相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)部件的新進(jìn)展

邵余紅

(中國電子科技集團(tuán)公司第14研究所，南京 210039)

0 引言

軍事領(lǐng)域里，相控陣技術(shù)在電子對抗舞臺上已實(shí)現(xiàn)有源、無源探測，低截獲概率探測，超視距、雙多基地探測;其技術(shù)體制使得系統(tǒng)工作的空域覆蓋范圍大，整體效率大幅提高。隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，相控陣技術(shù)還將促進(jìn)幾種新概念雷達(dá)的研制:泛探雷達(dá)，軟件化雷達(dá)，MIMO雷達(dá)，收發(fā)全數(shù)字波束形成(DBF)相控陣?yán)走_(dá)［1］。

民用領(lǐng)域里，相控陣天線已應(yīng)用于港口及空中交通管制、微波著陸導(dǎo)航、氣象預(yù)測預(yù)報(bào)、通信廣播、射電天文、遙測遙感和生物醫(yī)療等。

各類需求使得相控陣技術(shù)不斷發(fā)展。相控陣技術(shù)發(fā)展的內(nèi)容十分豐富，下面從發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線三大方面探討相控陣系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)的要求和技術(shù)突破

1.1 新軍事環(huán)境對相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)的要求

雷達(dá)技術(shù)飛速發(fā)展對發(fā)射機(jī)提出了各種苛刻的要求:(1)為在惡劣環(huán)境下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并準(zhǔn)確地測試所發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的各項(xiàng)參數(shù)，發(fā)射信號必須是相參的，發(fā)射信號脈間應(yīng)是高穩(wěn)定的。(2)發(fā)射機(jī)要能輸出多種復(fù)雜波形，且輸出信號的信號失真要小。(3)提高抗干擾能力，采用寬帶發(fā)射機(jī)。(4)相控陣發(fā)射機(jī)向更高頻段發(fā)展。

全固態(tài)發(fā)射機(jī)是一種分布放大式發(fā)射機(jī)，其射頻固態(tài)放大器與饋線、功率分配器、移相器、T/R組件等構(gòu)成多輻射單元的有源天線陣列，能夠滿足上述要求的雷達(dá)。

電真空發(fā)射機(jī)也向采用快波器件類發(fā)展。毫米波高功率回旋速調(diào)管的發(fā)明與進(jìn)展，使大功率毫米波有源相控陣?yán)走_(dá)成為現(xiàn)實(shí)。

1.2 相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)的技術(shù)突破

在惡劣環(huán)境下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、探測隱身目標(biāo)及小目標(biāo)，提高雷達(dá)抗干擾能力，及超遠(yuǎn)程探測都要求高功率發(fā)射信號，如何實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)輸出功率的不斷增長呢?總體上，運(yùn)用分布式子陣發(fā)射分系統(tǒng)是一個發(fā)展方向，但這在很大程度上依賴于半導(dǎo)體功率器件與微波/毫米波集成電路技術(shù)的進(jìn)展，電真空子陣發(fā)射機(jī)、固態(tài)子陣發(fā)射機(jī)、微波功率組件子陣發(fā)射機(jī)。

(1)采用大功率微波電真空器件

大功率微波電真空器件向太赫茲頻段發(fā)展，采用光子晶體諧振腔，高階模式下可以有效抑制模式競爭，提高回旋管的工作穩(wěn)定性;還具有較高的Q值，從而可以提高回旋管的輸出功率［2］。

國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)采用不同方法對太赫茲回旋振蕩管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。

110～170 GHz連續(xù)波回旋管領(lǐng)域［3］:美國麻省理工學(xué)院研制出了頻率110 GHz，輸出功率1.5 MW，總效率37%，電壓96 kV，電流40 A的回旋管;俄羅斯應(yīng)用物理研究所(IAP)和GYCOM公司也針對ITER計(jì)劃研究了MW量級170 GHz的回旋管，模式選擇為 TE28，12，脈沖長度0.1 s，輸出功率1.44 MW，首次實(shí)驗(yàn)效率41%。

200～500 GHz連續(xù)波回旋管領(lǐng)域:美國麻省理工學(xué)院研究了頻率233 GHz，輸出功率12 W，電壓3.5 kV，電流50 mA 的回旋管，工作模式 TE2，9，1。俄羅斯、日本、中國也開展了研究。

600 GHz～1 THz回旋管領(lǐng)域:俄羅斯和日本聯(lián)合研制頻率1.022 THz，輸出功率高于1.5 kW，電壓24 kV，電流3 A的回旋管，工作模式TE17，4。美國也有這方面的報(bào)道。美國研制的真實(shí)孔徑太赫茲雷達(dá)成像結(jié)果，如圖1所示。

