)射器中安裝了一些大型UHF速調(diào)管（2.5-MW峰值功率，100-kW平均功率），此類(lèi)速調(diào)管可以被納入各種相控陣?yán)走_(dá)。因此，他們開(kāi)始搜索各種使用一些大型速調(diào)管的混合機(jī)械掃描和電子掃描天線陣列配置。

圖1是最受歡迎的混合概念的圖紙，其特點(diǎn)是高140英尺，長(zhǎng)620英尺的圓柱形接收器反射器[2]。三個(gè)旋轉(zhuǎn)的垂直線性陣列形成多個(gè)仰角接收波束，這些波束在圓柱形反射器上進(jìn)行機(jī)械掃描。速調(diào)管發(fā)射器耦合到三個(gè)水平線性陣列，這些陣列不使用反射器，也不進(jìn)行電子掃描。它們以仰角形成扇形波束，由于大型中心輪轂中的機(jī)械驅(qū)動(dòng)，此扇形波束可以掃描到天空的大部分區(qū)域（因此這臺(tái)巨大的機(jī)器得到了一個(gè)不敬的綽號(hào)“中心變種機(jī)”）。一組900-MHz速調(diào)管的平均功率輸出為一兆瓦。這種混合陣列概念具有強(qiáng)大的功率、出色的接收孔徑和快速的廣角掃描能力。其配置適用于測(cè)量巨大的空間，因此一個(gè)裝置可以探測(cè)到所有經(jīng)過(guò)美國(guó)上空的衛(wèi)星，軌道高度最高可達(dá)三千海里。?

在開(kāi)發(fā)工作開(kāi)始時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)是找到為接收機(jī)構(gòu)建長(zhǎng)線性相控陣的有效方法。他們研究了各種波束成形方案，包括中頻波束成形器（可以容忍高損耗）、射頻（RF）二極管開(kāi)關(guān)移相器（需要保持非常低的損耗）和RF多波束成形器。

有批評(píng)者認(rèn)為，這種混合電子掃描/機(jī)械掃描方法只能在掃描時(shí)跟蹤衛(wèi)星，并且無(wú)法在其限制垂直搜索窗口之外跟蹤高關(guān)注度衛(wèi)星。國(guó)家似乎贊成五千個(gè)元件的全相控陣方法，美國(guó)空軍在本迪克斯公司的電子掃描陣列雷達(dá)(ESAR)上的重大成就鼓勵(lì)了這一選擇。另外，在那個(gè)時(shí)代，國(guó)防界的許多工程師非常希望國(guó)家能夠建造完整的平面相控陣?yán)走_(dá)。

國(guó)家對(duì)彈道導(dǎo)彈防御興趣的增加使每個(gè)人的注意力都轉(zhuǎn)向了平面相控陣，由于主動(dòng)導(dǎo)彈防御的挑戰(zhàn)和復(fù)雜性需要雷達(dá)業(yè)界能獲取的每一束波束都具備敏捷性、靈活性、功率孔徑和廣角掃描。因此，對(duì)線性陣列的興趣逐漸消退 - 平面陣列是需要的 - 但距離實(shí)現(xiàn)負(fù)擔(dān)得起的平面相控陣，這個(gè)國(guó)家還有很長(zhǎng)的路要走。

早年經(jīng)歷

到1959年，已經(jīng)圍繞著有遠(yuǎn)見(jiàn)的相控陣專(zhuān)家John L. Allen組建了實(shí)驗(yàn)室特種雷達(dá)小組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)為各種軍事任務(wù)而開(kāi)發(fā)相控陣，其中明顯最需要這種雷達(dá)的是彈道導(dǎo)彈防御。Allen的目標(biāo)是在陣列上開(kāi)展廣泛的開(kāi)發(fā)工作，從陣列理論開(kāi)始，擴(kuò)展到實(shí)際的硬件開(kāi)發(fā)，以提高國(guó)家在相控陣方面的能力，使我們擁有可靠且成本合理的陣列組件，各種波束掃描技術(shù)，以及對(duì)陣列理論的良好理解。這項(xiàng)工作必須具有實(shí)用性，實(shí)驗(yàn)室的努力必須與工業(yè)和政府實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的廣泛陣列研究聯(lián)系起來(lái)并產(chǎn)生影響。?

因此，在1959年，實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了對(duì)理論和硬件新發(fā)展的廣泛研究，在隨后的五年中，相控陣工作在很大程度上起到了與其他研究人員分享見(jiàn)解的知識(shí)開(kāi)放交流作用，也是一個(gè)幫助工業(yè)界嘗試其想法的信息交流中心。實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展記錄在一系列題為“相控陣?yán)走_(dá)研究”的年度報(bào)告中，這些報(bào)告是陣列界的暢銷(xiāo)書(shū)[3-6]。

十六元件測(cè)試陣列

由于強(qiáng)調(diào)將相控陣變成實(shí)用設(shè)備，因此建造了一個(gè)900MHz、十六元件線性陣列固定裝置作為陣列測(cè)試臺(tái)，可以嘗試、測(cè)試和練習(xí)陣列組件，如天線元件、低噪聲放大器、中頻（IF）放大器、混頻器、發(fā)射器和波束成形技術(shù)。陣列測(cè)試臺(tái)安裝為可以觀察拋物面圓柱反射器的饋源，整個(gè)天線結(jié)構(gòu)安裝在旋轉(zhuǎn)基座上，并放置在林肯實(shí)驗(yàn)室C樓屋頂?shù)奶炀€罩中，如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃的前五年中，在這個(gè)十六元件陣列中開(kāi)發(fā)和測(cè)試了各種各樣相控陣接收器和發(fā)射器組件的雛形。

相控陣組件

陣列天線元件的最初實(shí)驗(yàn)是從對(duì)數(shù)周期結(jié)構(gòu)開(kāi)始的，據(jù)報(bào)道，這些結(jié)構(gòu)具有理想的低互耦。然而，早期的實(shí)驗(yàn)表明，偶極振子更適合陣列，隨后的大部分研究都是關(guān)于偶極輻射器的。

用于相控陣接收機(jī)的低噪聲前端放大器是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。研究始于一種被稱為電子束參數(shù)放大器的復(fù)雜電子設(shè)備，是由Zenith Radio 公司的Robert Adler和斯坦福大學(xué)的Glen Wade發(fā)明的。實(shí)驗(yàn)室還研究了更傳統(tǒng)的基于二極管的參數(shù)放大器。由于對(duì)更簡(jiǎn)單、更低成本方法的渴望，出現(xiàn)了對(duì)隧道二極管放大器的研究。隨著場(chǎng)效應(yīng)晶體管的出現(xiàn)，研究最后集中在低噪聲晶體管放大器上。

還開(kāi)發(fā)和測(cè)試了使用中等功率四極管的中頻放大器、混頻器和發(fā)射器，在配置下它們可以適合900 MHz的平面陣列結(jié)構(gòu)。

還有一項(xiàng)主要工作是開(kāi)發(fā)各種電子方式控制雷達(dá)波束。最早的方法之一是使用中頻工作的波束成型器，并且構(gòu)建和測(cè)試了各種方案。還研究了直接使用射頻工作的技術(shù)。當(dāng)時(shí)的一項(xiàng)發(fā)明是Butler波束成形矩陣，桑德斯協(xié)會(huì)的Jesse Butler在1960年左右發(fā)明了這一矩陣后，它在林肯實(shí)驗(yàn)室接受了早期和全面的測(cè)試[7，8]。Butler矩陣的一個(gè)有趣的微妙之處，是它的微波接線圖，它與幾年后成為頭條新聞的快速傅里葉變換的計(jì)算流圖相同?；叵肫饋?lái)，這種相似性并不奇怪，因?yàn)锽utler矩陣確實(shí)是一個(gè)傅里葉轉(zhuǎn)換器[9，10]。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了Butler矩陣的低頻版本，作為雷達(dá)突發(fā)波形式匹配濾波器的傅里葉變壓器。

