有源相控陣天線集成設(shè)計*

顧葉青，姚 曄，王 超

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

有源相控陣天線集成設(shè)計*

顧葉青，姚 曄，王 超

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

輕薄化、可擴展與低成本是現(xiàn)代有源相控陣天線的主要發(fā)展目標(biāo)，集成化設(shè)計是實現(xiàn)這些目標(biāo)的重要技術(shù)方法。針對高頻段有源相控陣天線的基本特點，介紹了有源相控陣天線集成設(shè)計的基本概念。結(jié)合典型的應(yīng)用實例重點研究了集成設(shè)計方法在有源子陣集成和天線結(jié)構(gòu)框架集成上的應(yīng)用，同時指出了存在的技術(shù)難點。最后介紹了有源相控陣天線集成技術(shù)的發(fā)展方向：微系統(tǒng)集成技術(shù)，并指出了其中的關(guān)鍵技術(shù)。

有源相控陣天線；集成技術(shù)；有源子陣；微系統(tǒng)集成

引 言

自20世紀(jì)90年代始，隨著有源相控陣天線技術(shù)的快速發(fā)展，其高功率、高效率的本質(zhì)特征為大幅度提升雷達(dá)作用距離提供了最有效的技術(shù)途徑，使遠(yuǎn)程跟蹤制導(dǎo)成為可能，實現(xiàn)了探測與攻擊的能力匹配。由于采用有源相控陣體制，天線系統(tǒng)在可靠性、隱身性、抗干擾能力和多目標(biāo)攻擊能力等方面有大幅度提升。在精確跟蹤與制導(dǎo)領(lǐng)域，有源相控陣天線的工作頻段通常是X頻段至毫米波頻段。工作頻率越高，每個輻射單元的面積越小，集成度要求越高。傳統(tǒng)的各分系統(tǒng)模塊簡單組裝的設(shè)計方法已不能滿足陣面布置、維修等要求，必須采用高集成一體化設(shè)計技術(shù)，才能實現(xiàn)有源相控陣天線輕薄化、可擴展與低成本目標(biāo)。

有源相控陣天線是典型的復(fù)雜電子機械裝備，通常由輻射單元、T/R組件、電源模塊、控制模塊、射頻網(wǎng)絡(luò)模塊、供電網(wǎng)絡(luò)、熱控管網(wǎng)以及作為結(jié)構(gòu)支撐基礎(chǔ)的天線骨架等組成，是一個涵蓋電磁場、熱力學(xué)、機械設(shè)計等多種學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)。解決復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計中的各種難題，僅靠研究各組成元素的行為是不夠的，采用系統(tǒng)集成、總體論的觀點尤為重要。

系統(tǒng)論的觀點認(rèn)為：“集成(Integration)從一般意義上可以理解為兩個或兩個以上的要素(單元、子系統(tǒng))集合成為一個有機系統(tǒng)，這種集合不是要素之間的簡單疊加，而是要素之間的有機結(jié)合，即按照某一集成規(guī)則進(jìn)行的組合和構(gòu)造，其目的在于提高有機系統(tǒng)的整體功能或性能”。這又涉及到“系統(tǒng)”的概念，對系統(tǒng)(System)一詞通常理解為“由相互關(guān)聯(lián)、相互作用的若干要素(單元、子系統(tǒng))組成的具有特定結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能的有機整體”。而對集成一詞通常理解為“將一些孤立的事物或元素通過某種方式集中在一起，產(chǎn)生聯(lián)系，從而構(gòu)成一個有機整體的過程”。如果說“集成”強調(diào)的是若干要素構(gòu)成系統(tǒng)的過程的話，那么“系統(tǒng)”則強調(diào)的是若干要素集成后的效果。對于有源相控陣天線這樣的復(fù)雜系統(tǒng)集成，就需要采用系統(tǒng)工程的方法。

1 有源相控陣天線集成技術(shù)概述

對于傳統(tǒng)有源相控陣天線，當(dāng)應(yīng)用平臺或功能發(fā)生變化，需要擴大或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(shè)計其他分系統(tǒng)，以適應(yīng)射頻、數(shù)字信號與電源接口的數(shù)量以及負(fù)荷能力的變化[1]。

