相控陣天線集成技術

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 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頻段。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，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?？量?。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，特別是二維有源相控陣天線，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(約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10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。但是二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雷達。

相控陣天線集成陣列結構有磚塊式與瓦片式兩種，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]。

圖1 磚塊式與瓦片式集成子陣Fig.1 Brick and tile type sub-array

通常，磚塊式用于較高頻段，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；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??；而共形相控陣天線必須采用瓦片式集成技術。

通過子陣模塊集成，能夠大幅度減少相控陣天線與波束形成網(wǎng)絡、控制電路、電源組件等分系統(tǒng)之間的信號互聯(lián)，降低損耗，提高效率，提高電磁兼容水平；減少機械裝配結構件，降低重量；簡化封裝與裝配程序，提高相控陣天線的測試性、維修性與可擴展性。在較高的頻段，還有利于降低機械公差要求，實現(xiàn)更小的陣元間距，擴大波束無柵瓣掃描范圍。

2.1 磚塊式

磚塊式子陣是最流行的陣列結構，元器件放置方向垂直于相控陣天線孔徑平面，輻射陣元通常采用偶極子或錐形槽天線；其電路與結構設計遵循傳統(tǒng)的分系統(tǒng)概念，信號互聯(lián)、測試與封裝技術繼承性好，缺點是縱向尺寸大；較高的頻段，陣元間距小，有利于晶圓級單片集成。

磚塊式子陣集成的典型例子是AN/APG-77有源相控陣機載雷達、雷聲公司開發(fā)的35 GHz低成本相控陣導引頭[3]以及俄羅斯的全球空間監(jiān)視雷達[4]，如圖2所示。

(a)X頻段磚塊式子陣

(b)X頻段瓦片式子陣

(c)諾格公司Ka頻段相控陣天線

(d)雷聲公司Ka頻段相控陣天線

圖2 X頻段子陣與Ka頻段相控陣天線
Fig.2 X-band sub-array and Ka-band phased array

2.2 瓦片式

瓦片式集成的子陣模塊采用分層結構，將多個通道相同功能的芯片或電路集成在數(shù)個平行放置的瓦片上，然后垂直互聯(lián)，輻射陣元多采用微帶貼片天線。有源相控陣天線的基本瓦片層包括[5]GaAs層、冷卻層、DC與控制電路層、RF饋電層和輻射陣元層。在較低的頻段，瓦片式也能支持多通道晶圓級芯片集成，如將整個平面子陣的部分微波電路集成在一個GaAs晶圓上。

瓦片式子陣利用高密度組裝技術，大幅度減小了縱向高度、重量與成本，但是需要新穎的互聯(lián)技術，完成各層之間、子陣模塊與信號分配背板之間的信號交換。此外，還需要處理好毗鄰器件可能發(fā)生的耦合效應、中間層熱設計、測試性與維修性設計。

瓦片式子陣集成始于軍用衛(wèi)星通信終端設計。20世紀80年代后期開發(fā)測試了多個晶圓級集成的20 GHz接收與44 GHz發(fā)射有源子陣，并設計了多層集成的機載智能蒙皮有源相控陣天線結構[6]。由于技術不成熟，波音公司開發(fā)的91元44 GHz發(fā)射陣最終改用多芯片微組裝工藝與多通道密布結構，三角形柵格，陣元發(fā)射功率0.2 W[7]。

在DARPA與NASA的支持下，美國多家公司先后研究了多個頻段的瓦片式集成子陣。西屋公司采用晶圓級集成技術，開發(fā)了4×4瓦片式子陣，每個通道5位幅度、6位相位控制，發(fā)射帶寬6～12 GHz，發(fā)射功率0.5 W；接收帶寬4～12 GHz，噪聲系數(shù)小于7 dB，增益大于20 dB[5]。德州儀器開發(fā)的Ka頻段4×4發(fā)射子陣，陣元間距0.8 λ，4位PIN二極管移相器插損4.5 dB，陣元發(fā)射功率100 mW，饋電網(wǎng)絡的插損5 dB[2]。休斯公司開發(fā)的X頻段瓦片式4元有源模塊，采用多層氮化鋁基板，共面波導傳輸線和毛紐扣連接器，倒裝單片微波集成電路(MMICs)。和磚塊式4元模塊相比，體積、重量與生產(chǎn)成本分別降低了86%、67%、76%[8]。