尋找能夠以電子方式掃描雷達(dá)波束的數(shù)字設(shè)備導(dǎo)致了對(duì)數(shù)字二極管開(kāi)關(guān)微波移相器的重點(diǎn)研究。實(shí)驗(yàn)室在這一領(lǐng)域的研究為開(kāi)發(fā)可行的二極管移相器做出了重大貢獻(xiàn)，這些二極管移相器被應(yīng)用于各種相控陣?yán)走_(dá)。本文的后續(xù)部分將會(huì)介紹二極管移相器工作和相關(guān)鐵氧體移相器的研究。

對(duì)早年的回顧

早期的相控陣研究有一些持久的價(jià)值。首先，實(shí)驗(yàn)室很快就對(duì)這種相控陣新技術(shù)“全身心投入”。這項(xiàng)研究涵蓋了廣泛的前沿技術(shù)，包括理論、硬件、實(shí)驗(yàn)陣列和需要相控陣的軍事問(wèn)題的系統(tǒng)分析。其次，專(zhuān)注于推動(dòng)實(shí)用、低成本、高度可靠的組件，使相控陣成為未來(lái)可行的選擇，這有助于為那個(gè)時(shí)代的相控陣的國(guó)家研究議程定下適當(dāng)?shù)幕{(diào)*。第三，John Allen領(lǐng)導(dǎo)下的林肯實(shí)驗(yàn)室小組在很大程度上是當(dāng)時(shí)工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府工作人員的開(kāi)放沙龍和論壇。通過(guò)這種方式，擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行所進(jìn)行研究的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)驗(yàn)室相控陣?yán)走_(dá)組的十余名研究人員的努力。

隨后的幾年

在接下來(lái)的幾年中，林肯實(shí)驗(yàn)室對(duì)相控陣技術(shù)做出了重大貢獻(xiàn)，包括陣列元件設(shè)計(jì)、移相器、固態(tài)發(fā)射和接收模塊、砷化鎵單片微波集成電路以及陣列校準(zhǔn)和測(cè)試。

陣列元素設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)相控陣的基本困難之一是，陣列一個(gè)元件所發(fā)射微波功率的很大一部分可以被周?chē)年嚵刑炀€元件接收。這種效應(yīng)被稱為陣列互耦，這可能導(dǎo)致發(fā)射或接收的雷達(dá)信號(hào)大量或全部丟失，具體取決于陣列中所有互耦信號(hào)的相干組合。陣列互耦信號(hào)的幅度和相位主要取決于輻射天線元件的形狀、陣列元件之間的間距以及輻射元件的數(shù)量。相控陣有許多不同的設(shè)計(jì)可能性，因?yàn)橛袛?shù)十種不同的輻射陣列元件可供選擇，并且輻射元件的間距和數(shù)量可以根據(jù)掃描要求而變化很大。當(dāng)然，我們需要充分了解所選擇的任何輻射元件的相互耦合方位。因此，實(shí)驗(yàn)室研究了許多不同的陣列元件設(shè)計(jì)，并考慮了交流計(jì)數(shù)互耦效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)室對(duì)陣列天線理論的研究始于1958年，在隨后幾年仍在繼續(xù)。在那個(gè)年代，Allen的早期研究對(duì)陣列天線的理解做出了重大貢獻(xiàn)[12]。重重點(diǎn)是理解和建模陣列相互耦合及其對(duì)陣列性能的影響。如下所述，這項(xiàng)理論和實(shí)驗(yàn)工作在實(shí)驗(yàn)室由Diamond [13]、Diamond 和George H. Knittel [14]、Gerasimos N. Tsandoulas [15—19]以及?Alan J. Fenn [20, 21]繼續(xù)進(jìn)行。

設(shè)計(jì)相控陣的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是滿足掃描體積和帶寬的要求，同時(shí)避免盲點(diǎn)并保持低旁瓣[11，22 - 26]。圖3（a）中顯示了共同饋入相控陣天線的概念，該天線使用移相器以電子方式將雷達(dá)波束引導(dǎo)到掃描扇區(qū)。RF源產(chǎn)生雷達(dá)波形，此波形被劃分為單獨(dú)路徑（又稱為元件通道），每個(gè)路徑包含一個(gè)移相器和放大器。

圖3（b）中顯示了覆蓋掃描扇區(qū)的理想化元件輻射圖，扇區(qū)之外的信號(hào)強(qiáng)度下降。當(dāng)陣列的所有移相器正確對(duì)齊時(shí)，陣列在所需的指向上產(chǎn)生主光束，如圖3（c）所示。通常，共同饋入旨在達(dá)到通道之間串?dāng)_最小。然而，一旦信號(hào)到達(dá)輻射天線元件，就會(huì)產(chǎn)生大量的串?dāng)_（即陣列互耦）。這些互耦信號(hào)的幅度和相位會(huì)嚴(yán)重影響相控陣的性能。

?

?

圖：?相控陣天線的一般概念，通過(guò)電子方式組合元件模式，將雷達(dá)波束指向特定方向。（a） 天線使用移相器引導(dǎo)雷達(dá)波束以電子方式越過(guò)掃描扇區(qū)。射頻（RF）源產(chǎn)生雷達(dá)波形，波形被劃分為稱為元件通道的單獨(dú)路徑，每個(gè)路徑包含一個(gè)移相器和放大器。（b） 來(lái)自單個(gè)天線元件的理想化輻射圖覆蓋掃描扇區(qū)，扇區(qū)之外信號(hào)強(qiáng)度下降。（c） 當(dāng)陣列的所有移相器正確對(duì)齊時(shí)，陣列在所需的指向上產(chǎn)生主光束。

如果陣列元件間距約為二分之一波長(zhǎng)，則可能出現(xiàn)大量的互耦。這種耦合通常表現(xiàn)為元件的輻射方向圖及其反射系數(shù)的有害變化。除非在陣列設(shè)計(jì)時(shí)小心謹(jǐn)慎，否則雷達(dá)掃描扇區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)盲點(diǎn)。這些盲點(diǎn)是元素圖案為零的角度，陣列的反射系數(shù)有一個(gè)接近統(tǒng)一的峰值，如圖4所示。在這些盲點(diǎn)處，雷達(dá)信號(hào)的總振幅顯著降低。

有時(shí)我們想將盲點(diǎn)放置在不希望發(fā)射或接收雷達(dá)能量的方向上。例如，圖5對(duì)寬邊峰值輻射器（偶極子或波導(dǎo)孔徑）和寬邊零輻射器（單極天線）進(jìn)行了比較。后一種元件在不希望進(jìn)行寬側(cè)輻射時(shí)很有用，例如減少寬側(cè)雜波和干擾。當(dāng)雷達(dá)波束從0°（寬側(cè)）轉(zhuǎn)向60°時(shí)，傳統(tǒng)的寬邊峰型元件輻射方向圖下降，但寬邊零點(diǎn)型元件輻射方向圖在約45°至50°處增加到峰值。

相控陣輻射元件技術(shù)的早期開(kāi)發(fā)是1959年至1967年期間在林肯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。從1959年開(kāi)始，實(shí)驗(yàn)室為相控陣的理論理解做出了貢獻(xiàn)，特別是陣列互耦對(duì)偶極子陣列各種配置性能的影響，例如Allen等人的報(bào)告[3-6，27-32]。圖6顯示了早期的一種L波段偶極相控陣測(cè)試臺(tái)，此測(cè)試臺(tái)用于測(cè)量陣列元件圖案、互耦和陣列有源掃描阻抗。

?

?

