毫米波有源相控阵雷达原理系统与试验

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1、相控阵天线集成技术彭祥龙（西南电子技术研究所成都610036）摘要：低成本、更高频段与可扩展是推动相控阵天线集成技术发展的主要动力。本文综述了砖块式与瓦片式两种相控阵天线集成阵列结构，以及多功能芯片与射频晶圆集成技术的发展，指出开发多功能芯片是当前发展毫米波相控阵天线的重要途径。关键词：相控阵天线，低成本，集成技术，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引言早期的相控阵雷达用于战略探测、跟踪与预警，工作频率较低，整个系统体积巨大，成本高昂。随着微电子与计算机技术的发展，相控阵系统逐渐应用于战术层面，如战斗机、直升机、无人机、精确制导等领域，工作频段通常是X、Ku与Ka。这些武器平台空间狭小，自身价值有限或者雷达实际使用寿命很短，但是相控阵系统的战术技术指标要求却依然很高：波束扫描范围宽，指向精度高，具备多目标精确跟踪能力；重量轻，尺寸紧凑，

5、功耗少；生产目标成本低。大型天基通信与雷达探测也日益强调采用相控阵技术，成本虽非首要因素，但是体积、重量与功耗要求却非常苛刻。民用智能通信天线尤其关注成本控制。相控阵天线是相控阵系统的核心部分，特别是两维有源相控阵天线，其集成水平决定了整个系统的性能与成本。工作频率愈高，每个阵元的面积（～λ2/4）愈小，集成度要求愈高。传统的有源相控阵天线，当应用平台或者功能项目变化，需要扩大或者缩小阵列天线的口径时，除了要增加或减少T/R组件的数量，还需要重新设计相控阵其它分系统，以适应射频、中频、数字信号与电源接口数量

6、以及负荷能力的变化。开放式可扩展阵列天线，以子阵模块为基本单元，不仅封装了多个相控阵天线通道，还集成了相控阵其它分系统（如波束形成与幅相校正网络，电源、波束控制、频率源、波形产生以及冷却系统）的部分功能，大幅度减少接口类型与数量，实现模块化、通用化，提高可扩展性能。这时候，每个子阵都是一个高度集成的小型相控阵天线。过去十年间，单片微波集成电路迅速发展，在相控阵天线上得到广泛应用，提高了系统可靠性，减小了体积，降低了重量与成本。但是两维有源相控阵仍然是代价不菲的，迄今为止，仅仅美国的战斗机部分换装了有源相控阵

7、雷达。相控阵天线集成阵列结构有两种：砖块式与瓦片式；电路集成技术由多芯片模块（MCM）向多功能集成芯片与晶圆级单片相控阵发展。2阵列结构与封装将多个通道在电路与结构上封装为一个整体，作为阵列装配的基础积木块或在线可更换单元（LRU），是相控阵天线最基本的集成手段。基础阵列模块通常集成了多个T/R组件，射频馈电网络，控制与直流偏置等电路；如果还集成了天线辐射阵元，可称为子阵。相控阵天线集成的阵列结构有两种：基于砖块式线子阵的纵向集成横向组装；基于瓦片式面子阵的横向集成纵向组装[1]，如图1所示[2]。通常砖块

8、式用于较高频段，瓦片式用于较低频段，但是还要兼顾相控阵天线的用途与技术参数。脉冲工作的雷达系统，波束窄，阵元数多且间距小，功耗大，系统散热要求苛刻，砖块式设计相对容易；6通信系统的发射功率要求不高，波束比较宽，阵元数少且间距宽，瓦片式集成难度比较小；而共形相控阵天线必须采用瓦片式集成技术。通道密布砖块子阵瓦片子阵图1砖块式与瓦片式集成子阵Fig.1:Brickandtiletypesub-array通过子阵模块集