有源相控陣天線設計的核心是T/R組件。T/R組件設計考慮的主要因素有：不同形式集成電路的個數，功率輸出的高低，接收的噪聲系數大小，幅度和相位控制的精度。同時，輻射單元陣列形式的設計也至關重要。

1 芯片設計

理想情況下，所有模塊的電路需要集成到一個芯片上，在過去的幾十年，大家也都在為這個目標而努力。然而，由于系統(tǒng)對不同功能單元需求的差別，現有的工程技術在系統(tǒng)性能與實現難度上進行了折衷的考慮，因此普遍的做法是將電路按功能進行了分類，然后放置于不同的芯片上，再通過混合的微電路進行連接。

?

一個T/R模塊的基本芯片設置包括了3個MMICs組件和1個數字大規(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電路(MMIC)

可調增益的放大器和可調移相器(MMIC)

數字控制電路(VLSI)

根據不同的應用需求，T/R模塊可能還需要其他一些電路，如預功放電路需要將輸入信號進行放大以滿足高峰值功率需求。

大多數X波段及以上頻段T/R組件都采用基于GaAs工藝的MMICs技術。該技術有個缺點就是熱傳導系數極低，因此基于GaAs的電路需要進行散熱設計。

未來T/R組件的發(fā)展方向是基于GaN和SiGe的設計工藝。

基于GaN的功率放大器可實現更高的峰值功率輸出，從而提升雷達的靈敏度或探測距離，輸出功率是基于GaAS工藝電路的5倍以上。SiGe工藝雖然傳輸的功率不如GaAs，然而該材料成本較低，適用于未來低成本、低功率密度雷達系統(tǒng)的設計。

2 功率輸出

通常情況下，在給定陣列的口徑后，雷達系統(tǒng)所需要的平均功率輸出也基本確定了。天線可實現的最大平均功率與每個TR組件的輸出功率、T/R組件的個數、T/R組件的效率和散熱等條件相關。當輸入功率確定后，如果T/R組件的效率越高，那么對應的輸出功率也就越大。

在高功率放大器設計時，需要的峰值功率是重要的指標，定義為平均功率除以最小的占空比。雷達系統(tǒng)的峰值功率是由整個天線陣列實現的，也就是說當峰值功率確定后，所需要的最少T/R組件個數也隨之確定。

雷達系統(tǒng)TR組件設計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，如為了實現同樣的雷達探測性能且T/R組件個數相同，對于4m2口徑天線，假定每個T/R組件的輸出功率為P，那么對于2m2口徑天線，每個T/R組件的輸出功率為2P，如圖所示。

3 發(fā)射機噪聲限值

通常，雷達系統(tǒng)采用一個中心發(fā)射機進行工作，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。由于每個T/R組件的電壓較低且電流較高，因此需要對輸入功率進行適應性的濾波。

4 接收機噪聲系數

接收噪聲系數是有源ESA天線關注的一個重要指標，通常需要使得接收噪聲系數較低，以提升雷達性能。通常情況下，T/R組件的接收噪聲系數是指整個模塊的，包括LNA的噪聲系數以及前級電路（環(huán)形器、接收保護電路、傳輸線）引起的插損，如圖所示。

5 幅度和相位控制

幅度和相位控制的精度是與雷達系統(tǒng)對整個天線陣列旁瓣的要求有關。假定雷達系統(tǒng)需要天線實現低旁瓣，那么需要減小相位和幅度控制電路的量化步長，同時提升幅度和相位控制的范圍以實現對真?zhèn)€天線陣列的加權，且需要對幅度和相位的誤差進行嚴格的控制。

6 陣列物理結構設計

有源ESA天線的性能與成本設計不僅僅與T/R組件相關，也與陣列的集成設計密切相關。

通常情況下，每個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。在對于有天線RCS有縮減要求時，天線陣面的變形后會引起隨機散射增強，且該影響無法進行消除。

每個T/R模塊通常安裝在有散熱板的背板上，以便及時將T/R組件產生的熱量散發(fā)。對于每個相控陣天線而言，其具體T/R布局的方式各不相同，其中一種常見的布局方式是采用磚塊式(stick)布局。