圖：相控陣天線中出現(xiàn)盲點(diǎn)的概念圖像。這些結(jié)果是設(shè)計(jì)不考慮陣列互耦效應(yīng)的陣列的典型結(jié)果。當(dāng) （a） 陣列元素模式具有零值；（b） 元件反射系數(shù)具有統(tǒng)一大小時(shí)，就會(huì)發(fā)生盲點(diǎn)。盲點(diǎn)通常是由陣列互耦引起的，它傾向于將陣列平面中的輻射引導(dǎo)為表面波，而不是作為從陣列傳播的波。仔細(xì)設(shè)計(jì)陣列元素的形狀、大小和間距可以防止盲點(diǎn)的發(fā)生。

1968年至1980年期間，林肯實(shí)驗(yàn)室對(duì)主要用于機(jī)載應(yīng)用的相控陣輻射元件進(jìn)行了研究。對(duì)各種設(shè)計(jì)（矩形、方形和圓形）的波導(dǎo)元件進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)研究[13—19]。Diamond對(duì)波導(dǎo)元件進(jìn)行了分析[13]，后來(lái)他與Knittel一起開(kāi)發(fā)了一種相控陣單元設(shè)計(jì)程序[14]。他們還發(fā)現(xiàn)，小陣列可以有效地用于設(shè)計(jì)大型陣列的陣列輻射元件[33]。

使用Diamond的理論公式，開(kāi)發(fā)了一種被稱為RWED（矩形波導(dǎo)元件設(shè)計(jì)）[34]的計(jì)算機(jī)程序用于相控陣分析。實(shí)驗(yàn)室將此軟件由散發(fā)給相控陣行業(yè)，并廣泛用于設(shè)計(jì)波導(dǎo)相控陣。

在20世紀(jì)70年代初期，林肯實(shí)驗(yàn)室的Tsandoulas利用Diamond開(kāi)發(fā)的波導(dǎo)陣列分析軟件設(shè)計(jì)了低旁瓣波導(dǎo)相控陣，用于位移相位中心雷達(dá)天線的機(jī)載應(yīng)用[15]。圖7中顯示了一組用于多天線監(jiān)視雷達(dá)（MASR）的測(cè)量低旁瓣L波段相控陣波束掃描模式（另見(jiàn)本期Charles Edward Muehe和Melvin Labitt撰寫(xiě)的題為“位移相位中心天線技術(shù)”的文章）。

在20世紀(jì)80年代中期，林肯實(shí)驗(yàn)室積極參與了天基雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)的相控陣天線的開(kāi)發(fā)，該系統(tǒng)傾向于檢測(cè)和跟蹤飛機(jī)、船舶、裝甲車(chē)、彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈[35]。作為研究的一部分，實(shí)驗(yàn)室在天基雷達(dá)天線系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)和測(cè)試方面做出了重大貢獻(xiàn)。繞地球運(yùn)行的相控陣?yán)走_(dá)如果要滿足任務(wù)需要，就必須具備一些獨(dú)特的特性，這就需要新的天線技術(shù)。例如，當(dāng)星載雷達(dá)俯視地球時(shí)，會(huì)有很大的雷達(dá)雜波。此外，雷達(dá)衛(wèi)星的速度非?？?，所需的雷達(dá)目標(biāo)回波往往會(huì)被雷達(dá)雜波回波的多普勒頻移掩蓋。因此，從太空中消除雷達(dá)雜波的方法是必要的。雷達(dá)還需要將大型地面干擾器清零。

?

?

圖：（a）常規(guī)寬邊峰輻射元件（偶極子或波導(dǎo)）和（b）寬邊零輻射元件（單極子）的輻射圖。寬邊零元件在不希望發(fā)射或接收雷達(dá)能量的方向上放置盲點(diǎn)

?

?

圖:L波段多天線監(jiān)視雷達(dá)（MASR）波導(dǎo)相控陣天線在中頻段的低旁瓣輻射圖。光束在方位角上被掃描到最大±45°。通常，第一個(gè)旁瓣處于–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）。獲得的低邊瓣水平代表了電子掃描陣列天線當(dāng)時(shí)的最佳性能。

本期Muehe和Labitt的文章中對(duì)林肯實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的天基雷達(dá)系統(tǒng)方面在進(jìn)行了描述。實(shí)驗(yàn)室的低空天基雷達(dá)概念有利于在子衛(wèi)星（最低點(diǎn)）方向上具有最小輻射的單極型輻射器，以減少雷達(dá)雜波和干擾。Fenn從理論上和實(shí)驗(yàn)上對(duì)垂直極化單極子[20]和水平極化環(huán)[21]的這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究。圖8中顯示了L波段天基雷達(dá)相控陣天線測(cè)試臺(tái)，該測(cè)試臺(tái)具有96個(gè)有源單極輻射元件（類(lèi)似于釘床）。此位移相位中心陣列實(shí)現(xiàn)了40 dB左右的雜波消除，如圖9所示。

專(zhuān)為雜波消除而設(shè)計(jì)的位移相位中心天線通常會(huì)關(guān)閉元件以移動(dòng)陣列相位中心。因此，相位中心只能在離散的列或行中移動(dòng)，受到元件間距的限制。對(duì)于天基雷達(dá)，開(kāi)發(fā)了一種利用幅度錐度將相位中心移動(dòng)任意距離（包括一小部分列）的方法[36]。

低旁瓣天線方向圖和自適應(yīng)調(diào)零可用于抑制干擾和雷達(dá)雜波。UHF的超低旁瓣自適應(yīng)陣列天線稱為RSTER（雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)實(shí)驗(yàn)雷達(dá)），由西屋公司為林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，旁瓣的方位角平均要比主瓣低60 dB（參見(jiàn)本期Lee O. Upton和Lewis A. Thurman題為《用于探測(cè)和跟蹤巡航導(dǎo)彈的雷達(dá)》的文章）。此陣列使用共同饋入波束成形器，特別注意減少整個(gè)陣列的幅度誤差和相位照明誤差[37]。

移相器

林肯實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)50 年代后期和60 年代集中開(kāi)展研究，開(kāi)發(fā)了當(dāng)時(shí)相控陣?yán)走_(dá)電子束轉(zhuǎn)向所需的移相器。當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室在移相器和相關(guān)程序領(lǐng)域的許多開(kāi)發(fā)研究在William J. Ince和Donald H. Temme的文章中都有所描述[38]。

?

?

圖：?所示的位移相位中心天線測(cè)試臺(tái)陣列實(shí)現(xiàn)了40 dB左右的雜波消除比。理論曲線僅包括陣列互耦效應(yīng)[80]。

第一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)相控陣?yán)走_(dá)又稱為ESAR（電子掃描陣列雷達(dá)），由Bendix建造，并于1960年完成[39]。ESAR具有IF模擬移相器和IF波束成型器。這種波束成形技術(shù)極為龐雜并需要良好的溫度控制。實(shí)驗(yàn)室在相控陣波束控制方面的早期舉措之一是開(kāi)發(fā)數(shù)字中頻波束控制技術(shù)，此技術(shù)強(qiáng)調(diào)更小的尺寸和控制的簡(jiǎn)單性。這種方法利用二極管控制的數(shù)字移相器，將以二進(jìn)制級(jí)聯(lián)排列的傳輸線的分?jǐn)?shù)波長(zhǎng)切換進(jìn)和輸出，并放置在每個(gè)天線通道中，以正確相位輻射陣列的元件。

如圖10所示，這些移相器在實(shí)驗(yàn)線性陣列中進(jìn)行了測(cè)試。它們?cè)谖⒉l率下往往具有高損耗（幾dB），這當(dāng)然是一個(gè)缺點(diǎn)。同時(shí)，微波開(kāi)關(guān)研究中使用的是新型RF正-本征-負(fù)（PIN）二極管，這導(dǎo)致了更簡(jiǎn)單的低損耗移相器。貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的A. Uhlir從理論上展示了為什么PIN二極管是微波開(kāi)關(guān)的理想選擇，當(dāng)直流正向偏置時(shí)具有低阻抗，在直流反向偏置時(shí)具有高阻抗[38]。與RF周期相比，PIN二極管中的直流注入載流子具有較長(zhǎng)的使用壽命，但在IF周期內(nèi)則不然。因此，對(duì)于RF頻率，PIN二極管不會(huì)整流，但在充滿直流注入載流子時(shí)具有低阻抗，在沒(méi)有注入載流子的情況下具有高阻抗（成為小電容）。