法國Thales公司開發(fā)的8×8數(shù)字接收瓦片模塊，包括電源、控制以及光學接口等組件，整個厚度100 mm，重量不到8 kg[9]。

針對大型天基相控陣應用，加拿大學者設計的瓦片式集成結構，每個8×8子陣由3層瓦片組成：輻射陣元、MEMS移相器與功分器、T/R組件[10]。

2.3 封裝技術

封裝給模塊中的元器件提供物理支撐，完成RF、DC偏置與控制信號的互聯(lián)以及電磁屏蔽功能，提供外部接口、熱傳導路徑。

目前，子陣模塊成熟的封裝技術是多芯片微組裝。基板材料與工藝有多種，常用的包括印制電路板(PCB)表面貼裝，低溫、高溫共燒陶瓷(LTCC，HTCC)，薄膜與厚膜多層陶瓷等，其發(fā)展趨勢是工藝性好，封裝面積大，價格低廉。

LTCC能夠在復雜的三維結構中高密度集成電阻、電容和電感等無源器件，減少表貼元件以及互聯(lián)，降低多芯片微組裝的復雜性，提高可靠性；LTCC高頻特性優(yōu)良，基片介電常數(shù)范圍寬，線寬與間距小，是微波毫米波電路設計與制造的主流方向。

印制電路工藝成本低，易于集成表面貼裝元件；封裝面積大，易于大量生產(chǎn)。

德國IMST為智能天線終端開發(fā)的Ka頻段8×8瓦片式LTCC模塊，共16層，不僅集成了混頻器、濾波器與功放，還集成了液體冷卻系統(tǒng)。

雷聲公司采用商業(yè)PCB技術，開發(fā)的X頻段16×8模塊化可擴展接收子陣，集成了SiGe控制芯片、GaAs LNA與開關、貼片天線、極化饋電網(wǎng)絡、波束形成、DC偏置與數(shù)字控制電路，整個厚度僅僅5.3 mm[11]。

RF MEMS器件具有插損低、功耗少、工作頻帶寬等一系列優(yōu)點，在相控陣天線中應用前景光明。適于MEMS相控陣集成的微加工技術、與PCB工藝相容的MEMS技術也在不斷發(fā)展中[12]。

Arkansas大學在高阻硅基片上集成了Ku頻段4元線陣[13]，采用微帶貼片天線，BaSrTiO3薄膜鐵電移相器，15 GHz頻點處最大插損2.6 dB。

3 多功能芯片

多芯片微組裝采用微型焊接與封裝工藝，通過多層布線基板，將多塊裸芯片與各種片式電路元件組裝起來，實現(xiàn)高密度互連，是當前相控陣天線集成的主流技術。但是，在低成本與高頻段有源相控陣天線應用中，存在3個問題：一是芯片數(shù)量多，T/R組件通常有5～9個MMICs，芯片成本約占整個相控陣天線的25%[14]，芯片互聯(lián)要耗用大量的輔助材料，微組裝工序繁多，不利于降低成本；二是單個芯片的指標要求高，考慮到多芯片組裝連線的損耗、電磁耦合效應，單個芯片的指標必須有適當?shù)挠嗔浚蝗歉哳l段相控陣天線沒有足夠的空間來安置過多的芯片。

如果在一個芯片里集成低噪放、功放、射頻開關與移相器，甚至控制電路，不僅能夠大大減少相控陣天線的芯片數(shù)目，減少芯片互聯(lián)工序與連線，還能夠從整體上優(yōu)化設計各個功能單元的指標要求，提高整個功能模塊的綜合性能。

令Rmax、N、Pe、Ae、λ、σT、Smin、L分別表示最大作用距離、陣元數(shù)、每個陣元的發(fā)射功率、每個陣元的等效口徑面積、波長、目標截面積、最小可檢測信號與系統(tǒng)損耗，對于大型相控陣天線，考察雷達方程：

(1)

對于給定的功率孔徑積，適當增加陣元數(shù)，可以大幅度降低每個陣元的發(fā)射功率，從而減小全部T/R組件的直流功耗，降低天線成本[15]。此時不需要高功率放大器，有可能將T/R組件的全部功能集成在一個MMIC上，即單片T/R組件。

3.1 X頻段多功能芯片

傳統(tǒng)的多芯片T/R組件，發(fā)射與接收放大器選用不同的芯片工藝，獨立優(yōu)化各自的性能，實現(xiàn)最大發(fā)射功率(或效率)與最小接收噪聲系數(shù)。單片T/R的放大器采用同樣的工藝技術，需要綜合分配指標。

