相控阵雷达收发部件的新进展

邵余红

(中国电子科技集团公司第14研究所，南京 210039)

0 引言

军事领域里，相控阵技术在电子对抗舞台上已实现有源、无源探测，低截获概率探测，超视距、双多基地探测;其技术体制使得系统工作的空域覆盖范围大，整体效率大幅提高。随着技术的迅速发展，相控阵技术还将促进几种新概念雷达的研制:泛探雷达，软件化雷达，MIMO雷达，收发全数字波束形成(DBF)相控阵雷达［1］。

民用领域里，相控阵天线已应用于港口及空中交通管制、微波着陆导航、气象预测预报、通信广播、射电天文、遥测遥感和生物医疗等。

各类需求使得相控阵技术不断发展。相控阵技术发展的内容十分丰富，下面从发射机、接收机和天线三大方面探讨相控阵系统的发展趋势。

1 相控阵雷达发射机的要求和技术突破

1.1 新军事环境对相控阵雷达发射机的要求

雷达技术飞速发展对发射机提出了各种苛刻的要求:(1)为在恶劣环境下发现目标并准确地测试所发现目标的各项参数，发射信号必须是相参的，发射信号脉间应是高稳定的。(2)发射机要能输出多种复杂波形，且输出信号的信号失真要小。(3)提高抗干扰能力，采用宽带发射机。(4)相控阵发射机向更高频段发展。

全固态发射机是一种分布放大式发射机，其射频固态放大器与馈线、功率分配器、移相器、T/R组件等构成多辐射单元的有源天线阵列，能够满足上述要求的雷达。

电真空发射机也向采用快波器件类发展。毫米波高功率回旋速调管的发明与进展，使大功率毫米波有源相控阵雷达成为现实。

1.2 相控阵雷达发射机的技术突破

在恶劣环境下发现目标、探测隐身目标及小目标，提高雷达抗干扰能力，及超远程探测都要求高功率发射信号，如何实现发射机输出功率的不断增长呢?总体上，运用分布式子阵发射分系统是一个发展方向，但这在很大程度上依赖于半导体功率器件与微波/毫米波集成电路技术的进展，电真空子阵发射机、固态子阵发射机、微波功率组件子阵发射机。

(1)采用大功率微波电真空器件

大功率微波电真空器件向太赫兹频段发展，采用光子晶体谐振腔，高阶模式下可以有效抑制模式竞争，提高回旋管的工作稳定性;还具有较高的Q值，从而可以提高回旋管的输出功率［2］。

国内外研究机构采用不同方法对太赫兹回旋振荡管进行了实验和理论研究。

110～170 GHz连续波回旋管领域［3］:美国麻省理工学院研制出了频率110 GHz，输出功率1.5 MW，总效率37%，电压96 kV，电流40 A的回旋管;俄罗斯应用物理研究所(IAP)和GYCOM公司也针对ITER计划研究了MW量级170 GHz的回旋管，模式选择为 TE28，12，脉冲长度0.1 s，输出功率1.44 MW，首次实验效率41%。

200～500 GHz连续波回旋管领域:美国麻省理工学院研究了频率233 GHz，输出功率12 W，电压3.5 kV，电流50 mA 的回旋管，工作模式 TE2，9，1。俄罗斯、日本、中国也开展了研究。

600 GHz～1 THz回旋管领域:俄罗斯和日本联合研制频率1.022 THz，输出功率高于1.5 kW，电压24 kV，电流3 A的回旋管，工作模式TE17，4。美国也有这方面的报道。美国研制的真实孔径太赫兹雷达成像结果，如图1所示。

目前，太赫兹辐射源中最被看好的创新型器件是以GaAs/AlGaAs异质结为基础，运用能级之间跃迁的纵向光学声子谐振产生粒子数反转而实现的辐射源。

图1 美国研制的真实孔径太赫兹雷达成像结果，右图是光学成像结果［4］

(2)采用新型固态功率器件

随着新型Si功率双极型晶体管、MMIC及GaAs FET器件工作频率的不断提高和输出功率的不断增加，不仅很多工作频率在4 GHz以下的雷达都可采用全固态发射机，而且在C波段、X波段乃至毫米波段也可以实现全固态发射机。如，美国“宙斯盾”防空系统的AN/SPY－1型三坐标多功能相控阵雷达，S波段，脉冲功率超过4 MW，采用了64个峰值功率为125 kW的前向波管作为末级，由固态放大器直接驱动。

固态发射机的未来发展是分布式的固态T/R组件，将T/R组件直接放在天线阵面上，与天线辐射单元(或子阵)直接相连，以最大限度减少馈线损失和功率合成网络的损失。如，“COBRA”火炮定位有源相控阵雷达，C波段，其发射机由3000多个输出功率为5 W的T/R功率放大器组件构成，总功率大于15 kW。