林肯實(shí)驗(yàn)室的Temme使用這些PIN二極管構(gòu)建了有史以來(lái)第一個(gè)數(shù)字二極管L波段低損耗移相器[5]，如圖11所示。低損耗二極管移相器被應(yīng)用于導(dǎo)彈探測(cè)中使用的幾種現(xiàn)場(chǎng)相控陣?yán)走_(dá)，例如HAPDAR（硬點(diǎn)演示陣列雷達(dá)）、AN/FPS-85、MSR（導(dǎo)彈位置雷達(dá)）、Cobra Dane和S波段Cobra Judy [4，39-41]。MSR使用了不同的電路配置，此配置是由J.F. White[42]設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)更高的RF功率能力。當(dāng)兩個(gè)相等的并聯(lián)電抗在傳輸線上間隔四分之一波長(zhǎng)時(shí)，仍存在匹配并引入相移。每個(gè)并聯(lián)電抗通過(guò)PIN二極管開(kāi)關(guān)在傳輸線上連接和斷開(kāi)，以獲得功率水平較大的小可變相移。有16對(duì)用于MSR移相器。功率電平、帶寬和RF損耗與電抗和二極管參數(shù)有關(guān)。

。

L波段的HAPDAR相控陣?yán)走_(dá)[41]是由Sperry制造的，于1965年完工。超高頻AN/FPS-85[43]相控陣?yán)走_(dá)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波段丹麥眼鏡蛇相控陣?yán)走_(dá)由雷神公司制造，位于阿拉斯加的謝米亞島，用于觀察蘇聯(lián)導(dǎo)彈試驗(yàn)，于1976年完工。本期William W. Camp等人撰寫(xiě)題為《用于彈道導(dǎo)彈防御的寬帶雷達(dá)和衛(wèi)星的距離多普勒成像》的文章中對(duì)丹麥眼鏡蛇雷達(dá)進(jìn)行了更加詳細(xì)的描述。雷神公司建造了四臺(tái)UHF位置和速度提?。≒AVE）相控陣預(yù)警系統(tǒng)（PAWS）[44]相控陣?yán)走_(dá)（全固態(tài)），這些雷達(dá)至今仍用于導(dǎo)彈預(yù)警和太空監(jiān)視。

鐵氧體移相器的開(kāi)發(fā)要晚于二極管移相器，但在S波段和更高頻率下，鐵氧體移相器的性能有望優(yōu)于二極管移相器（主要是微波損耗更低）。早期的討論和分析是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，這有助于早期微波鐵氧體的開(kāi)發(fā)[45]。

實(shí)驗(yàn)室構(gòu)思并分析了帶有介電負(fù)載環(huán)形線圈的鐵氧體移相器。這是首個(gè)插入損耗小于1dB的移相器，可以在微波區(qū)域處理千瓦的峰值功率[46]。圖12顯示了這款數(shù)字鐵氧體移相器的生產(chǎn)模型的照片。開(kāi)發(fā)改進(jìn)的鐵氧體材料是實(shí)現(xiàn)鐵氧體移相器預(yù)期良好性能的重點(diǎn)之一。Ernest Stern，Temme和Gerald F. Dionne研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)鐵氧體環(huán)形線圈上機(jī)械應(yīng)力的了解有助于開(kāi)發(fā)應(yīng)力敏感性較低的鐵氧體材料組合 [47-49]。

?

?

圖 ：?西屋電氣生產(chǎn)的四位C波段鐵氧體移相器型號(hào)，波導(dǎo)蓋被移除。

實(shí)驗(yàn)室在Ampex公司的協(xié)助下開(kāi)發(fā)了一種低成本鐵氧體材料——鋰鐵氧體——它對(duì)直接控制相移磁化的溫度敏感性較低。這種材料的使用還可以使鐵氧體移相器操作的延伸達(dá)到毫米波長(zhǎng)頻率[50]。另外一種由實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的磁通驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以使移相器的相位設(shè)置具有低溫靈敏度和五位精度，而移相器和驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜性不會(huì)有所降低[51]。

這些鐵氧體移相器技術(shù)用于1974年RCA為美國(guó)海軍開(kāi)發(fā)的S波段宙斯盾相控陣?yán)走_(dá)，1975年雷神公司為美國(guó)陸軍開(kāi)發(fā)的C波段愛(ài)國(guó)者雷達(dá)，以及1988年格魯曼公司為美國(guó)空軍開(kāi)發(fā)的X波段聯(lián)合監(jiān)視目標(biāo)雷達(dá)系統(tǒng)（聯(lián)合STARS）[52]。1991年，聯(lián)合STARS的兩架原型機(jī)在沙漠風(fēng)暴行動(dòng)中執(zhí)行了49次任務(wù)；Muehe和Labitt在本期文章中展示的聯(lián)合STARS雷達(dá)監(jiān)視圖像如圖11所示。

固態(tài)發(fā)射/接收模塊

從1982年到1990年，林肯實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)了美國(guó)空軍/美國(guó)海軍聯(lián)合天基雷達(dá)發(fā)射/接收模塊開(kāi)發(fā)計(jì)劃。該計(jì)劃的目標(biāo)是利用單片微波集成電路（MMIC）和砷化鎵數(shù)字電路來(lái)生產(chǎn)重量輕、小尺寸、高抗輻射、高效且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的模塊，這些模塊能夠在預(yù)期的溫度范圍內(nèi)精確控制信號(hào)相位，具有足夠的射頻發(fā)電、低直流功耗和低噪聲運(yùn)行。圖13表明了L波段發(fā)送/接收模塊的配置。通用電氣和雷神公司都為該計(jì)劃生產(chǎn)了幾個(gè)版本的發(fā)射/接收模塊;圖 14 顯示了通用電氣的一個(gè)模塊。

為天基雷達(dá)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的輕型L波段發(fā)射/接收模塊技術(shù)被用于使用相控陣天線的銥星商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)[53]。砷化鎵MMIC發(fā)射/接收模塊技術(shù)用于雷神公司建造的戰(zhàn)區(qū)高空區(qū)域防御（THAAD）X波段相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[54]。

?

?

圖 ：天基雷達(dá)應(yīng)用所需的L波段發(fā)射/接收模塊示意圖。該模塊包含選擇發(fā)送或接收路徑的開(kāi)關(guān)。接收路徑包含兩個(gè)衰減器，用于照亮兩個(gè)置換的相位中心，由波束形成器A和B表示。發(fā)射路徑包含一個(gè)移相器和一個(gè)功率放大器，以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)所需的發(fā)射功率電平。

相控陣天線固態(tài)有源元件的演變

在20世紀(jì)60年代后期，有望實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建相控陣全固態(tài)的概念，特別是在國(guó)防分析研究所的Mel Vosburg發(fā)起的一項(xiàng)倡議下，這個(gè)研究所是國(guó)防部（DoD）贊助的研究和分析中心。這次冒險(xiǎn)是由Vosburg和林肯實(shí)驗(yàn)室的Carl Blake合作進(jìn)行的。Blake接替John Allen成為了陣列雷達(dá)小組的負(fù)責(zé)人。正如本文前面所述，這個(gè)小組在過(guò)去十年中開(kāi)展了相控陣?yán)碚摵桶l(fā)展的開(kāi)創(chuàng)性工作。在阿拉巴馬州亨茨維爾彈道導(dǎo)彈防御先進(jìn)技術(shù)中心（BMDATC）的美國(guó)陸軍彈道導(dǎo)彈防御計(jì)劃的支持下，林肯實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)70年代啟動(dòng)了此類(lèi)相控陣目標(biāo)組件的開(kāi)發(fā)。最初的重點(diǎn)是L波段頻率范圍內(nèi)的陣列。