現(xiàn)代有源相控陣天線設(shè)計一般從電訊功能、鏈路出發(fā)，分層、分級劃分功能部件，構(gòu)建開放式陣面系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)可重構(gòu)、可擴展功能。開放式天線陣面集成通常需要采用模塊化集成技術(shù)[2]，以有源子陣模塊為基本單元，子陣不僅封裝了多路相控陣天線T/R有源通道，還集成了相控陣?yán)走_(dá)其他分系統(tǒng)的部分功能。在對子陣進(jìn)行總體方案設(shè)計時，要對各個組成部件進(jìn)行高集成度的一體化設(shè)計，大幅度減少接口類型與數(shù)量；同時在對組成部件進(jìn)行設(shè)計時，要使各部件自身盡可能輕型化、小型化、低成本、高可靠。每個子陣都是一個高度集成的可擴展小型相控陣天線，不同規(guī)模的子陣集成設(shè)計出滿足不同性能指標(biāo)的模塊化相控陣天線。

隨著單片微波集成電路(MMIC)和專用集成電路(ASIC)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，性能優(yōu)異且一致性良好的T/R組件得以大批量、低成本生產(chǎn)，從而有力推動了有源相控陣天線的模塊化和集成化設(shè)計方法的發(fā)展。天線陣面性能指標(biāo)和集成度的不斷提高也進(jìn)一步推動了T/R組件等分系統(tǒng)的微型化、輕量化、模塊化、集成化設(shè)計。這些先進(jìn)的設(shè)計理念有效提升了雷達(dá)性能，降低了生產(chǎn)成本并使批量制造成為可能。

2 有源子陣集成技術(shù)

有源子陣在天線陣面中作為核心模塊，具有接口簡單、構(gòu)建靈活、功能可軟件定義的特點，其集成化設(shè)計使有源相控陣天線陣面具備較好的組合性、互換性和可靠性。因此，從這個意義上來講，有源子陣集成化設(shè)計成為了新一代有源相控陣天線系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。

有源子陣是將一個或幾個電子陣的陣列單元與T/R組件、功分網(wǎng)絡(luò)、波控、電源等設(shè)備集成在一起形成的一個陣列模塊，具有完整的結(jié)構(gòu)和電訊性能，可獨立調(diào)試，通常作為陣面基本可更換單元。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(luò)、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，提高效率與電磁兼容水平；減少機械裝配結(jié)構(gòu)件，降低重量；簡化封裝與裝配程序，實現(xiàn)流水線生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；提高相控陣天線的測試性、維修性與可擴展性。

有源子陣集成設(shè)計要素包括：設(shè)計中大量采用MMIC、ASIC芯片技術(shù)和綜合布板技術(shù)；在傳輸電路的設(shè)計上采用整體考慮和一體化綜合設(shè)計方案，實現(xiàn)多種頻率的多種信號在同一個網(wǎng)絡(luò)中共存，實現(xiàn)大容量、高效率和高可靠性的信號傳輸；采用功能一體化設(shè)計理念，將熱設(shè)計和傳統(tǒng)骨架設(shè)計相結(jié)合，將結(jié)構(gòu)載體和冷卻鏈路相結(jié)合，形成功能結(jié)構(gòu)件；形式多樣、精巧可靠的互聯(lián)設(shè)計。

下面介紹幾種有源相控陣天線上常用的子陣集成方式[3]。

(1)基于兩維方向集成的磚塊式子陣

如圖1所示的磚塊式結(jié)構(gòu)中有源電路平面與陣面孔徑垂直，可以充分利用陣面深度尺寸，采用更大的元器件且具備更好的熱擴散條件，產(chǎn)生更高的單位輻射單元射頻輸出功率。子陣規(guī)模的大小需要根據(jù)陣面的集成度和可更換模塊的重量要求確定。一般磚塊式子陣內(nèi)的所有功能模塊都以子陣骨架為依托，以子陣內(nèi)的綜合網(wǎng)絡(luò)為中心進(jìn)行布局，合理放置。子陣骨架為多功能結(jié)構(gòu)件，一般設(shè)計為多層冷板的三維立體結(jié)構(gòu)。

圖1 兩維磚塊式結(jié)構(gòu)