目前，太赫茲輻射源中最被看好的創(chuàng)新型器件是以GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)，運(yùn)用能級之間躍遷的縱向光學(xué)聲子諧振產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)的輻射源。

圖1 美國研制的真實(shí)孔徑太赫茲雷達(dá)成像結(jié)果，右圖是光學(xué)成像結(jié)果［4］

(2)采用新型固態(tài)功率器件

隨著新型Si功率雙極型晶體管、MMIC及GaAs FET器件工作頻率的不斷提高和輸出功率的不斷增加，不僅很多工作頻率在4 GHz以下的雷達(dá)都可采用全固態(tài)發(fā)射機(jī)，而且在C波段、X波段乃至毫米波段也可以實(shí)現(xiàn)全固態(tài)發(fā)射機(jī)。如，美國“宙斯盾”防空系統(tǒng)的AN/SPY－1型三坐標(biāo)多功能相控陣?yán)走_(dá)，S波段，脈沖功率超過4 MW，采用了64個峰值功率為125 kW的前向波管作為末級，由固態(tài)放大器直接驅(qū)動。

固態(tài)發(fā)射機(jī)的未來發(fā)展是分布式的固態(tài)T/R組件，將T/R組件直接放在天線陣面上，與天線輻射單元(或子陣)直接相連，以最大限度減少饋線損失和功率合成網(wǎng)絡(luò)的損失。如，“COBRA”火炮定位有源相控陣?yán)走_(dá)，C波段，其發(fā)射機(jī)由3000多個輸出功率為5 W的T/R功率放大器組件構(gòu)成，總功率大于15 kW。

固態(tài)器件多元化發(fā)展，其中包含GeSi、GaAs和InP等。SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體器件是一個重要發(fā)展方向。2007年固態(tài)器件和發(fā)射管的情況如圖2所示。

圖2 2007年固態(tài)器件和發(fā)射管的情況

(3)采用微波功率組件(MPM)

MPM是電真空器件與固態(tài)功率器件相結(jié)合而產(chǎn)生的。MPM由真空功率放大器(VPB，一種專用的TWT)、單片微波集成電路(MMIC)或固態(tài)放大器(SSA)和集成電源調(diào)整器(IPC)組成。

相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)的技術(shù)突破很大程度上取決于半導(dǎo)體功率器件和微波/毫米波集成電路的進(jìn)展。就目前而言，硅技術(shù)仍是半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用的核心，但它將與化合物半導(dǎo)體技術(shù)、納米技術(shù)和各類衍生出來的新技術(shù)不斷結(jié)合，開拓新的應(yīng)用，推動發(fā)射機(jī)向高頻率、寬頻帶、高功率、低損耗、高集成、高可靠、長壽命和抗干擾技術(shù)繼續(xù)發(fā)展。

2 對相控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)的要求和技術(shù)突破

2.1 對相控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)的要求

接收機(jī)向以下幾個方面發(fā)展:采用軟件無線電技術(shù)，接收機(jī)和頻率源中運(yùn)用HMIC和MMIC，超寬帶技術(shù)，超導(dǎo)技術(shù)，雷達(dá)接收機(jī)與電子戰(zhàn)、通信接收機(jī)一體化技術(shù)。

先進(jìn)雷達(dá)對接收機(jī)的要求可概括為:寬頻帶，低噪聲，大動態(tài)和高穩(wěn)定。

2.2 相控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)的技術(shù)突破

雷達(dá)數(shù)字化的進(jìn)程是在數(shù)字式接收的基礎(chǔ)上，形成數(shù)字陣?yán)走_(dá)。有源相控陣數(shù)字陣?yán)走_(dá)的接收分系統(tǒng)包含接收通道、頻率源、激勵源和雷達(dá)波形產(chǎn)生器，這些進(jìn)入到有源相控陣天線陣面，就形成了有源相控陣數(shù)字陣?yán)走_(dá)。對有源相控陣數(shù)字陣?yán)走_(dá)而言，有一種極有發(fā)展前途的技術(shù)，即在天線子陣和接收前端后面采用光學(xué)ADC對射頻回波信號直接進(jìn)行數(shù)字化，免去了饋線部分，該技術(shù)已引起雷達(dá)界的高度重視并予以開發(fā)，某波段寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)組成框圖如圖3所示，可以看出，系統(tǒng)組成非常簡單，它沒有復(fù)雜的饋線網(wǎng)絡(luò)，只有信號處理機(jī)和數(shù)字陣列天線(主要由DTR組成)兩個部分，DTR和信號處理機(jī)之間通過光纖連接，所以系統(tǒng)有很高的重構(gòu)性。

圖3 某頻段數(shù)字陣?yán)走_(dá)的框架結(jié)構(gòu)