雖然上一代相控陣是基于導(dǎo)電管波導(dǎo)和集中式高功率真空管的移相器（可變移相器），但開(kāi)發(fā)人員認(rèn)為包含固態(tài)集成電路的陣列設(shè)計(jì)將使陣列概念得到更為廣泛的應(yīng)用，這將得益于這些電路的主要優(yōu)勢(shì)，特別是體積小、?重量輕、成本低和可靠性高。

在60年代，單片電路所需的技術(shù)尚未足夠成熟。早期材料的質(zhì)量有限和受限的加工技術(shù)導(dǎo)致了產(chǎn)量低下且單片部件性能不足。因此，研究工作最初是基于將集成電路與更傳統(tǒng)組件相結(jié)合的混合設(shè)計(jì)?；旌想娐酚煞至⒎庋b晶體管、二極管移相電路和開(kāi)關(guān)以及無(wú)源元件組成，這些元件都附在共同的陶瓷基板上，并通過(guò)引線鍵合連接到中間的平面電路。到了60 年代末和70 年代初期，以混合設(shè)計(jì)概念為基礎(chǔ)的早期開(kāi)發(fā)計(jì)劃主要是在工業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，其中包括德州儀器、雷神、RCA、西屋、通用電氣和休斯的實(shí)驗(yàn)室。特別是德州儀器的T. Hyltin在俄亥俄州賴特-帕特森空軍基地的R. Albert和W. Edwards的支持下，啟動(dòng)了雷達(dá)應(yīng)用分子電子學(xué)（MERA）計(jì)劃，以建立固態(tài)機(jī)載雷達(dá)。

到了20世紀(jì)60年代后期，林肯實(shí)驗(yàn)室在Blake的推動(dòng)下建立了微波集成電路設(shè)施，以開(kāi)發(fā)并完善制備基板以及應(yīng)用電路和器件的技術(shù)，主要是采用混合模式，以滿足微波使用所需的規(guī)格。平面電路是在穩(wěn)步改進(jìn)陶瓷基板材料（主要是氧化鋁）的基礎(chǔ)上制造的，采用了當(dāng)時(shí)最精細(xì)的光刻材料和技術(shù)。有了這些改進(jìn)以及美國(guó)陸軍新澤西州蒙茅斯堡實(shí)驗(yàn)室贊助的名為CAMEL的項(xiàng)目，研究人員開(kāi)始開(kāi)發(fā)100-元件L波段（1.0至2.0GHz）測(cè)試陣列[55]。第二代開(kāi)發(fā)是新澤西州摩爾斯敦RCA的先進(jìn)野戰(zhàn)陣列雷達(dá)（AFAR），其模塊由西屋電氣生產(chǎn)。盡管AFAR并沒(méi)有完成，但這種嘗試在展示混合動(dòng)力技術(shù)的承諾和局限性方面是極具價(jià)值的。?

砷化鎵單片集成電路

全固態(tài)UHF陸基雷達(dá)又名為PAVE PAWS，采用混合技術(shù)制造，并且獲得了成功。其他軍事防御雷達(dá)的設(shè)計(jì)，如可靠先進(jìn)固態(tài)雷達(dá)（RASSR）和固態(tài)相位Ar射線（SSPA）[56]，都是基于類(lèi)似的固態(tài)混合技術(shù)。然而，研究人員最終意識(shí)到，使用混合電路制造的大規(guī)模固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)需要大量的分立元件和相關(guān)的引線鍵合，與單片技術(shù)的前景相比，成本過(guò)高且可靠性低下。因此，相控陣研究工作轉(zhuǎn)向了在通用半導(dǎo)體襯底上創(chuàng)建的器件組成的完全集成電路的開(kāi)發(fā)和部署[57]。

被認(rèn)為最有前景的基底材料是砷化鎵，主要是因?yàn)樗哂懈咻d流子遷移率，因此適用于高頻系統(tǒng)，特別是在微波（1至30 GHz）和毫米波（30至300 GHz）頻率范圍內(nèi)。最高的可用頻率和相應(yīng)的最短波長(zhǎng)對(duì)于在目標(biāo)跟蹤中形成高分辨率的窄光束至關(guān)重要，而較低的頻率則更有可能滿足高發(fā)射機(jī)功率的要求，有利于監(jiān)視和搜索的相關(guān)功能。1968年，在德州儀器工作的E.W. Mehal和R.W Wacker [58]以及G.D. Vendelin等人[59]在一項(xiàng)重要的開(kāi)發(fā)工作中，報(bào)告了在微波和毫米波頻率的砷化鎵器件和電路開(kāi)發(fā)方面的初步成功。那些年的另一個(gè)重大進(jìn)展是蘇黎世IBM實(shí)驗(yàn)室的Bachtold等人報(bào)告的砷化鎵上的單片低噪聲場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）微波放大器[60]。

在林肯實(shí)驗(yàn)室，Blake和Roger W. Sudbury共同推進(jìn)了對(duì)MMIC相控陣的支持。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)在固態(tài)研究部門(mén)的微電子小組和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)小組之間建立互補(bǔ)關(guān)系將這些項(xiàng)目的成果組織起來(lái)，微電子小組為材料的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)以及器件制造和測(cè)試做出了貢獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)小說(shuō)為相控陣技術(shù)的電路設(shè)計(jì)做出了貢獻(xiàn)。

這些開(kāi)創(chuàng)性成果的成功取決于許多相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題的解決。更高的微波或毫米波頻率在用于雷達(dá)的窄波束、高分辨率跟蹤功能方面具有潛在優(yōu)勢(shì)，這就對(duì)單片晶片用鎵-砷化物材料的質(zhì)量，以及光刻工藝的光學(xué)、冶金和化學(xué)提出了嚴(yán)格的要求。

制造外延器件層的半絕緣砷化鎵基板具有電惰性，允許低插入損耗和緊密間隔的電路元件之間的低耦合損耗。林肯實(shí)驗(yàn)室的William E. Courtney對(duì)于2.5至36.0 GHz范圍內(nèi)砷化鎵復(fù)介電常數(shù)的詳細(xì)測(cè)量證實(shí)了這一關(guān)鍵的介電特性[61]。這些測(cè)量結(jié)果表明，如果處理得當(dāng)，該材料實(shí)際上并沒(méi)有一些研究人員擔(dān)心的頻率相關(guān)損耗特性。隨著器件和電路質(zhì)量的提高，需要更高的基板性能來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的電氣隔離，設(shè)想這些器件密集地放置在半導(dǎo)體晶圓上，要防止它們彼此相互作用。林肯實(shí)驗(yàn)室[62]演示了這一成果的前期成功，通過(guò)質(zhì)子轟擊鈍化過(guò)程來(lái)產(chǎn)生晶體缺陷，從而賦予近本征半導(dǎo)體特性。后來(lái)，采用了一種更簡(jiǎn)單、成本更低的隔離技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)涉及到對(duì)基板的中間區(qū)域進(jìn)行大量摻雜以縮短載流子壽命。

德州儀器（TI）早期對(duì)裝置開(kāi)發(fā)的投入產(chǎn)生了混合和單片電路，包括平衡混頻器，Gunn二極管振蕩器和用于毫米波頻率接收器應(yīng)用的倍頻器。在這些基本進(jìn)展之后，各研究小組生產(chǎn)了性能明顯改善的平面裝置。實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)界的這種進(jìn)步導(dǎo)致了發(fā)展的急劇進(jìn)步，特別是砷化鎵金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET），無(wú)論是分立形式還是作為單片芯片上的有源器件。Plessey有限公司的R.S. Pengelly和J.A. Turner于1976年首次報(bào)告了具有砷化鎵MESFET和匹配電路的全單片微波放大器芯片[63]，這一成就導(dǎo)致所有領(lǐng)先的微波研究實(shí)驗(yàn)室都迅速參與到了單片電路的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)中。