另外一種有源相控陣天線的布局是采用片式(tile)結構，如圖所示。每個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TR電路。T/R組件中電路產生的熱量通過電路板傳導至周圍的金屬結構中進行散發(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、射頻信號的耦合縫隙等，如圖所示。

對于寬帶或數字波束形成雷達系統(tǒng)，其通常需要有源相控陣天線采用子陣級布局。當天線采用子陣級布局方式后，整個相控陣天線的生產加工成本會大幅降低，且通過調整每個子陣后端的移相器形成模擬波束掃描能力。

對于模擬雷達系統(tǒng)，每個子陣需要通過時間延遲單元以實現波束的掃描，如圖所示。對于數字雷達系統(tǒng)，每個子陣的回波直接進行接收機進行采集。

就針對于有源相控陣雷達來說，T/R組件是其中的一個關鍵部分，并且，T/R組件的性能，將會直接影響到整個雷達系統(tǒng)的性能。T/R組件是包含微波開關、功率放大器、低噪聲放大器、移相器和電源控制等部分的復雜電路系統(tǒng)，技術上覆蓋微波電路、數字控制電路等方面。高性能T/R組件對電路器件的性能參數、機械結構、電磁兼容性能、穩(wěn)定性都有很高要求。

一、有源相控陣雷達的應用

（一）機載有源相控陣雷達

隨著有源相控陣雷達技術的日趨成熟，其作用距離遠和靈活性高的優(yōu)點，非常適合空中（地）監(jiān)視任務，也有助于火控雷達發(fā)揮更大的效能。通常有源相控陣雷達的輸出功率是傳統(tǒng)機械掃描雷達的3～4倍，作用距離更遠，可以支持像中距空空導彈這樣的中遠距武器遠距離攻擊能力發(fā)揮到極致。

（二）星載有源相控陣雷達

有源相控陣雷達由于具有故障弱化的特點，可靠性大大提高，非常適合星載應用。同時采用有源相控陣的SAR雷達系統(tǒng)在觀測范圍和觀測時間具有更大的靈活性，波束指向的靈活性使有源相控陣SAR雷達系統(tǒng)可以在掃描模式、條帶模式以及聚束模式等不同的工作模式下運行，根據不同用途，工作頻率通常為L、C、X頻段。2003年，歐洲航天局啟用的C波段星載有源相控陣雷達系統(tǒng)ASAR工作頻率為5.331GHz，320個有源天線陣元分布在1.3m×10m的線陣中，天線采用雙極化形式VV/HV或VH/VV，采用GaAs技術的T/R組件接收通道噪聲系數達到1.3dB，發(fā)射通道峰值功率10W，掃描模式下觀測范圍400km，成像模式下觀測范圍80km。

（三）彈載有源相控陣雷達

20世紀90年代開始，現代電子技術的發(fā)展推動了武器系統(tǒng)的小型化。為了滿足戰(zhàn)區(qū)、戰(zhàn)略導彈防御系統(tǒng)大氣層內攔截器導引頭系統(tǒng)對體積小、質量輕，以及在高攔截速度和高接近速度條件下直接碰撞殺傷的制導精度的苛刻要求，美國軍方提出了有源電子掃描陣列導引頭的概念，選擇的頻率為35GHz或94GHz，通過對大量T/R組件進行數字化幅相控制，實現快速、靈活的波束形成與掃描，最終完成了94GHz有源相控陣導引頭方案設計與演示樣機研制[1]。