接收機(jī)數(shù)字化程度的主要標(biāo)志是模數(shù)變換器(ADC)的性能。

隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，絕大部分ADC實(shí)現(xiàn)了采樣/保持電路的單片全集成化。ADC技術(shù)向著三個方面發(fā)展:高速和超高速采樣;高分辨率;低功耗、低電壓。電子ADC的發(fā)展在提高采樣速率時(shí)，分辨率受到了限制，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子ADC每提高1位分辨率，需要6.5年時(shí)間，目前商品化的ADC最高采樣率在1 GHz～2 GHz之間，最高分辨率在8 bit～10 bit之間。對于高速、高分辨率ADC，光學(xué)ADC更有發(fā)展前途。

超導(dǎo)ADC已經(jīng)面世，它可以大大降低噪聲并獲得更快的轉(zhuǎn)換速度。但是，超低溫的運(yùn)行條件不僅增加了其復(fù)雜程度，而且在許多應(yīng)用場合受到限制，目前尚難以推廣。

就目前而言，相控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、提高靈敏度、增強(qiáng)抗干擾能力，需要采用光纖高傳輸技術(shù)、數(shù)字/光學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)數(shù)字收發(fā)技術(shù)和高速VME技術(shù)、數(shù)字波束形成技術(shù)等。這些都有賴于高速大容量、高分辨力、高采樣率變換和高效濾波器件的開發(fā)。

3 對相控陣?yán)走_(dá)天線的要求和技術(shù)突破

3.1 對相控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)的要求

各先進(jìn)雷達(dá)對接收機(jī)的要求可概括為:寬頻帶，低噪聲，大動態(tài)和高穩(wěn)定。針對這樣的要求，接收機(jī)正在以下幾個關(guān)鍵技術(shù)的推動下迅速發(fā)展:數(shù)字化接收技術(shù)，軟件無線電技術(shù)，接收機(jī)和頻率源中運(yùn)用HMIC和MMIC，超寬帶技術(shù)，超導(dǎo)技術(shù)，雷達(dá)接收機(jī)與電子戰(zhàn)、通信接收機(jī)一體化技術(shù)。其中本節(jié)主要討論數(shù)字接收機(jī)技術(shù)的發(fā)展和突破。

3.2 相控陣?yán)走_(dá)天線的技術(shù)突破

相控陣天線通過采用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、改進(jìn)T/R組件和運(yùn)用射頻光電子技術(shù)等獲得性能上的提高、尺寸上的減小及成本的降低。

3.2.1 采用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的相控陣天線

(1)MEMS器件

a)高功率RF－MEMS開關(guān)

最早用作射頻開關(guān)的微機(jī)械開關(guān)由Petersen于1979年首次演示，是一種0.35 μm厚的靜電激勵懸臂梁開關(guān)。微機(jī)械開關(guān)具有低插損、高隔離度、微波頻段上的低回波損耗(良好的阻抗匹配)等優(yōu)越性，自1979年起，世界各研究機(jī)構(gòu)研制了各種用途的微機(jī)械開關(guān)，用于反射陣天線和移相器等方面。

開關(guān)器件的主要性能要求體現(xiàn)在:耐功率能力，切換時(shí)間，可靠性與周期數(shù)之比。MEMS開關(guān)與其他開關(guān)器件的比較見表1。

b)MEMS電容諧振器

SiREUS項(xiàng)目開發(fā)了帶預(yù)選前置放大器的MEMS電容諧振器［5］，如圖4所示。

圖4 SiREUS項(xiàng)目開發(fā)的帶預(yù)選前置放大器的MEMS 電容諧振器(尺寸 4 mm)［9］

c)MEMS移相器

微波移相器是相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信、移動通信設(shè)備中的核心組件，它的工作頻帶、插入損耗直接影響著這些系統(tǒng)的抗干擾能力和靈敏度，以及系統(tǒng)的重量、體積和成本。

近年來，隨著RF MEMS開關(guān)的研究不斷取得進(jìn)展，使MEMS開關(guān)替代傳統(tǒng)的鐵氧體開關(guān)、PIN二極管、FET，設(shè)計(jì)制造寬帶寬、低插損RF MEMS移相器已經(jīng)成為可能。

國外報(bào)道始于1998年，N.S.Barker研制了第一個寬帶MEMS移相器。隨后，多個國家開展了多種MEMS移相器的研制，其中大多數(shù)使用RF MEMS開關(guān)周期性地分布在MEMS傳輸線上，在共面波導(dǎo)的中心導(dǎo)體和地之間外加模擬控制電壓，使MEMS膜板拉向中心導(dǎo)體，引起相速度增加，控制相位。通過連續(xù)改變控制電壓，相位連續(xù)可調(diào)，每一位移相器都有不同數(shù)量的開關(guān)陣列加載在不同長度的傳輸線上，加驅(qū)動電壓時(shí)，MEMS開關(guān)陣列膜板同時(shí)下拉至共面波導(dǎo)導(dǎo)體，從而得到某一精確的相移度數(shù)。