在1980年的一次發(fā)布會(huì)上[64]，Courtney等人介紹了單片接收器的問(wèn)題和潛力，這是固態(tài)相控陣概念的核心。實(shí)驗(yàn)室為支持新一代相控陣設(shè)計(jì)的政府機(jī)構(gòu)提供咨詢。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室也在繼續(xù)開(kāi)展自己的研究，其目的是：（1）開(kāi)發(fā)適用于軍事系統(tǒng)陣列天線發(fā)射/接收模塊的技術(shù)；（2）提高自身的創(chuàng)新和咨詢能力。

國(guó)防部的Sonny Maynard對(duì)于林肯實(shí)驗(yàn)室通過(guò)超高速集成電路（VHSIC）計(jì)劃提出的固態(tài)電路技術(shù)研究提案很感興趣。在80年代，對(duì)單片微波技術(shù)發(fā)展的主要支持來(lái)自Maynard的國(guó)防部伙伴Elliot Cohen的努力，以及Blake對(duì)研究砷化鎵在微波集成電路中的實(shí)際用途的大力提倡。Cohen贊助了國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的微波和毫米波單片集成電路（MIMIC）計(jì)劃[65]。此計(jì)劃基于“有源晶片”相控陣的概念，即將具有集成電路相位器和發(fā)射/接收功能的陣列作為每個(gè)天線元件的組成部分，鎖定中心相位和幅度標(biāo)準(zhǔn)。

MIMIC計(jì)劃保持了早期發(fā)展的動(dòng)力，并鼓勵(lì)微波行業(yè)建造大型砷化鎵加工設(shè)施，這些設(shè)施現(xiàn)在仍然用于制造相控陣和電信模塊。MIMIC計(jì)劃的目標(biāo)包括開(kāi)發(fā)批量生產(chǎn)技術(shù)，來(lái)生產(chǎn)大直徑高質(zhì)量的基板，適合商業(yè)生產(chǎn)高功率或低噪聲優(yōu)化的MESFET；開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備和電路設(shè)計(jì)程序（當(dāng)時(shí)仍處于起步階段的強(qiáng)大學(xué)科）；并證明單片電路可以在適合且負(fù)擔(dān)得起的電路中找到適用方法，以便廣泛用于軍事系統(tǒng)。

林肯實(shí)驗(yàn)室在BMDATC的支持下深入?yún)⑴c了這項(xiàng)開(kāi)發(fā)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃繼續(xù)向?qū)π录夹g(shù)各個(gè)方面進(jìn)行資助的政府機(jī)構(gòu)提供咨詢，同時(shí)通過(guò)開(kāi)發(fā)毫米波發(fā)射/接收模塊的技術(shù)，特別是導(dǎo)彈上的Ka波段（26.5至40 GHz）相控陣導(dǎo)引頭，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室在該領(lǐng)域的專(zhuān)門(mén)知識(shí)。

林肯實(shí)驗(yàn)室在MIMIC計(jì)劃中提議開(kāi)發(fā)的Ka波段模塊是一個(gè)單極化發(fā)射/接收模塊，在34 GHz的毫米波范圍內(nèi)平均輸出功率約為100 mW。1978年，林肯實(shí)驗(yàn)室的R.W. Laton等人[66]和Sudbury [67]對(duì)這種雷達(dá)和組件開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)注意事項(xiàng)進(jìn)行了審查。圖15顯示了Ka波段傳輸/接收模塊的配置，還包括截至1985年的組件芯片圖示[68，57]。接收器部分基于平衡混頻器/外差配置中的平面肖特基勢(shì)壘二極管[69]。該電路的一種創(chuàng)新是混頻器的雙重用途：在接收模式下產(chǎn)生L波段IF信號(hào)，并在發(fā)射模式下作為開(kāi)關(guān)保護(hù)接收器[70]?；祛l器輸出之后是林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的兩級(jí)低噪聲中頻放大器，該放大器使用由高介電介質(zhì)五氧化二鉭制造的極低損耗平面耦合電容器[71]。

除了制造圖15中所示的雙功能混頻器外，實(shí)驗(yàn)室還制造了混頻器-前置放大器單片芯片，首次在同一芯片上成功地組合了兩個(gè)不同的有源微波器件。這些器件包括一個(gè)毫米波肖特基二極管混頻器，后跟一個(gè)工作頻率為1.0至2.0 GHz的MESFET IF放大器。發(fā)射器鏈中包含一個(gè) 17 GHz MESFET 驅(qū)動(dòng)放大器、一個(gè)使用肖特基二極管的低損耗移相器和一個(gè) 17 GHz FET 功率放大器，用于驅(qū)動(dòng)倍增器以產(chǎn)生 34 GHz 的輸出功率 [72]。單片倍增器[73]是嵌入芯片上匹配電路中的平面串聯(lián)變?nèi)荻O管。它們?cè)贙 波段頻率下產(chǎn)生的輸出大于100毫瓦，效率為35%[74]。由于在20世紀(jì)70年代末和80年代初，MESFET放大器的截止頻率無(wú)法在毫米波頻率下工作，還設(shè)計(jì)了從17 GHz（Ku頻段，12.0至18.0 GHz）到34 GHz（Ka頻段）的頻率倍增策略。

全固態(tài)UHF陸基雷達(dá)又名為PAVE PAWS，采用混合技術(shù)制造，并且獲得了成功。其他軍事防御雷達(dá)的設(shè)計(jì)，如可靠先進(jìn)固態(tài)雷達(dá)（RASSR）和固態(tài)相位Ar射線（SSPA）[56]，都是基于類(lèi)似的固態(tài)混合技術(shù)。然而，研究人員最終意識(shí)到，使用混合電路制造的大規(guī)模固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)需要大量的分立元件和相關(guān)的引線鍵合，與單片技術(shù)的前景相比，成本過(guò)高且可靠性低下。因此，相控陣研究工作轉(zhuǎn)向了在通用半導(dǎo)體襯底上創(chuàng)建的器件組成的完全集成電路的開(kāi)發(fā)和部署[57]。

被認(rèn)為最有前景的基底材料是砷化鎵，主要是因?yàn)樗哂懈咻d流子遷移率，因此適用于高頻系統(tǒng)，特別是在微波（1至30 GHz）和毫米波（30至300 GHz）頻率范圍內(nèi)。最高的可用頻率和相應(yīng)的最短波長(zhǎng)對(duì)于在目標(biāo)跟蹤中形成高分辨率的窄光束至關(guān)重要，而較低的頻率則更有可能滿足高發(fā)射機(jī)功率的要求，有利于監(jiān)視和搜索的相關(guān)功能。1968年，在德州儀器工作的E.W. Mehal和R.W Wacker [58]以及G.D. Vendelin等人[59]在一項(xiàng)重要的開(kāi)發(fā)工作中，報(bào)告了在微波和毫米波頻率的砷化鎵器件和電路開(kāi)發(fā)方面的初步成功。那些年的另一個(gè)重大進(jìn)展是蘇黎世IBM實(shí)驗(yàn)室的Bachtold等人報(bào)告的砷化鎵上的單片低噪聲場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）微波放大器[60]。

在林肯實(shí)驗(yàn)室，Blake和Roger W. Sudbury共同推進(jìn)了對(duì)MMIC相控陣的支持。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)在固態(tài)研究部門(mén)的微電子小組和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)小組之間建立互補(bǔ)關(guān)系將這些項(xiàng)目的成果組織起來(lái)，微電子小組為材料的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)以及器件制造和測(cè)試做出了貢獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)小說(shuō)為相控陣技術(shù)的電路設(shè)計(jì)做出了貢獻(xiàn)。

