毫米波有源相控陣雷達原理系統(tǒng)與試驗

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1、相控陣天線集成技術彭祥龍（西南電子技術研究所成都610036）摘要：低成本、更高頻段與可擴展是推動相控陣天線集成技術發(fā)展的主要動力。本文綜述了磚塊式與瓦片式兩種相控陣天線集成陣列結構，以及多功能芯片與射頻晶圓集成技術的發(fā)展，指出開發(fā)多功能芯片是當前發(fā)展毫米波相控陣天線的重要途徑。關鍵詞：相控陣天線，低成本，集成技術，多功能芯片，毫米波PhasedArrayAntennasIntegrationTechnologyPENGXiang-long（SouthwestChinaInstituteofElectron

2、icTechnology,Chengdu610036）Abstract：Low-cost，higherfrequencyandscalabilityarethemainimpetusestothedevelopmentofphasedarrayantennasintegrationtechnology.Inthispaper,theprogressesinarchitectureofphasedarrayantennas(brick-typeandtile-typebuildingblocks)andRFc

3、ircuitintegrationtechnology(chipswithmulti-functionandRF-waferscaleintegration)arereviewed.Finally,itispointedoutthatdevelopmentofchipsperformingmulti-functionisanimportantwaytodevelopmillimeter-wavephasedarrayantennas.Keywords：Phasedarrayantennas,lowcost,

4、integrationtechnology,multi-functionchips,millimeter-wave61引言早期的相控陣雷達用于戰(zhàn)略探測、跟蹤與預警，工作頻率較低，整個系統(tǒng)體積巨大，成本高昂。隨著微電子與計算機技術的發(fā)展，相控陣系統(tǒng)逐漸應用于戰(zhàn)術層面，如戰(zhàn)斗機、直升機、無人機、精確制導等領域，工作頻段通常是X、Ku與Ka。這些武器平臺空間狹小，自身價值有限或者雷達實際使用壽命很短，但是相控陣系統(tǒng)的戰(zhàn)術技術指標要求卻依然很高：波束掃描范圍寬，指向精度高，具備多目標精確跟蹤能力；重量輕，尺寸緊湊，

5、功耗少；生產(chǎn)目標成本低。大型天基通信與雷達探測也日益強調(diào)采用相控陣技術，成本雖非首要因素，但是體積、重量與功耗要求卻非常苛刻。民用智能通信天線尤其關注成本控制。相控陣天線是相控陣系統(tǒng)的核心部分，特別是兩維有源相控陣天線，其集成水平?jīng)Q定了整個系統(tǒng)的性能與成本。工作頻率愈高，每個陣元的面積（～λ2/4）愈小，集成度要求愈高。傳統(tǒng)的有源相控陣天線，當應用平臺或者功能項目變化，需要擴大或者縮小陣列天線的口徑時，除了要增加或減少T/R組件的數(shù)量，還需要重新設計相控陣其它分系統(tǒng)，以適應射頻、中頻、數(shù)字信號與電源接口數(shù)量

6、以及負荷能力的變化。開放式可擴展陣列天線，以子陣模塊為基本單元，不僅封裝了多個相控陣天線通道，還集成了相控陣其它分系統(tǒng)（如波束形成與幅相校正網(wǎng)絡，電源、波束控制、頻率源、波形產(chǎn)生以及冷卻系統(tǒng)）的部分功能，大幅度減少接口類型與數(shù)量，實現(xiàn)模塊化、通用化，提高可擴展性能。這時候，每個子陣都是一個高度集成的小型相控陣天線。過去十年間，單片微波集成電路迅速發(fā)展，在相控陣天線上得到廣泛應用，提高了系統(tǒng)可靠性，減小了體積，降低了重量與成本。但是兩維有源相控陣仍然是代價不菲的，迄今為止，僅僅美國的戰(zhàn)斗機部分換裝了有源相控陣

7、雷達。相控陣天線集成陣列結構有兩種：磚塊式與瓦片式；電路集成技術由多芯片模塊（MCM）向多功能集成芯片與晶圓級單片相控陣發(fā)展。2陣列結構與封裝將多個通道在電路與結構上封裝為一個整體，作為陣列裝配的基礎積木塊或在線可更換單元（LRU），是相控陣天線最基本的集成手段?；A陣列模塊通常集成了多個T/R組件，射頻饋電網(wǎng)絡，控制與直流偏置等電路；如果還集成了天線輻射陣元，可稱為子陣。相控陣天線集成的陣列結構有兩種：基于磚塊式線子陣的縱向集成橫向組裝；基于瓦片式面子陣的橫向集成縱向組裝[1]，如圖1所示[2]。通常磚塊

8、式用于較高頻段，瓦片式用于較低頻段，但是還要兼顧相控陣天線的用途與技術參數(shù)。脈沖工作的雷達系統(tǒng)，波束窄，陣元數(shù)多且間距小，功耗大，系統(tǒng)散熱要求苛刻，磚塊式設計相對容易；6通信系統(tǒng)的發(fā)射功率要求不高，波束比較寬，陣元數(shù)少且間距寬，瓦片式集成難度比較?。欢残蜗嗫仃囂炀€必須采用瓦片式集成技術。通道密布磚塊子陣瓦片子陣圖1磚塊式與瓦片式集成子陣Fig.1:Brickandtiletypesub-array通過子陣模塊集