先進(jìn)的MMIC有助于減小相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的尺寸和功率
發(fā)布時(shí)間：2018-10-08 16:20:39 瀏覽：1655
相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)是國(guó)家電子防御戰(zhàn)略中的重要手段。從掃描遠(yuǎn)程發(fā)射導(dǎo)彈的大型艦載系統(tǒng)到安裝在戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人機(jī)（UAV）上的更緊湊的陣列，電子相控陣?yán)走_(dá)有多種尺寸和形式，提供可靠的信號(hào)檢測(cè)和識(shí)別。與早期的雷達(dá)系統(tǒng)相比，這些現(xiàn)代系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，這些雷達(dá)系統(tǒng)依靠天線的物理運(yùn)動(dòng)來(lái)引導(dǎo)雷達(dá)波束以尋找目標(biāo)。這種早期的方法肯定是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和可靠的，已經(jīng)在軍事平臺(tái)和商業(yè)航空中使用了70多年，但它的掃描速率受到天線機(jī)械運(yùn)動(dòng)的限制。相反，相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)使用具有移相器的許多等間隔天線元件，每個(gè)元件貢獻(xiàn)少量電磁（EM）輻射以形成更大的光束。隨著每個(gè)天線元件的相位被移位和對(duì)準(zhǔn)，雷達(dá)波束的方向改變，并且隨著每個(gè)元件的振幅變化，遠(yuǎn)場(chǎng)響應(yīng)的模式被整形為期望的響應(yīng)。因此，可以在不需要機(jī)械旋轉(zhuǎn)天線的情況下操縱整個(gè)雷達(dá)天線波束。現(xiàn)在可以通過(guò)模擬或數(shù)字控制執(zhí)行的波束形成可以以極高的速度進(jìn)行，僅受電子元件的切換速度的限制。隨著每個(gè)天線元件的相位被移位和對(duì)準(zhǔn)，雷達(dá)波束的方向改變，并且隨著每個(gè)元件的振幅變化，遠(yuǎn)場(chǎng)響應(yīng)的模式被整形為期望的響應(yīng)。因此，可以在不需要機(jī)械旋轉(zhuǎn)天線的情況下操縱整個(gè)雷達(dá)天線波束。現(xiàn)在可以通過(guò)模擬或數(shù)字控制執(zhí)行的波束形成可以以極高的速度進(jìn)行，僅受電子元件的切換速度的限制。隨著每個(gè)天線元件的相位被移位和對(duì)準(zhǔn)，雷達(dá)波束的方向改變，并且隨著每個(gè)元件的振幅變化，遠(yuǎn)場(chǎng)響應(yīng)的模式被整形為期望的響應(yīng)。因此，可以在不需要機(jī)械旋轉(zhuǎn)天線的情況下操縱整個(gè)雷達(dá)天線波束。現(xiàn)在可以通過(guò)模擬或數(shù)字控制執(zhí)行的波束形成可以以極高的速度進(jìn)行，僅受電子元件的切換速度的限制。
從歷史上看，相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的成本和重量都很大。隨著無(wú)人機(jī)和無(wú)人駕駛地面車(chē)輛（UGV）的爆炸性增長(zhǎng)成為防御武器庫(kù)的關(guān)鍵要素，在這些重量敏感系統(tǒng)中對(duì)更輕的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的需求將繼續(xù)增長(zhǎng)。此外，越來(lái)越多地使用這種雷達(dá)用于非軍事應(yīng)用，例如美國(guó)國(guó)家氣象局（密蘇里州斯普林菲爾德）的龍卷風(fēng)探測(cè)，正在幫助推動(dòng)對(duì)低成本系統(tǒng)的需求。幸運(yùn)的是，借助現(xiàn)代RF /微波集成電路（IC）和單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)，可以滿足對(duì)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)不斷增長(zhǎng)的需求。
相控陣優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)