2001年，DARPA發(fā)起大型經(jīng)濟陣列項目，要用一個MMIC完成X頻段T/R組件功能，以消除多芯片互聯(lián)的成本[16]。3個合同商都考慮接收發(fā)射共用一個放大器，以減小芯片面積。朗訊公司選擇了IBM 5HP SiGe工藝；諾格公司選擇了InP HEMT工藝，功耗低，噪聲系數(shù)小；雷聲公司選擇了GaAs pHEMT工藝，發(fā)射效率較高。

此前，荷蘭TNO物理與電子實驗室為天基SAR應用開發(fā)了一款X頻段T/R芯片[17]，該芯片集成了7位衰減器、7位移相器、射頻開關、LNA、中功率放大器、數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換以及電平變換功能，采用OMMIC ED02AH 0.2 μm pHEMT工藝，芯片尺寸4.2 mm×4.4 mm，噪聲系數(shù)為8～10 dB，發(fā)射功率為14 dBm。2004年，該實驗室報道了新的6位幅度相位控制T/R芯片[18]，提高了發(fā)射功率，大幅度降低了噪聲系數(shù)；芯片功耗1.2 W，采用UMS公司0.25 μm pHEMT工藝，芯片尺寸略大。

針對MEMS無源瓦片子陣應用，加拿大學者將3位MEMS移相器與功分器垂直無孔集成在一個雙面晶圓上。開關線移相器采用4個級聯(lián)的SP3T開關，插損2.5±0.2 dB。芯片尺寸22 mm×11 mm，152.4 mm的晶圓可以布置64個[10]。

3.2 Ka頻段多功能芯片

2002年，DARPA發(fā)起的MEMS相控陣導引頭項目遭遇到技術瓶頸，在成功開發(fā)出X頻段單片T/R以后，該項目轉(zhuǎn)而支持基于單片T/R組件的有源相控陣方案，要求開發(fā)152.4 mm直徑的35 GHz有源相控陣天線，發(fā)射峰值功率30 W，相控陣天線的目標成本是19 000美元。

諾格與雷聲公司先后開發(fā)出Ka頻段二維有源相控陣天線[19，3]，前者采用了瓦片式結構，后者采用磚塊式結構，如圖2所示。

雷聲公司開發(fā)的單片T/R組件，發(fā)射功率40 mW，成本30美元。諾格公司開發(fā)的Ka頻段共源雙向功放芯片，接收與發(fā)射各兩級放大，另外兩個管子用做收發(fā)開關，接收增益17 dB，噪聲系數(shù)4 dB；發(fā)射功率17 dBm，增益13 dB。如果采用共柵設計，雙向功放僅僅需要兩個管子，但是增益較低，發(fā)射功率較小[20]，如圖3所示。

(a)35 GHz單片T/R組件 (b)Ka頻段雙向功放

(c)SiCe X頻段T/R芯片 (b)SiGe Ka頻段T/R芯片圖3 X與Ka頻段多功能芯片F(xiàn)ig.3 X- and Ka-band multi-function chips

3.3 基于SiGe的多功能芯片

雖然發(fā)射功率與噪聲系數(shù)指標上不能比肩GaAs，但因為用Si做襯底，SiGe可以使用更大尺寸的晶圓，并支持商用工藝，芯片能夠以很低成本高密度集成更多的功能，如微波功放、低噪放、A/D以及邏輯控制電路，器件成本要比GaAs低一個數(shù)量級。

在X頻段，SiGe BiCMOS可以比較經(jīng)濟地輸出0.5～2 W功率，單片集成T/R組件可以在大型陣列中直接應用，再配合一個功放構成雙芯片T/R組件，能輸出更高的功率。

針對地基、機載、臨近空間與天基雷達應用，Georgia Tech Research Institute設計了一款X頻段T/R芯片[21]：2 GHz帶寬，集成5位移相器，兩路LNA，一路發(fā)射功放以及SP3T開關。預期噪聲系數(shù)3.6 dB，接收增益12 dB，功耗34 mW；發(fā)射功率50 mW，功耗400 mW。實際完成的接收部分實測噪聲系數(shù)4.1 dB，芯片尺寸3.8 mm×3.5 mm[15]。

Michigan大學和California大學的研究人員開發(fā)的Ka頻段單片T/R組件[22]，用于衛(wèi)星通信與防務，芯片尺寸0.93 mm×1.33 mm，3位幅度與4位相位控制。所有放大器采用0.12 μm SiGe晶體管，開關與移相器采用0.12 μm CMOS晶體管(移相器插損12.5 dB)。該芯片接收增益19 dB，噪聲系數(shù)4～5 dB；發(fā)射增益10 dB，發(fā)射功率5.5 dBm。增益與相位RMS誤差小于0.6 dB與7°，發(fā)射功耗58 mW，接收功耗29 mW，如圖3所示。