(2)基于一維方向集成的刀片式子陣

與磚塊式子陣一樣，刀片式子陣的有源電路平面與陣面孔徑垂直，它是磚塊式子陣的變形，即一維方向陣元數(shù)減少，另一維方向陣元數(shù)增加，多路集成后易實現(xiàn)小型化。如圖2所示的刀片式子陣的陣列單元與射頻轉(zhuǎn)接層在結(jié)構(gòu)形式上做成一個長條形模塊，緊隨其后的是四通道T/R組件陣列，每個T/R組件后跟一個電源模塊，貼在冷板兩側(cè)，然后是條狀的綜合網(wǎng)絡(luò)層(含射頻、控制、電源分配傳輸)，最后是延時驅(qū)動模塊、數(shù)字板等，這些有源模塊都安裝在單層冷板的三維多腔板式子陣骨架上。

圖2 單條刀片式子陣結(jié)構(gòu)

(3)瓦片式子陣模塊

如圖3所示的瓦片式子陣模塊中有源電路平面與陣面孔徑平面平行，采用分層疊加結(jié)構(gòu)，將多個通道相同的功能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。疊層陣列結(jié)構(gòu)作為新一代片式架構(gòu)，需要高密度集成技術(shù)、T/R組件的多功能專用芯片、高性能高可靠性射頻電路和控制電路作為技術(shù)支撐，需重點解決層間垂直互聯(lián)、散熱以及陣面維護(hù)等方面的關(guān)鍵技術(shù)。該結(jié)構(gòu)形式將是有源陣面的重要發(fā)展方向。

圖3 瓦片式子陣模塊

3 天線結(jié)構(gòu)框架集成技術(shù)

相控陣框架結(jié)構(gòu)在確保相控陣天線性能實現(xiàn)方面起著重要作用。高精度、輕型化是天線結(jié)構(gòu)面臨的重要研究課題。結(jié)構(gòu)設(shè)計需要密切配合天線陣面電性能設(shè)計，同時也強調(diào)自身重量的輕型化?？紤]到輕型高效天線模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其上各單機尺寸小、可用空間緊湊，因此不僅其排布方式需兼顧各項因素(空間利用率、饋線網(wǎng)絡(luò)的可實現(xiàn)性、電性能指標(biāo)實現(xiàn))，且結(jié)構(gòu)框架模塊的力學(xué)特性是否滿足剛強度及電訊性能要求也需要進(jìn)行專門研究。

受內(nèi)部設(shè)備布局的限制，簡單通過結(jié)構(gòu)構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計來提高剛度已經(jīng)比較困難。目前，提高天線結(jié)構(gòu)框架剛度性能的主要技術(shù)路徑有：巧妙合理地利用陣面內(nèi)的大量電子設(shè)備(如T/R組件、電源組件、子陣、射頻饋線網(wǎng)絡(luò)、走線層等)結(jié)構(gòu)，將離散結(jié)構(gòu)設(shè)計為陣面骨架連續(xù)的受力結(jié)構(gòu)，增加整體或局部剛度；通過功能結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(如冷卻水道管網(wǎng)、各種形式的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及各種走線支架等)，提高天線陣面的剛度，并減輕陣面結(jié)構(gòu)重量；通過陣面變形調(diào)節(jié)機構(gòu)或自適應(yīng)陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計來實時調(diào)節(jié)陣面結(jié)構(gòu)剛度[4]。

陣面的電訊功能和結(jié)構(gòu)功能結(jié)合后，形成的功能一體化結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提高陣面的集成度，這里介紹在天線陣面上經(jīng)常使用的兩類結(jié)構(gòu)功能件。

(1)結(jié)構(gòu)與冷卻網(wǎng)絡(luò)一體化天線面板結(jié)構(gòu)

加工該類面板時先在基板上加工出水道溝槽，再覆上蓋板，并采用攪拌摩擦焊將基板和蓋板焊接成一體，這樣就可把陣面行列水道集成在面板結(jié)構(gòu)中(見圖4)。一體化面板可較好地實現(xiàn)陣面的輕量化設(shè)計目標(biāo)，并且可以簡化外部管路連接，使陣面結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小陣面厚度尺寸。