相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它們的限制，因此它們?cè)谠S多軍用電子系統(tǒng)和平臺(tái)中的使用越來(lái)越多。由于相控陣中的波束控制可以以毫秒和更快的速度執(zhí)行，因此信號(hào)可以非常快速地從一個(gè)目標(biāo)跳到下一個(gè)目標(biāo)，而頻率捷變可以用于快速搜索扇區(qū)中的目標(biāo)。相控陣天線波束的覆蓋范圍通常限制在120度。方位角和仰角扇形。雖然這種響應(yīng)是相控陣的已知限制，但機(jī)械掃描雷達(dá)系統(tǒng)在可用于天線運(yùn)動(dòng)的物理區(qū)域中也存在限制。妨礙在許多應(yīng)用中采用相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的重要因素仍然是尺寸，重量，功率和成本（SWAP-C）。旨在最大限度地減少這四個(gè)屬性的努力代表了一項(xiàng)重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，直到最近這一挑戰(zhàn)似乎是一個(gè)相當(dāng)艱巨的障礙。畢竟，相控陣?yán)走_(dá)非常復(fù)雜，甚至在這方面也在增長(zhǎng)，因?yàn)槟繕?biāo)識(shí)別變得更加困難。如何實(shí)現(xiàn)SWAP-C減少？
一條新的前進(jìn)道路
（圖1）
相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)（圖1）由大量（通常是數(shù)千個(gè)）發(fā)射/接收（T / R）模塊構(gòu)成，這使得陣列能夠用作發(fā)射器和接收器。這些模塊最初采用分立式混合元件設(shè)計(jì)，如放大器，濾波器，混頻器，移相器和開(kāi)關(guān)，現(xiàn)在更常用高頻IC或MMIC技術(shù)制造。這種向IC技術(shù)的轉(zhuǎn)換在減少SWAP-C方面提供了巨大的好處，但到目前為止，簡(jiǎn)單地更換組件只能讓設(shè)計(jì)人員受益。在任何相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中獲得額外的SWaP-C優(yōu)勢(shì)還需要了解如何最好地將可用的IC和MMIC技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)（圖2）。事實(shí)上，尺寸，重量的關(guān)鍵特征，
技術(shù)水平的分析首先涉及半導(dǎo)體材料的選擇。現(xiàn)代商業(yè)半導(dǎo)體代工廠通常提供許多不同的材料技術(shù)，但其中的選擇并不總是直截了當(dāng)。高頻T / R模塊中的元件通常包括用于發(fā)送目的的高功率放大器（HPA），用于接收目的的低噪聲放大器（LNA），用于信號(hào)轉(zhuǎn)換的混頻器和振蕩器（頻率上變頻和下變頻），以及衰減器，濾波器，以及用于信號(hào)調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)。為所有這些功能制造MMIC可能需要不止一種半導(dǎo)體技術(shù)。例如，基于碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）襯底的工藝將優(yōu)于系統(tǒng)的更高功率部分，例如發(fā)射功能，
系統(tǒng)和電路級(jí)別的分析應(yīng)緊密相連，因?yàn)橄到y(tǒng)只能與其組件的總和一樣好。不幸的是，絕大多數(shù)IC和MMIC電路供應(yīng)商沒(méi)有充分考慮任何特定系統(tǒng)，而是選擇創(chuàng)建可用于廣泛應(yīng)用的通用組件。這種方法雖然在IC和MMIC開(kāi)發(fā)方面具有成本效益，但在降低SWaP-C方面并不總是最佳的，因?yàn)檫@些組件不能輕易地定制用于相控陣系統(tǒng)。
具有前瞻性思維的MMIC供應(yīng)商，如Custom MMIC，致力于將技術(shù)，系統(tǒng)和電路分析相結(jié)合的方法，以創(chuàng)建解決相控陣系統(tǒng)中SWaP-C挑戰(zhàn)的組件。在技術(shù)層面，他們與幾乎所有的全球商用III-V半導(dǎo)體代工廠合作，并對(duì)一些最新工藝（包括光學(xué)pHEMT和高頻GaN）有深入了解。在系統(tǒng)層面，他們與眾多相控陣設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了接觸，并親自了解昨天的組件如何阻礙下一代低成本，低重量，高性能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。在電路級(jí)，