(2)應(yīng)用實(shí)例

土耳其中東技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程系研制了一個大小為6 cm×5 cm的單片相控陣，采用128個開關(guān)的單片MEMS技術(shù)、工作頻率15 GHz、包含四個線性排列的微帶貼片天線，3維分布的MEMS傳輸線型移相器。除MEMS開關(guān)外，還采用高Q值金屬－空氣－金屬電容(MAM)提高移相器性能［6］。

意大利 Perugia大學(xué)的 Roberto Sorrentino等［7］對電控MEMS天線進(jìn)行了研究:采用RF－MEMS電路實(shí)現(xiàn)幅相控制的天線陣的模擬波束形成。

MEMS技術(shù)可極大提高集成度及對電磁干擾的免疫力。

3.2.2 T/R組件不斷采用新技術(shù)

隨著微電子新技術(shù)、微機(jī)電新技術(shù)的不斷發(fā)展，T/R組件的研制技術(shù)花樣紛呈，以SiGe、GaN和SiC等新材料為基底的技術(shù)在T/R組件中得到了越來越多的應(yīng)用［8］。

美國研制的采用GaN HEMT MMIC技術(shù)的X波段T/R組件如圖5所示，用于有源電掃相控陣?yán)走_(dá)。其GaN MMIC HPA片的尺寸為5.33 mm×3.5 mm，基底厚度為70 μm。

圖5 采用GaN HEMT MMIC技術(shù)的X波段T/R組件［13］

低成本，小型化一直以來就是軍事工業(yè)追求的目標(biāo)之一。下面兩個例子就成功實(shí)現(xiàn)了相控陣天線T/R組件的低成本化。

韓國研制了采用陽極氧化處理的鋁基板的緊湊型高功率X波段T/R組件，大小為28 mm×28 mm×0.5 mm，最大輸出功率 39.21 dBm(8.3 W)，最大發(fā)射增益39.82 dB，在9～10 GHz頻帶上的接收增益22.1 dB，采用多片結(jié)構(gòu)(MCM)，射頻信號幅相控制由一只6位移相器實(shí)現(xiàn)，RMS精度好于6°，RMS精度好于2 dB時(shí)的增益設(shè)置范圍24 dB。

采用鋁封裝的好處是:減小體積、降低成本、利于熱管理。

美國導(dǎo)彈防御局(MDA)為使地基雷達(dá)進(jìn)一步小型化、可運(yùn)輸、低成本，開始了“SPEAR項(xiàng)目”，研制下一代地基導(dǎo)彈防御雷達(dá)，采用了一系列的低成本組件技術(shù)。

3.2.3 射頻光電子技術(shù)運(yùn)用于相控陣天線

光學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)，也就是光纖延遲線單元，主要功能是替代寬帶相控陣天線中的用射頻饋線構(gòu)成的延遲線單元。它具有時(shí)間帶寬積大或陣面定向無偏斜、被延時(shí)的信號頻率高、線性好、損耗小及無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。為提高抗干擾能力、分辨力及多目標(biāo)雷達(dá)成像能力，相控陣?yán)走_(dá)要求大的瞬時(shí)信號帶寬，光纖延遲線移相器是一個很好的解決方案，是一個發(fā)展方向。國內(nèi)外對光控波束形成網(wǎng)絡(luò)展開了廣泛的研究。美國DARPA有多個項(xiàng)目涉及光控波束形成網(wǎng)絡(luò)，德國、日本、英國、荷蘭、韓國、澳大利亞等也都有研究報(bào)道，其中荷蘭2009年報(bào)道稱，Twente大學(xué)電子工程系研究了機(jī)載SAR寬帶光學(xué)波束形成。

射頻光電子技術(shù)不斷發(fā)展，其在相控陣天線上的應(yīng)用內(nèi)容將會越來越豐富，除這里提到的光學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)外，還有基于光子技術(shù)的射頻濾波等等。

4 結(jié)語

相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展前景是非常廣闊的，要攻克的技術(shù)也很多，除本文介紹的這些以外，還有空時(shí)自適應(yīng)處理(STAP)、數(shù)字波束形成、超寬帶陣列等等。低成本技術(shù)的內(nèi)容也是豐富多彩的，這里僅列舉了幾個例子;各類T/R組件在采用的材料、工藝上不斷革新，越趨高功率、低成本、高可靠性;數(shù)字波束形成、超寬帶陣列的實(shí)現(xiàn)將寄望于微波光子技術(shù)。

所有這些都為相控陣系統(tǒng)的進(jìn)化夯實(shí)了基礎(chǔ)，并展現(xiàn)了美好的前景。

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