這些開(kāi)創(chuàng)性成果的成功取決于許多相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題的解決。更高的微波或毫米波頻率在用于雷達(dá)的窄波束、高分辨率跟蹤功能方面具有潛在優(yōu)勢(shì)，這就對(duì)單片晶片用鎵-砷化物材料的質(zhì)量，以及光刻工藝的光學(xué)、冶金和化學(xué)提出了嚴(yán)格的要求。

制造外延器件層的半絕緣砷化鎵基板具有電惰性，允許低插入損耗和緊密間隔的電路元件之間的低耦合損耗。林肯實(shí)驗(yàn)室的William E. Courtney對(duì)于2.5至36.0 GHz范圍內(nèi)砷化鎵復(fù)介電常數(shù)的詳細(xì)測(cè)量證實(shí)了這一關(guān)鍵的介電特性[61]。這些測(cè)量結(jié)果表明，如果處理得當(dāng)，該材料實(shí)際上并沒(méi)有一些研究人員擔(dān)心的頻率相關(guān)損耗特性。隨著器件和電路質(zhì)量的提高，需要更高的基板性能來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的電氣隔離，設(shè)想這些器件密集地放置在半導(dǎo)體晶圓上，要防止它們彼此相互作用。林肯實(shí)驗(yàn)室[62]演示了這一成果的前期成功，通過(guò)質(zhì)子轟擊鈍化過(guò)程來(lái)產(chǎn)生晶體缺陷，從而賦予近本征半導(dǎo)體特性。后來(lái)，采用了一種更簡(jiǎn)單、成本更低的隔離技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)涉及到對(duì)基板的中間區(qū)域進(jìn)行大量摻雜以縮短載流子壽命。

德州儀器（TI）早期對(duì)裝置開(kāi)發(fā)的投入產(chǎn)生了混合和單片電路，包括平衡混頻器，Gunn二極管振蕩器和用于毫米波頻率接收器應(yīng)用的倍頻器。在這些基本進(jìn)展之后，各研究小組生產(chǎn)了性能明顯改善的平面裝置。實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)界的這種進(jìn)步導(dǎo)致了發(fā)展的急劇進(jìn)步，特別是砷化鎵金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET），無(wú)論是分立形式還是作為單片芯片上的有源器件。Plessey有限公司的R.S. Pengelly和J.A. Turner于1976年首次報(bào)告了具有砷化鎵MESFET和匹配電路的全單片微波放大器芯片[63]，這一成就導(dǎo)致所有領(lǐng)先的微波研究實(shí)驗(yàn)室都迅速參與到了單片電路的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)中。

在1980年的一次發(fā)布會(huì)上[64]，Courtney等人介紹了單片接收器的問(wèn)題和潛力，這是固態(tài)相控陣概念的核心。實(shí)驗(yàn)室為支持新一代相控陣設(shè)計(jì)的政府機(jī)構(gòu)提供咨詢。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室也在繼續(xù)開(kāi)展自己的研究，其目的是：（1）開(kāi)發(fā)適用于軍事系統(tǒng)陣列天線發(fā)射/接收模塊的技術(shù)；（2）提高自身的創(chuàng)新和咨詢能力。

國(guó)防部的Sonny Maynard對(duì)于林肯實(shí)驗(yàn)室通過(guò)超高速集成電路（VHSIC）計(jì)劃提出的固態(tài)電路技術(shù)研究提案很感興趣。在80年代，對(duì)單片微波技術(shù)發(fā)展的主要支持來(lái)自Maynard的國(guó)防部伙伴Elliot Cohen的努力，以及Blake對(duì)研究砷化鎵在微波集成電路中的實(shí)際用途的大力提倡。Cohen贊助了國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的微波和毫米波單片集成電路（MIMIC）計(jì)劃[65]。此計(jì)劃基于“有源晶片”相控陣的概念，即將具有集成電路相位器和發(fā)射/接收功能的陣列作為每個(gè)天線元件的組成部分，鎖定中心相位和幅度標(biāo)準(zhǔn)。

MIMIC計(jì)劃保持了早期發(fā)展的動(dòng)力，并鼓勵(lì)微波行業(yè)建造大型砷化鎵加工設(shè)施，這些設(shè)施現(xiàn)在仍然用于制造相控陣和電信模塊。MIMIC計(jì)劃的目標(biāo)包括開(kāi)發(fā)批量生產(chǎn)技術(shù)，來(lái)生產(chǎn)大直徑高質(zhì)量的基板，適合商業(yè)生產(chǎn)高功率或低噪聲優(yōu)化的MESFET；開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備和電路設(shè)計(jì)程序（當(dāng)時(shí)仍處于起步階段的強(qiáng)大學(xué)科）；并證明單片電路可以在適合且負(fù)擔(dān)得起的電路中找到適用方法，以便廣泛用于軍事系統(tǒng)。

林肯實(shí)驗(yàn)室在BMDATC的支持下深入?yún)⑴c了這項(xiàng)開(kāi)發(fā)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃繼續(xù)向?qū)π录夹g(shù)各個(gè)方面進(jìn)行資助的政府機(jī)構(gòu)提供咨詢，同時(shí)通過(guò)開(kāi)發(fā)毫米波發(fā)射/接收模塊的技術(shù)，特別是導(dǎo)彈上的Ka波段（26.5至40 GHz）相控陣導(dǎo)引頭，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室在該領(lǐng)域的專(zhuān)門(mén)知識(shí)。

林肯實(shí)驗(yàn)室在MIMIC計(jì)劃中提議開(kāi)發(fā)的Ka波段模塊是一個(gè)單極化發(fā)射/接收模塊，在34 GHz的毫米波范圍內(nèi)平均輸出功率約為100 mW。1978年，林肯實(shí)驗(yàn)室的R.W. Laton等人[66]和Sudbury [67]對(duì)這種雷達(dá)和組件開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)注意事項(xiàng)進(jìn)行了審查。圖15顯示了Ka波段傳輸/接收模塊的配置，還包括截至1985年的組件芯片圖示[68，57]。接收器部分基于平衡混頻器/外差配置中的平面肖特基勢(shì)壘二極管[69]。該電路的一種創(chuàng)新是混頻器的雙重用途：在接收模式下產(chǎn)生L波段IF信號(hào)，并在發(fā)射模式下作為開(kāi)關(guān)保護(hù)接收器[70]?；祛l器輸出之后是林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的兩級(jí)低噪聲中頻放大器，該放大器使用由高介電介質(zhì)五氧化二鉭制造的極低損耗平面耦合電容器[71]。

除了制造圖15中所示的雙功能混頻器外，實(shí)驗(yàn)室還制造了混頻器-前置放大器單片芯片，首次在同一芯片上成功地組合了兩個(gè)不同的有源微波器件。這些器件包括一個(gè)毫米波肖特基二極管混頻器，后跟一個(gè)工作頻率為1.0至2.0 GHz的MESFET IF放大器。發(fā)射器鏈中包含一個(gè) 17 GHz MESFET 驅(qū)動(dòng)放大器、一個(gè)使用肖特基二極管的低損耗移相器和一個(gè) 17 GHz FET 功率放大器，用于驅(qū)動(dòng)倍增器以產(chǎn)生 34 GHz 的輸出功率 [72]。單片倍增器[73]是嵌入芯片上匹配電路中的平面串聯(lián)變?nèi)荻O管。它們?cè)贙 波段頻率下產(chǎn)生的輸出大于100毫瓦，效率為35%[74]。由于在20世紀(jì)70年代末和80年代初，MESFET放大器的截止頻率無(wú)法在毫米波頻率下工作，還設(shè)計(jì)了從17 GHz（Ku頻段，12.0至18.0 GHz）到34 GHz（Ka頻段）的頻率倍增策略。

?

?