例如，他們關(guān)注重點(diǎn)發(fā)展的一個(gè)地方是傳輸HPA，這是幾乎每個(gè)應(yīng)用程序都需要的通用組件。在微波和毫米波頻率下，發(fā)射放大器通常由耗盡模式pHEMT工藝制造，這是一種高效且成熟的技術(shù)。然而，耗盡模式pHEMT并非沒(méi)有缺點(diǎn)，最值得注意的是需要負(fù)柵極電壓和測(cè)序程序以確保在漏極電壓之前施加?xùn)艠O電壓，以免FET器件遭受不可挽回的損害。就其本質(zhì)而言，HPA的負(fù)電壓和排序電路在復(fù)雜性，電路板空間和額外組件的成本方面是昂貴的。在相控陣中，尤其是具有數(shù)千個(gè)元素的陣列，這樣的HPA對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成巨大壓力，并為SWaP-C的減少提供了重大障礙。因此，作為美國(guó)陸軍小企業(yè)創(chuàng)新研究基金（SBIR）的一部分，他們針對(duì)X波段相控陣系統(tǒng)的發(fā)射部分攻擊了這個(gè)問(wèn)題。他們沒(méi)有利用耗盡模式pHEMT，而是轉(zhuǎn)向HPA的增強(qiáng)模式pHEMT，這種技術(shù)通常被降級(jí)到其他應(yīng)用，如高速邏輯電路或開(kāi)關(guān)。在增強(qiáng)模式中，pHEMT通常是關(guān)閉的，直到向柵極施加正電壓。不再需要負(fù)電壓，也不再需要電壓定序器，因?yàn)榭梢韵仁┘涌刂苹蚵O電壓; 放大器在兩者都存在之前不會(huì)打開(kāi)。到底，他們能夠用增強(qiáng)模式設(shè)計(jì)取代現(xiàn)有的耗盡模式PA，增益提高5 dB，功率提高1 dB，線性度提高2 dB，同時(shí)耗散25％的直流功率。就SWaP-C而言，增強(qiáng)型功率放大器的優(yōu)勢(shì)是巨大的，并為微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了重大突破。
他們考慮的第二個(gè)問(wèn)題是X波段相控陣系統(tǒng)中的接收器LNA，作為單獨(dú)SBIR合同的一部分。這里，它們還從耗盡模式切換到增強(qiáng)模式過(guò)程，從而消除了現(xiàn)有解決方案的負(fù)電壓和定序器。它們的最終設(shè)計(jì)噪聲系數(shù)降低了1 dB，增益提高了8 dB，直流功耗降低了8倍，現(xiàn)有耗盡型解決方案的單位成本降低了一半。然而，他們很快遇到了一個(gè)應(yīng)用程序，它要求一對(duì)相對(duì)匹配良好的LNA，一個(gè)用于返回信號(hào)中的兩個(gè)極化中的每一個(gè)。從他們的增強(qiáng)模式LNA開(kāi)始，他們?cè)谝粋€(gè)MMIC芯片上創(chuàng)建了雙版本，從而保證匹配對(duì)。他們還與他們的封裝供應(yīng)商合作開(kāi)發(fā)了一種低成本的矩形QFN塑料封裝，以最大限度地匹配最終的芯片尺寸。最終的結(jié)果是一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”產(chǎn)品，它不是普通的，因?yàn)樗Y(jié)合了電路，系統(tǒng)和技術(shù)水平的創(chuàng)新，以提供對(duì)SWaP-C產(chǎn)生重大影響的組件。
展望未來(lái)，他們將繼續(xù)開(kāi)發(fā)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的組件，并同樣挑戰(zhàn)5G無(wú)線系統(tǒng)。利用其他技術(shù)，如高頻GaN，以及多芯片模塊中不同半導(dǎo)體器件的組合，他們希望在數(shù)字控制功能必須與更高頻率功能集成時(shí)幫助設(shè)計(jì)人員。
“我們每天都在了解相控陣?yán)走_(dá)和天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，”Custom MMIC CSO，Charles Trantanella說(shuō)。“我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法始終是傾聽(tīng)和反應(yīng)，我們非常高興能夠不僅提供設(shè)計(jì)師所尋求的相位陣列系統(tǒng)的高頻性能規(guī)格，而且還能提供諸如積極的事物的附加價(jià)值偏向和正增益斜率特性在他們尋求滿足SWaP-C目標(biāo)方面證明是非常寶貴的。“