固态器件多元化发展，其中包含GeSi、GaAs和InP等。SiC和GaN等宽禁带半导体器件是一个重要发展方向。2007年固态器件和发射管的情况如图2所示。

图2 2007年固态器件和发射管的情况

(3)采用微波功率组件(MPM)

MPM是电真空器件与固态功率器件相结合而产生的。MPM由真空功率放大器(VPB，一种专用的TWT)、单片微波集成电路(MMIC)或固态放大器(SSA)和集成电源调整器(IPC)组成。

相控阵雷达发射机的技术突破很大程度上取决于半导体功率器件和微波/毫米波集成电路的进展。就目前而言，硅技术仍是半导体技术应用的核心，但它将与化合物半导体技术、纳米技术和各类衍生出来的新技术不断结合，开拓新的应用，推动发射机向高频率、宽频带、高功率、低损耗、高集成、高可靠、长寿命和抗干扰技术继续发展。

2 对相控阵雷达接收机的要求和技术突破

2.1 对相控阵雷达接收机的要求

接收机向以下几个方面发展:采用软件无线电技术，接收机和频率源中运用HMIC和MMIC，超宽带技术，超导技术，雷达接收机与电子战、通信接收机一体化技术。

先进雷达对接收机的要求可概括为:宽频带，低噪声，大动态和高稳定。

2.2 相控阵雷达接收机的技术突破

雷达数字化的进程是在数字式接收的基础上，形成数字阵雷达。有源相控阵数字阵雷达的接收分系统包含接收通道、频率源、激励源和雷达波形产生器，这些进入到有源相控阵天线阵面，就形成了有源相控阵数字阵雷达。对有源相控阵数字阵雷达而言，有一种极有发展前途的技术，即在天线子阵和接收前端后面采用光学ADC对射频回波信号直接进行数字化，免去了馈线部分，该技术已引起雷达界的高度重视并予以开发，某波段宽带数字阵雷达组成框图如图3所示，可以看出，系统组成非常简单，它没有复杂的馈线网络，只有信号处理机和数字阵列天线(主要由DTR组成)两个部分，DTR和信号处理机之间通过光纤连接，所以系统有很高的重构性。

图3 某频段数字阵雷达的框架结构

接收机数字化程度的主要标志是模数变换器(ADC)的性能。

随着微电子技术的高速发展，绝大部分ADC实现了采样/保持电路的单片全集成化。ADC技术向着三个方面发展:高速和超高速采样;高分辨率;低功耗、低电压。电子ADC的发展在提高采样速率时，分辨率受到了限制，据统计，电子ADC每提高1位分辨率，需要6.5年时间，目前商品化的ADC最高采样率在1 GHz～2 GHz之间，最高分辨率在8 bit～10 bit之间。对于高速、高分辨率ADC，光学ADC更有发展前途。

超导ADC已经面世，它可以大大降低噪声并获得更快的转换速度。但是，超低温的运行条件不仅增加了其复杂程度，而且在许多应用场合受到限制，目前尚难以推广。

就目前而言，相控阵雷达接收机要实现数字化、提高灵敏度、增强抗干扰能力，需要采用光纤高传输技术、数字/光学转换技术、现场可编程门阵列(FPGA)数字收发技术和高速VME技术、数字波束形成技术等。这些都有赖于高速大容量、高分辨力、高采样率变换和高效滤波器件的开发。

3 对相控阵雷达天线的要求和技术突破

3.1 对相控阵雷达接收机的要求

各先进雷达对接收机的要求可概括为:宽频带，低噪声，大动态和高稳定。针对这样的要求，接收机正在以下几个关键技术的推动下迅速发展:数字化接收技术，软件无线电技术，接收机和频率源中运用HMIC和MMIC，超宽带技术，超导技术，雷达接收机与电子战、通信接收机一体化技术。其中本节主要讨论数字接收机技术的发展和突破。

3.2 相控阵雷达天线的技术突破

相控阵天线通过采用微电子机械系统(MEMS)、改进T/R组件和运用射频光电子技术等获得性能上的提高、尺寸上的减小及成本的降低。

3.2.1 采用微电子机械系统(MEMS)的相控阵天线

(1)MEMS器件

a)高功率RF－MEMS开关

最早用作射频开关的微机械开关由Petersen于1979年首次演示，是一种0.35 μm厚的静电激励悬臂梁开关。微机械开关具有低插损、高隔离度、微波频段上的低回波损耗(良好的阻抗匹配)等优越性，自1979年起，世界各研究机构研制了各种用途的微机械开关，用于反射阵天线和移相器等方面。

