先進的MMIC有助于減小相控陣雷達系統(tǒng)的尺寸和功率
發(fā)布時間：2018-10-08 16:20:39 瀏覽：1840
相控陣雷達系統(tǒng)是國家電子防御戰(zhàn)略中的重要手段。從掃描遠程發(fā)射導(dǎo)彈的大型艦載系統(tǒng)到安裝在戰(zhàn)斗機和無人機（UAV）上的更緊湊的陣列，電子相控陣雷達有多種尺寸和形式，提供可靠的信號檢測和識別。與早期的雷達系統(tǒng)相比，這些現(xiàn)代系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，這些雷達系統(tǒng)依靠天線的物理運動來引導(dǎo)雷達波束以尋找目標。這種早期的方法肯定是經(jīng)過驗證和可靠的，已經(jīng)在軍事平臺和商業(yè)航空中使用了70多年，但它的掃描速率受到天線機械運動的限制。相反，相控陣雷達系統(tǒng)使用具有移相器的許多等間隔天線元件，每個元件貢獻少量電磁（EM）輻射以形成更大的光束。隨著每個天線元件的相位被移位和對準，雷達波束的方向改變，并且隨著每個元件的振幅變化，遠場響應(yīng)的模式被整形為期望的響應(yīng)。因此，可以在不需要機械旋轉(zhuǎn)天線的情況下操縱整個雷達天線波束。現(xiàn)在可以通過模擬或數(shù)字控制執(zhí)行的波束形成可以以極高的速度進行，僅受電子元件的切換速度的限制。隨著每個天線元件的相位被移位和對準，雷達波束的方向改變，并且隨著每個元件的振幅變化，遠場響應(yīng)的模式被整形為期望的響應(yīng)。因此，可以在不需要機械旋轉(zhuǎn)天線的情況下操縱整個雷達天線波束。現(xiàn)在可以通過模擬或數(shù)字控制執(zhí)行的波束形成可以以極高的速度進行，僅受電子元件的切換速度的限制。隨著每個天線元件的相位被移位和對準，雷達波束的方向改變，并且隨著每個元件的振幅變化，遠場響應(yīng)的模式被整形為期望的響應(yīng)。因此，可以在不需要機械旋轉(zhuǎn)天線的情況下操縱整個雷達天線波束。現(xiàn)在可以通過模擬或數(shù)字控制執(zhí)行的波束形成可以以極高的速度進行，僅受電子元件的切換速度的限制。
從歷史上看，相控陣雷達系統(tǒng)的成本和重量都很大。隨著無人機和無人駕駛地面車輛（UGV）的爆炸性增長成為防御武器庫的關(guān)鍵要素，在這些重量敏感系統(tǒng)中對更輕的相控陣雷達系統(tǒng)的需求將繼續(xù)增長。此外，越來越多地使用這種雷達用于非軍事應(yīng)用，例如美國國家氣象局（密蘇里州斯普林菲爾德）的龍卷風(fēng)探測，正在幫助推動對低成本系統(tǒng)的需求。幸運的是，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)，可以滿足對相控陣雷達系統(tǒng)不斷增長的需求。
相控陣優(yōu)勢和缺點
相控陣雷達系統(tǒng)的好處遠遠超過它們的限制，因此它們在許多軍用電子系統(tǒng)和平臺中的使用越來越多。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，因此信號可以非常快速地從一個目標跳到下一個目標，而頻率捷變可以用于快速搜索扇區(qū)中的目標。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，但機械掃描雷達系統(tǒng)在可用于天線運動的物理區(qū)域中也存在限制。妨礙在許多應(yīng)用中采用相控陣雷達系統(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屬性的努力代表了一項重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，直到最近這一挑戰(zhàn)似乎是一個相當(dāng)艱巨的障礙。畢竟，相控陣雷達非常復(fù)雜，甚至在這方面也在增長，因為目標識別變得更加困難。如何實現(xiàn)SWAP-C減少？
一條新的前進道路
（圖1）
相控陣雷達系統(tǒng)（圖1）由大量（通常是數(shù)千個）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，如放大器，濾波器，混頻器，移相器和開關(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，簡單地更換組件只能讓設(shè)計人員受益。在任何相控陣雷達系統(tǒng)中獲得額外的SWaP-C優(yōu)勢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，以及用于信號調(diào)節(jié)的開關(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)和電路級別的分析應(yīng)緊密相連，因為系統(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，因為這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)計人員進行了接觸，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)的開發(fā)。在電路級，
例如，他們關(guān)注重點發(fā)展的一個地方是傳輸HPA，這是幾乎每個應(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并非沒有缺點，最值得注意的是需要負柵極電壓和測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)千個元素的陣列，這樣的HPA對整個系統(tǒng)造成巨大壓力，并為SWaP-C的減少提供了重大障礙。因此，作為美國陸軍小企業(yè)創(chuàng)新研究基金（SBIR）的一部分，他們針對X波段相控陣系統(tǒng)的發(fā)射部分攻擊了這個問題。他們沒有利用耗盡模式pHEMT，而是轉(zhuǎn)向HPA的增強模式pHEMT，這種技術(shù)通常被降級到其他應(yīng)用，如高速邏輯電路或開關(guān)。在增強模式中，pHEMT通常是關(guān)閉的，直到向柵極施加正電壓。不再需要負電壓，也不再需要電壓定序器，因為可以先施加控制或漏極電壓; 放大器在兩者都存在之前不會打開。到底，他們能夠用增強模式設(shè)計取代現(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，同時耗散25％的直流功率。就SWaP-C而言，增強型功率放大器的優(yōu)勢是巨大的，并為微波系統(tǒng)設(shè)計人員提供了重大突破。
他們考慮的第二個問題是X波段相控陣系統(tǒng)中的接收器LNA，作為單獨SBIR合同的一部分。這里，它們還從耗盡模式切換到增強模式過程，從而消除了現(xiàn)有解決方案的負電壓和定序器。它們的最終設(shè)計噪聲系數(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應(yīng)用程序，它要求一對相對匹配良好的LNA，一個用于返回信號中的兩個極化中的每一個。從他們的增強模式LNA開始，他們在一個MMIC芯片上創(chuàng)建了雙版本，從而保證匹配對。他們還與他們的封裝供應(yīng)商合作開發(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“標準”產(chǎn)品，它不是普通的，因為它結(jié)合了電路，系統(tǒng)和技術(shù)水平的創(chuàng)新，以提供對SWaP-C產(chǎn)生重大影響的組件。
展望未來，他們將繼續(xù)開發(fā)相控陣雷達系統(tǒng)的組件，并同樣挑戰(zhàn)5G無線系統(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幫助設(shè)計人員。
“我們每天都在了解相控陣雷達和天線系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)，”Custom MMIC CSO，Charles Trantanella說。“我們的產(chǎn)品設(shè)計方法始終是傾聽和反應(yīng)，我們非常高興能夠不僅提供設(shè)計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值偏向和正增益斜率特性在他們尋求滿足SWaP-C目標方面證明是非常寶貴的。“