圖 ：砷化鎵有源元件發(fā)射/接收電路的組件芯片的模塊配置和組織。發(fā)射側(cè)包括相位控制和17 GHz的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）功率放大，以及倍頻器。在接收側(cè)，雙單元包含一個(gè)發(fā)射/接收開(kāi)關(guān)和一個(gè)混頻器，可在 1 至 2 GHz 下產(chǎn)生中頻（IF）。此雙單元后面是一個(gè)低噪聲輸出放大器。

到 1990 年，微波頻率的有源固態(tài)器件已經(jīng)非常普及，日常開(kāi)發(fā)用于汽車(chē)儀表和民用通信等商業(yè)應(yīng)用的MMIC，以及用于大型相控陣的有源發(fā)射/接收模塊。砷化鎵MMIC發(fā)射/接收模塊技術(shù)用于雷神公司建造的X波段（8.0至12.0 GHz）戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[54]。在90年代的十年中，砷化鎵單片集成電路在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括雷達(dá)、全球定位系統(tǒng)（GPS）、直接衛(wèi)星廣播接收器和商業(yè)無(wú)線電話。

陣列校準(zhǔn)和測(cè)試

相控陣天線需要精確校準(zhǔn)其發(fā)射/接收通道的多重性，使雷達(dá)主波束能夠指向正確的方向，并控制雷達(dá)天線的旁瓣電平。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)通道的相移通常會(huì)受到溫度和電子漂移的影響，因此需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)創(chuàng)了幾種相控陣校準(zhǔn)和輻射圖測(cè)量技術(shù)[75-80]。

?

?

圖 ：?L波段三十二元單極相控陣天線的低旁瓣輻射圖。測(cè)得的平均旁瓣電平為–50 dB，接近–52.6 dB的平均理論旁瓣電平。

如H.M. Aumann等人的一篇論文中所述（本文獲得了1990年IEEE天線和傳播協(xié)會(huì)的最佳應(yīng)用獎(jiǎng)）[75]，包含數(shù)千個(gè)發(fā)射/接收通道的機(jī)載和天基相控陣需要機(jī)載技術(shù)進(jìn)行飛行中校準(zhǔn)，其中一種校準(zhǔn)技術(shù)涉及使用固有的陣列互耦在陣列中的元件對(duì)之間發(fā)送和接收信號(hào)。陣列中所有元件對(duì)之間的測(cè)量信號(hào)可以完整地表征陣列波束成形器中每個(gè)通道的相對(duì)幅度和相位響應(yīng)。因此，可以對(duì)通道移相器和衰減器進(jìn)行校準(zhǔn)（如圖13所示），從而在整個(gè)陣列孔徑上生成任何所需的相位/幅度分布。此外，人們還發(fā)現(xiàn)，一旦將所需的相位和幅度分布應(yīng)用于陣列，第二系列的互耦測(cè)量就可以測(cè)量相控陣輻射圖。使用圖8所示的單極相控陣天線對(duì)互耦校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。與傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)相比，已證明這種校準(zhǔn)技術(shù)是測(cè)量一維和二維陣列輻射圖的一種快速準(zhǔn)確的方法。

實(shí)驗(yàn)室探索了校準(zhǔn)和測(cè)試低旁瓣相控陣的各種其他方法。例如，使用自適應(yīng)清零技術(shù)來(lái)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試陣列[76]。還開(kāi)發(fā)了對(duì)陣列輻射元件模式[77]和失效輻射元件[78]的變化影響進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。?shí)驗(yàn)室還探索了天線反應(yīng)區(qū)域（極近近場(chǎng)）的平面近場(chǎng)校準(zhǔn)和測(cè)試，以準(zhǔn)確測(cè)量低旁瓣輻射方向圖[79]。圖16顯示了使用反應(yīng)區(qū)近場(chǎng)掃描方法測(cè)量的典型低旁瓣單極相控陣輻射圖。測(cè)得的平均旁瓣電平為-50 dB，接近理論值。如Muehe和Labitt在本期文章中所述，天基雷達(dá)或機(jī)載雷達(dá)可以使用多個(gè)位移相位中心來(lái)消除雜波。實(shí)驗(yàn)室還演示了一種用于測(cè)量位移相位中心天線雜波消除性能的近場(chǎng)掃描方法[80]。

上述相控陣測(cè)試技術(shù)通常僅限于非實(shí)時(shí)操作。然而，在許多情況下，需要在包括雷達(dá)目標(biāo)、雜波和干擾在內(nèi)的模擬實(shí)時(shí)條件下，在現(xiàn)場(chǎng)或部署之前測(cè)試?yán)走_(dá)系統(tǒng)。其中一些雷達(dá)可以具有約在五到二十米之間大孔徑。通常，雷達(dá)在輻射波前近似平面的遠(yuǎn)場(chǎng)條件下工作。由于在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下測(cè)試這些雷達(dá)天線可能需要幾英里長(zhǎng)的范圍，因此需要可以替代的短程測(cè)試。林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種用于天基雷達(dá)應(yīng)用中相控陣天線評(píng)估的近場(chǎng)地面測(cè)試設(shè)施[81]。該設(shè)施由一棟內(nèi)墻覆蓋有輻射吸收材料的大型建筑物組成，能夠在約為一個(gè)孔徑直徑的測(cè)試距離內(nèi)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)能力進(jìn)行全面實(shí)時(shí)測(cè)試。如圖17所示，該測(cè)試設(shè)施提供了實(shí)施實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的許多新型測(cè)試程序的能力，可用于測(cè)量長(zhǎng)達(dá)約12米的天線的雷達(dá)系統(tǒng)性能。

從理論上分析，用于測(cè)試自適應(yīng)相控陣干擾器抑制的實(shí)時(shí)性能聚焦近場(chǎng)方法，可用于單相心天線[82]和多相心天線用于雜波和干擾器抑制以及目標(biāo)檢測(cè)[83]。用于抑制干擾器的聚焦近場(chǎng)調(diào)零技術(shù)在單相中心陣列天線上得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[84]。聚焦近場(chǎng)自適應(yīng)清零測(cè)試技術(shù)也被發(fā)現(xiàn)可用于醫(yī)學(xué)[85]。

總結(jié)

當(dāng)前用于許多地面和機(jī)載雷達(dá)的各種相控陣正在逐漸實(shí)現(xiàn)20世紀(jì)50年代電子波束控制的夢(mèng)想。相控陣越來(lái)越多地被預(yù)期作為應(yīng)對(duì)軍事和民用系統(tǒng)未來(lái)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵部件。自1958年以來(lái)，林肯實(shí)驗(yàn)室為國(guó)家的相控陣?yán)走_(dá)能力做出了重大貢獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的技術(shù)已在野外作業(yè)的許多相控陣?yán)走_(dá)中得到應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室正在繼續(xù)研究光子波束成形、微機(jī)電移相器和先進(jìn)的時(shí)空自適應(yīng)處理陣列等領(lǐng)域的新相控陣技術(shù)。

我們預(yù)計(jì)低成本全固態(tài)陣列模塊、寬帶寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器和自適應(yīng)數(shù)字波束成形技術(shù)的組合將帶來(lái)巨大的前景，使各種復(fù)雜的雷達(dá)工作模式和雷達(dá)系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。

在過(guò)去的四十年中，林肯實(shí)驗(yàn)室有幸在最特別的雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展工作，并成為使電子束控制成為現(xiàn)實(shí)的愿景成為廣大國(guó)家成果的一部分[1]。我們可以斷定，相控陣?yán)走_(dá)的時(shí)代才剛剛開(kāi)始！

致謝

作者要感謝林肯實(shí)驗(yàn)室的Jerald A. Weiss和Roger W. Sudbury對(duì)本文的技術(shù)貢獻(xiàn)。我們還要感謝George Knittel和John Allen對(duì)手稿的審閱，以及Chang-Lee Chen，Leonard J. Mahoney和Anand Gopinath為手稿提供的材料。

審核編輯：黃飛

?