开关器件的主要性能要求体现在:耐功率能力，切换时间，可靠性与周期数之比。MEMS开关与其他开关器件的比较见表1。

b)MEMS电容谐振器

SiREUS项目开发了带预选前置放大器的MEMS电容谐振器［5］，如图4所示。

图4 SiREUS项目开发的带预选前置放大器的MEMS 电容谐振器(尺寸 4 mm)［9］

c)MEMS移相器

微波移相器是相控阵雷达、卫星通信、移动通信设备中的核心组件，它的工作频带、插入损耗直接影响着这些系统的抗干扰能力和灵敏度，以及系统的重量、体积和成本。

近年来，随着RF MEMS开关的研究不断取得进展，使MEMS开关替代传统的铁氧体开关、PIN二极管、FET，设计制造宽带宽、低插损RF MEMS移相器已经成为可能。

国外报道始于1998年，N.S.Barker研制了第一个宽带MEMS移相器。随后，多个国家开展了多种MEMS移相器的研制，其中大多数使用RF MEMS开关周期性地分布在MEMS传输线上，在共面波导的中心导体和地之间外加模拟控制电压，使MEMS膜板拉向中心导体，引起相速度增加，控制相位。通过连续改变控制电压，相位连续可调，每一位移相器都有不同数量的开关阵列加载在不同长度的传输线上，加驱动电压时，MEMS开关阵列膜板同时下拉至共面波导导体，从而得到某一精确的相移度数。

(2)应用实例

土耳其中东技术大学电气与电子工程系研制了一个大小为6 cm×5 cm的单片相控阵，采用128个开关的单片MEMS技术、工作频率15 GHz、包含四个线性排列的微带贴片天线，3维分布的MEMS传输线型移相器。除MEMS开关外，还采用高Q值金属－空气－金属电容(MAM)提高移相器性能［6］。

意大利 Perugia大学的 Roberto Sorrentino等［7］对电控MEMS天线进行了研究:采用RF－MEMS电路实现幅相控制的天线阵的模拟波束形成。

MEMS技术可极大提高集成度及对电磁干扰的免疫力。

3.2.2 T/R组件不断采用新技术

随着微电子新技术、微机电新技术的不断发展，T/R组件的研制技术花样纷呈，以SiGe、GaN和SiC等新材料为基底的技术在T/R组件中得到了越来越多的应用［8］。

美国研制的采用GaN HEMT MMIC技术的X波段T/R组件如图5所示，用于有源电扫相控阵雷达。其GaN MMIC HPA片的尺寸为5.33 mm×3.5 mm，基底厚度为70 μm。

图5 采用GaN HEMT MMIC技术的X波段T/R组件［13］

低成本，小型化一直以来就是军事工业追求的目标之一。下面两个例子就成功实现了相控阵天线T/R组件的低成本化。

韩国研制了采用阳极氧化处理的铝基板的紧凑型高功率X波段T/R组件，大小为28 mm×28 mm×0.5 mm，最大输出功率 39.21 dBm(8.3 W)，最大发射增益39.82 dB，在9～10 GHz频带上的接收增益22.1 dB，采用多片结构(MCM)，射频信号幅相控制由一只6位移相器实现，RMS精度好于6°，RMS精度好于2 dB时的增益设置范围24 dB。

采用铝封装的好处是:减小体积、降低成本、利于热管理。

美国导弹防御局(MDA)为使地基雷达进一步小型化、可运输、低成本，开始了“SPEAR项目”，研制下一代地基导弹防御雷达，采用了一系列的低成本组件技术。

3.2.3 射频光电子技术运用于相控阵天线

光学波束形成网络，也就是光纤延迟线单元，主要功能是替代宽带相控阵天线中的用射频馈线构成的延迟线单元。它具有时间带宽积大或阵面定向无偏斜、被延时的信号频率高、线性好、损耗小及无电磁干扰等优点。为提高抗干扰能力、分辨力及多目标雷达成像能力，相控阵雷达要求大的瞬时信号带宽，光纤延迟线移相器是一个很好的解决方案，是一个发展方向。国内外对光控波束形成网络展开了广泛的研究。美国DARPA有多个项目涉及光控波束形成网络，德国、日本、英国、荷兰、韩国、澳大利亚等也都有研究报道，其中荷兰2009年报道称，Twente大学电子工程系研究了机载SAR宽带光学波束形成。

射频光电子技术不断发展，其在相控阵天线上的应用内容将会越来越丰富，除这里提到的光学波束形成网络外，还有基于光子技术的射频滤波等等。

4 结语

相控阵雷达的发展前景是非常广阔的，要攻克的技术也很多，除本文介绍的这些以外，还有空时自适应处理(STAP)、数字波束形成、超宽带阵列等等。低成本技术的内容也是丰富多彩的，这里仅列举了几个例子;各类T/R组件在采用的材料、工艺上不断革新，越趋高功率、低成本、高可靠性;数字波束形成、超宽带阵列的实现将寄望于微波光子技术。

所有这些都为相控阵系统的进化夯实了基础，并展现了美好的前景。

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