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有源相控阵技术发展趋势

  毫无疑问,有源相控阵技术是推动AESA设计不断发展的关键技术之一,因为它直接通过大功率晶体管或间接通过冷却性能影响着AESA的功率孔径性能。进一步来说,封装技术又对冷却性能和密度有重要影响。

 

  MMIC是实现S及以上频段AESA的关键技术,也是L波段AESA率先进入机载应用的关键,因为这类器件与晶体管的特征频率性能基本无关。尽管材料的载流子迁移率较优,但砷化镓基片的热性能较差,这也是长期困扰AESA技术发展的一个问题,也是推广锗化硅(SiGe)、氮化镓(GaN)等热特性更优的材料的强大推动力。自首部X波段AESA验证机问世以来,封装技术也取得了长足发展。阵列设计理论规定阵元间距为半个波长或更短,这样随着频率的升高,密度的挑战也随之增大。目前阵面上的功率密度基准已超过4/平方厘米。

 

  美国早期的X波段AESA设计和俄罗斯当前的设计均采用“条状”或“四芯组件”封装设计的T/R模块。这种方法会持续产生生产可重复性问题,因为任一通道出现瑕疵,都需要对整个“条状”或“四芯组件”模块进行再加工。目前美国和欧盟的AESA采用“单通道”法设计,其中每个单元采用一组垂直于天线阵面的器件(“瓦片”法)。虽然与PESA相比,AESA不必处理较高的功率电平,但是底板馈电网络也会带来设计挑战,尤其在损耗和带宽方面。在X波段设计中,馈电网络也许会变得更复杂,因为需要划分阵列建立几个相位中心,实现双平面单脉冲跟踪或地面动目标指示偏置相位中心(DPCA)

 

  AESA中一个独立的通道或单元必须包含用于接收路径的低噪放(LNA)、功放、移相器、阻抗匹配、低插损连接、增益控制单元、RF缓冲放大器(如果需要)和数字电路(需要用来将增益和相位参数锁存到T/R模块移相器和增益控制器件)。现代AESAT/R模块还包括健康监测、机内自检和校准电路。

 

  必须将T/R模块内半导体器件的热量导出模块,并通过冷却系统导出天线。X波段AESA多采用聚烯烃合成油(Poly-Alpha-Olefin,一种先进的冷却材料),将热导入飞机燃油内或通过热交换器导入周围空气中。

 

  在分析AESA技术的未来发展趋势时,一方面要考虑到先进的RF器件材料和工艺的发展,另一方面要考虑到利用影印法制造的数字器件的密度呈指数级增长的趋势。美国雷达专家布鲁克内尔(Brookner)最近指出AESA在器件和材料技术方面的发展趋势如下:

 

  (1)阵列将采用微机电系统(MEMS)移相器;

 

  (2)24吉赫兹低成本相控阵汽车雷达的广泛使用将不断降低T/R模块的成本和体积;

 

  (3)基于1个独立的锗化硅/双极互补金属氧化半导体(BiCMOS)芯片可实现8~32个阵元阵列用的超大规模MMIC电路;

 

  (4)利用氮化镓技术提供10倍功率和更高的效率,利用一个独立的晶体管组件提供超过1000瓦的峰值功率;

 

  (5)基于硅的低成本锗化硅芯片;

 

  (6)普渡大学开发的低成本S波段双板氮化镓数字阵列雷达,带宽为700兆赫兹,每个阵元的峰值功率为25瓦,通过采用电磁带隙(EBG)材料,增大天线阵元之间的隔离度,降互低藕,获得宽角扫描,未来可能取消环形器;

 

  (7)瞬时带宽从10:130:1的阵列;

 

  (8)通过改善A/D线性度,减少互调,使接收机动态范围提高20分贝;

 

  (9)无源天线器件中采用金属材料;

 

  (10)开发互联用的三维微加工技术。

 

  密度呈指数级增长是数字领域发展的显著特点之一,但在射频器件中并非那么突出,原因在于阻抗匹配的阻碍和模拟器件的需求。技术的进步,尤其是并行处理计算机硬件的发展可提供执行浮点运算的冗余能力将对雷达发展产生重要影响。通用图形处理单元芯片的内存带宽目前已超过100吉比特/秒,单个芯片通常能够提供超过500个流水线节拍的浮点优化处理核。随着这种技术继续发展,将产生更多的处理核,提供更大的内存带宽,使一些信号/数据处理算法得以实时应用。

 

  总之,随着有源相控阵和制造技术持续发展,封装技术的进步和数字电路的指数级增长,这些都将为未来AESA设计开辟更多新的可能性,创造更多的机会。