4 晶圓級集成

晶圓級集成概念提出迄今已逾20多年，隨著商用微電子技術的迅猛發(fā)展，晶圓級的相控陣天線集成技術逐步走向?qū)嵱谩?/p>

Thales公司研制的W頻段有源相控陣導引頭天線[23]，使用兩個101.6 mm的晶圓，一個集成偶極子天線和PIN二極管移相器，另一個集成驅(qū)動電路，有3 000多個單元，波束寬度2°，掃描范圍±45°。

4.1 射頻多通道集成

多通道集成是將多個相控陣天線通道的同一頻段電路(主要是射頻)集成在一個晶圓上，如高功率放大器集成為一層，LNA和增益放大器集成為另一層。

瓦片式結構的相控陣天線，如果陣元間距比較大，或者為了提高天線的工作帶寬，常常將輻射陣元單列出來，與射頻電路不集成在一個晶圓上。

Rome航空研發(fā)中心開發(fā)的44 GHz有源發(fā)射子陣，集成了2×2通道的園極化微帶貼片天線、變?nèi)荻O管移相器、功分器、兩級FET功率放大器。20 GHz接收子陣規(guī)模是4×4[6]。西屋公司在一個晶圓上集成了兩個4×4通道的T/R組件，每個組件還設計了冗余電路[5]。

Michigan大學在76.2 mm晶圓上集成了一個8元MEMS無源電掃陣[24]。電路包括分布式MEMS傳輸線移相器、功分器、縫隙耦合微帶天線、過渡以及偏置焊盤。工作頻率38 GHz，噪聲系數(shù)6 dB，最大發(fā)射功率4 W。

4.2 單片相控陣

CMOS集成電路成本低，功耗小。計算機集成電路的快速發(fā)展促進了射頻 CMOS半導體器件的研究與應用，2004年報道了104 GHz的CMOS壓控振蕩器。

Si CMOS與SiGe BiCMOS單片集成相控陣是當前的研究熱點。與SiGe相比，Si CMOS能集成更多的功能，從射頻、中頻到基帶，包括微處理器、存儲器、D/A與A/D、可調(diào)濾波器都能在一個硅片上實現(xiàn)。

針對通信、測距、定位與遙感應用，California理工學院研究了24 GHz硅集成相控陣[25]。該硅片集成了射頻低噪放(接收陣)、功放(發(fā)射陣)、射頻與中頻混頻器、三階頻率綜合鎖相環(huán)、16種相位輸出的本振壓控振蕩器、移位寄存器、中頻放大器等功能電路。4元發(fā)射陣列采用0.18 μm CMOS 工藝，尺寸6.8 mm×2.1 mm，功放飽和輸出功率14 dBm，通道之間的隔離28 dB，3 dB帶寬大于400 MHz。8元接收陣列采用0.18 μm SiGe BiCMOS工藝，尺寸3.5 mm×3.3 mm。單路噪聲系數(shù)7.4 dB。兩個陣列的功耗分別約為2 W與1 W。

California理工學院采用0.18 μm SiGe BiCMOS工藝，研制了6～18 GHz的相控接收陣列[26]，其4位射頻移相器由正交全通濾波器、譯碼器、數(shù)模轉(zhuǎn)換與模擬有符號差分信號加法器組成。12 GHz處，每個通道接收增益約20 dB，噪聲系數(shù)約4 dB。陣列尺寸2.2 mm×2.45 mm。

基于該射頻移相原理，California大學還研制了Q頻段(40～45 GHz)16元發(fā)射陣[27]，每個通道增益12.5 dB，飽和發(fā)射功率-2.5 dBm，陣列尺寸2.6 mm×3.2 mm。

5 結束語

相控陣天線在最近十多年的發(fā)展過程中，半導體材料與工藝技術起著巨大的推動作用，并不斷受惠于商用通信與計算機產(chǎn)業(yè)，單片微波集成電路已經(jīng)成為相控陣天線的核心關鍵技術。要開發(fā)低成本、高頻段與可擴展的相控陣天線，微波集成電路芯片研發(fā)必須走在系統(tǒng)研制的前面。特別地，考慮到國內(nèi)的技術水平，要研制毫米波二維相控陣天線，開發(fā)多功能的單片集成電路是比較可行的途徑。

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