二、有源相控陣雷達T/R組件技術分析

（一）單片微波集成電路技術

為了降低成本，提高成品率以適應日益廣泛的商業(yè)民用領域的競爭，多功能MMIC開發(fā)成為趨勢。M/A-COM公司采用0.5μmpHEMT工藝實現了S波段雙極化應用的接收芯片、發(fā)射芯片。接收芯片集成了兩路獨立的通道，都具有限幅、放大、開關、移相和衰減功能；發(fā)射芯片同樣集成了兩路獨立的通道，都具有功分、驅動、移相和衰減功能。Teledyne公司計劃開發(fā)三維MMIC技術，用于相控陣天線的小型收發(fā)組件，以增強雷達和通訊系統(tǒng)的效率和靈敏度[2]。采用一種三維硅中介層集成工藝，能夠通過硅中介層將不同制造工藝的集成電路集成到一個模塊中，包括數字集成電路、MMIC和其它有源和無源器件，最終尋求開發(fā)晶圓級集成RF和微波發(fā)射/接收組件。太空科技和軍事領域的應用，特別是天體物理和地球遙感研究推動MMIC向毫米波和亞毫米波頻段發(fā)展。隨著晶體管截止頻率的提高，采用HEMT、HBT、InP技術的MMIC放大器越來越多地用于0.1～0.3THz頻率范圍的超外差接收機前端中。2000年，采用0.1μmInP工藝的單級低噪聲放大器在91～97GHz頻率增益達到8dB，噪聲系數2.2dB；四級低噪聲放大器在85～119GHz頻率增益達到20dB，噪聲系數3.7dB；2005年，采用0.07μmInP工藝的三級低噪聲放大器在150～215GHz頻率增益達到12dB。一種用于提高視頻傳輸速率的InP多功能MMIC工作頻率為140GHz，在實驗室環(huán)境下測試，已經獲得了40Gbits/s的傳輸速率，該芯片所占面積約1.6mm×1.2mm，包含一個I-Q調制器、一個三級放大器以及一個用于本振的三倍頻器。

（二）RFCMOS集成電路技術

隨著CMOS器件特征尺寸的進一步減小，器件的特征頻率和最高振蕩頻率進一步升高，特別是進入到納米尺寸的工藝進展，使得CMOS技術在射頻領域得到廣泛的應用。隨著市場需求的推動，RFCMOS技術除了進行低噪聲、低成本、低功耗方面的優(yōu)化以外，正逐步朝著更高頻率和更寬頻帶的方向發(fā)展，尤其是在Ku、K和W波段低成本、小型化相控陣應用中發(fā)揮重要作用。DARPA授予諾格公司的按商業(yè)周期發(fā)展的陣列項目（ACT），旨在通過設計可重復使用的、含下一代有源相控陣技術所需關鍵集成電路的數字通用模塊，來發(fā)展?jié)M足經濟性的下一代有源相控陣所需的關鍵技術。ACT項目通過通用模塊重復使用、高度集成、高容量商用互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成電路技術，減少未來數字陣列的發(fā)展和制造成本。一個采用0.13μmCMOS工藝的24GHz。陣列接收機性能測試結果：24～27GHz頻帶內輸入輸出端口回波損耗小于-10dB，通道增益12～15dB，噪聲系數7.8～9.5dB，4bits移相器的相位控制均方根誤差小于6°，幅度控制均方根誤差小于0.35dB。2013年，比利時微電子中心使用CMOS工藝研制出全球首個用于汽車安全控制的79GHz雷達發(fā)射器前端，該雷達發(fā)射器前端采用28nmCMOS工藝實現，輸出功率大于10dB，電源電壓為0.9V，功耗僅為121mW。

（三）寬禁帶半導體技術

寬禁帶半導體材料GaN以其禁帶更寬、飽和漂移速度更大、臨界擊穿電場和熱導率更高的獨特優(yōu)勢，成為繼硅（Si）、砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等之后迅速發(fā)展起來的第三代新型半導體材料。與目前絕大多數半導體材料相比，GaN器件具有高壓、高速、高功率、高效率、耐高溫等優(yōu)點，成為研究和制造微波高功率器件的重要半導體材料。氮化鎵材料在研發(fā)性能更可靠的軍用雷達方面發(fā)揮著不可或缺的作用，它能夠使軍用雷達的功率比傳統(tǒng)雷達增大5倍，大幅提高使用雷達、電子戰(zhàn)、導航和通信系統(tǒng)作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)斗力，而體積卻減少一半。

三、結語

總而言之，T/R組件作為有源相控陣雷達中最重要的組成部分，隨著半導體技術的發(fā)展正在從窄帶單功能向寬帶多功能、從MCM向SOP和SOC方向發(fā)展，MMIC技術、RFCMOS集成電路技術、GaN技術、RFMEMS技術和集成封裝技術為新一代高性能、高可靠、小型化和低成本T/R組件的實現提供了技術途徑。瓦片式T/R組件的研究將極大地推動共形相控陣雷達系統(tǒng)的發(fā)展。

審核編輯：劉清