圖4 一體化天線面板

(2)有源模塊安裝板

雷達(dá)系統(tǒng)中的各有源模塊一般均需集成裝配到有源安裝板上，因此有源安裝板需具備承載、熱控等多種功能及輕量化要求?，F(xiàn)在多種型號產(chǎn)品的設(shè)計中，多采用如圖5所示的鋁蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)方案，內(nèi)部預(yù)埋熱管進(jìn)行天線的熱控。

圖5 有源模塊安裝板

4 微系統(tǒng)集成

通過共形相控陣天線實現(xiàn)“智能蒙皮”是未來雷達(dá)天線的一個發(fā)展趨勢，而滿足這些需求的基礎(chǔ)是輕薄化的高集成片式天線陣面。傳統(tǒng)的宏觀集成方式已不能滿足新一代雷達(dá)天線高性能、一體化的需求，因此，必須采用更先進(jìn)的高度集成技術(shù)，即微系統(tǒng)集成技術(shù)。

微系統(tǒng)技術(shù)是以微電子器件、光電子/光子器件和MEMS/NEMS器件為基礎(chǔ)的綜合系統(tǒng)集成技術(shù)，是軍事電子技術(shù)創(chuàng)新的引擎。微系統(tǒng)集成是有源相控陣天線集成技術(shù)的重要發(fā)展方向。微系統(tǒng)集成天線陣面需要實現(xiàn)高性能、多功能、小型化、低成本、高可靠性的目標(biāo)，特別是針對寬頻段組陣對單元尺寸和功耗的限制，研發(fā)出專用多功能、高集成、高性能芯片的基礎(chǔ)都有賴于微系統(tǒng)的信息獲取、傳輸和處理技術(shù)，超精密檢查和操作技術(shù)，微系統(tǒng)新材料、微制造技術(shù)等領(lǐng)域取得更多工程化的應(yīng)用成果[5-7]。下面介紹幾項有源相控陣天線微系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。

(1)天線微系統(tǒng)集成架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)微型化首先需要系統(tǒng)方案能微型化，系統(tǒng)方案微型化是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)，因此研究可微型化的系統(tǒng)級方案顯得尤其重要。需綜合應(yīng)用要求、原器件狀態(tài)和工藝能力，將應(yīng)用融合到架構(gòu)中，研究面向應(yīng)用需求的合理的微系統(tǒng)集成架構(gòu)，形成基于“多功能芯片+三維高密度集成+微系統(tǒng)熱管理技術(shù)”的微系統(tǒng)方案。

(2)多功能芯片級異構(gòu)集成技術(shù)

研究集功能/性能設(shè)計、熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計于一體的芯片級三維異構(gòu)集成技術(shù)是實現(xiàn)天線微系統(tǒng)集成技術(shù)的核心。這種多功能芯片集成的基本思路是在一個芯片里集成功率放大器、低噪聲放大器、射頻開關(guān)、移相器以及數(shù)字控制電路等，從而達(dá)到減少有源相控陣天線的芯片數(shù)目、互聯(lián)工序和連線，以及減小芯片電路面積和簡化芯片外圍電路的目的。

(3)天線微系統(tǒng)三維高密度集成

天線微系統(tǒng)采用了系統(tǒng)級三維高密度集成技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)由傳統(tǒng)的松散分塊組合向高密度的系統(tǒng)級集成發(fā)展。通過芯片系統(tǒng)集成(SoC)和系統(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)，在極小的空間內(nèi)將多塊專用多功能裸芯片和通用裸芯片通過高密度垂直互聯(lián)集成設(shè)計，并借助硅通孔(TSV)工藝及MEMS圓片級封裝工藝實現(xiàn)天線、射頻、數(shù)字、光電的一體化系統(tǒng)集成。這種集成設(shè)計方案可突破原有產(chǎn)品形態(tài)，形成高性能、低功耗、輕薄型、小型化的陣列單元，最后通過優(yōu)化的組陣設(shè)計構(gòu)建高集成天線微系統(tǒng)。

(4)天線微系統(tǒng)熱管理技術(shù)

隨著微系統(tǒng)集成度的提高，芯片上的熱流密度已達(dá)到千瓦級以上，微系統(tǒng)性能最終受到散熱能力的制約，其熱管理技術(shù)也是迫切需要解決的技術(shù)難題。微系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)面臨復(fù)雜的機、電、熱多物理場的綜合作用，在微米級微通道條件下，還涉及到尺度效應(yīng)，常規(guī)尺度下的流動和傳熱機理已經(jīng)不再適用，建立新的實驗和分析方法成為必然。另外，由于微通道的截面尺寸極小，一方面對冷卻液的穩(wěn)定性和純度提出了很高的要求；另一方面，會產(chǎn)生很大的流阻，需要對流道設(shè)計進(jìn)行非常精細(xì)的優(yōu)化，以降低微泵的供液壓力。除此之外，在三維堆疊集成工藝和層間密封工藝上也面臨著極大的挑戰(zhàn)。只有在設(shè)計方法和工藝技術(shù)上取得突破，才能發(fā)揮微通道散熱技術(shù)在散熱效率上的優(yōu)勢，滿足三維堆疊集成的要求。目前，天線微系統(tǒng)在研的主要熱管理技術(shù)有微導(dǎo)熱管、噴淋散熱、熱電冷卻和微流道等，其中微流道由于在增強對流傳熱方面的優(yōu)勢，被認(rèn)為是目前最具潛力的微系統(tǒng)熱管理技術(shù)之一。

美國Raytheon公司通過微系統(tǒng)集成技術(shù)大幅提高了陣面集成度，其研發(fā)的X波段128通道一體化設(shè)計的有源陣面樣件如圖6所示，可見通過微系統(tǒng)集成設(shè)計可大幅提高陣面的集成度和輕量化性能。

圖6 Raytheon公司研發(fā)的高集成陣面樣件

5 結(jié)束語

天線不斷輕薄化，逐步實現(xiàn)共形的“智能蒙皮”是未來有源相控陣?yán)走_(dá)的重點發(fā)展方向，天線陣面集成化設(shè)計將是實現(xiàn)這些指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。文中通過介紹集成化設(shè)計的基本概念及在相控陣天線陣面上的典型應(yīng)用來說明集成化設(shè)計的巨大優(yōu)勢，并指出了天線微系統(tǒng)集成化設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。

[1] 彭祥龍. 相控陣天線集成技術(shù)[J]. 電訊技術(shù), 2010, 50(10): 112-117.

[2] 顧葉青, 唐寶富, 王超. 大型相控陣天線模塊化設(shè)計[J]. 電子機械工程, 2016, 32(2): 1-4.

[3] 唐寶富, 鐘劍鋒, 顧葉青. 有源相控陣?yán)走_(dá)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2016.

[4] 唐寶富, 顧葉青, 王超. 智能結(jié)構(gòu)在相控陣天線陣面中的應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2014, 36(11): 8-10.

[5] 章維一, 侯麗雅. 微系統(tǒng)及其商品化[J]. 中國機械工程, 2000, 11(3): 348-351.

[6] 鐘先信. 微系統(tǒng)研究展望[J]. 中國工程科學(xué), 2000, 2(1): 81-84.

[7] 沈叔濤. 微系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展概況[J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(4): 936-941.

顧葉青(1979-)，男，高級工程師，主要從事有源陣面結(jié)構(gòu)研究工作。

姚 曄(1968-)，女，高級工程師，主要從事有源陣面結(jié)構(gòu)研究工作。

王 超(1984-)，男，工程師，主要從事有源陣面結(jié)構(gòu)研究工作。

Integration Design of Active Phased Array Antenna

GU Ye-qing，YAO Ye，WANG Chao

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Thin and light, scalability and low cost are the main development goals of modern active phased array antenna, which can be achieved through integration design. Based on the main characteristics of high frequency active phased array antennas, the basic concept of integration design of active phased array antenna is introduced. The application of integration design method in active sub-array integration and antenna structure framework integration is emphatically studied according to typical application examples, and the technical difficulties are proposed. Finally, microsystem integration technology which is thought as the development trend of integration technology of active phased array antenna is introduced, and its key technologies are also pointed out.

active phased array antenna; integration technology; active sub-arrays; microsystem integration

2016-08-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(51490664)

TN821+.8

A

1008-5300(2016)06-0029-04