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T/R组件：有源相控阵天线的核心技术解析！
发布时间：
2024-07-09
有源相控阵天线设计的核心是T/R组件。T/R组件设计考虑的主要因素有：不同形式集成电路的个数，功率输出的高低，接收的噪声系数大小，幅度和相位控制的精度。同时，辐射单元阵列形式的设计也至关重要。1 芯片设计为了实现理想中的集成化电路设计，工程师们在过去数十年中不…
有源相控阵天线设计的核心是T/R组件。T/R组件设计考虑的主要因素有：不同形式集成电路的个数，功率输出的高低，接收的噪声系数大小，幅度和相位控制的精度。同时，辐射单元阵列形式的设计也至关重要。
1 芯片设计
为了实现理想中的集成化电路设计，工程师们在过去数十年中不懈努力。然而，由于不同功能单元在系统中的需求各异，技术实现上必须在性能和难度之间做出权衡。因此，目前的普遍做法是将电路根据功能划分，安装在多个芯片上，并通过复杂的微电路网络进行联接。
T/R模块的基础芯片配置通常包括以下几个部分：
高功率放大器(MMIC)
低噪声放大器加保护电路(MMIC)
可调增益放大器和可调移相器(MMIC)
数字控制电路(VLSI)
根据具体应用的需求，T/R模块可能还需要添加其他电路，例如预功放电路，用于放大输入信号以满足高峰值功率的需求。
在X波段及更高频段的应用中，T/R组件通常采用基于GaAs工艺的MMIC技术。这种技术的不足之处在于其极低的热传导系数，因此GaAs基电路需要特别的设计来解决散热问题。
展望未来，T/R组件的发展趋势将转向基于GaN和SiGe的设计工艺。GaN基功率放大器能够提供更高的峰值功率输出，从而增强雷达的灵敏度或扩大探测距离，其输出功率是GaAs工艺电路的五倍以上。尽管SiGe工艺在传输功率方面不及GaAs，但它的材料成本较低，适合用于开发低成本、低功率密度的雷达系统。
2 功率输出
通常情况下，在给定阵列的口径后，雷达系统所需要的平均功率输出也基本确定了。天线可实现的最大平均功率与每个TR组件的输出功率、T/R组件的个数、T/R组件的效率和散热等条件相关。当输入功率确定后，如果T/R组件的效率越高，那么对应的输出功率也就越大。
在高功率放大器设计时，需要的峰值功率是重要的指标，定义为平均功率除以最小的占空比。雷达系统的峰值功率是由整个天线阵列实现的，也就是说当峰值功率确定后，所需要的最少T/R组件个数也随之确定。
雷达系统TR组件设计需要综合考虑天线口径、T/R模块的输出功率以及T/R组件布局等因素，如为了实现同样的雷达探测性能且T/R组件个数相同，对于4m2口径天线，假定每个T/R组件的输出功率为P，那么对于2m2口径天线，每个T/R组件的输出功率为2P。
3 发射机噪声限值
通常，雷达系统采用一个中心发射机进行工作，因此必须尽可能降低发射引入的噪声。在有源相控阵天线中，主要的噪声源是直流纹波或者输入电压的波动。由于每个T/R组件的电压较低且电流较高，因此需要对输入功率进行适应性的滤波。
4 接收机噪声系数
接收噪声系数是有源ESA天线关注的一个重要指标，通常需要使得接收噪声系数较低，以提升雷达性能。通常情况下，T/R组件的接收噪声系数是指整个模块的，包括LNA的噪声系数以及前级电路（环形器、接收保护电路、传输线）引起的插损。
5 幅度和相位控制
幅度和相位控制的精度是与雷达系统对整个天线阵列旁瓣的要求有关。假定雷达系统需要天线实现低旁瓣，那么需要减小相位和幅度控制电路的量化步长，同时提升幅度和相位控制的范围以实现对真个天线阵列的加权，且需要对幅度和相位的误差进行严格的控制。
6 阵列物理结构设计
有源ESA天线的性能和成本效益不仅取决于T/R组件，还受到阵列集成设计的影响。在实践中，每个天线阵列的辐射单元必须精确放置在其阵列中的预定位置，并固定在刚性的背板上。当需要减少天线的RCS时，天线阵面的任何变形都可能导致随机散射的增加，这种影响是无法完全消除的。
为了有效散热，每个T/R模块通常会安装在带有散热板的背板上。相控阵天线的T/R布局因应用而异，常见的布局方式之一是“砖块式”布局。另一种布局方式是“片式”结构，其中每个T/R模块由三层垂直堆叠的电路板组成，每层电路板包含四个TR电路。T/R组件产生的热量通过电路板传导到周围的金属结构中，从而实现散热。
片式T/R组件的相控阵天线还包括直流功率、控制信号和射频信号的耦合缝隙。对于宽带或数字波束形成雷达系统，通常需要采用子阵级布局的有源相控阵天线。这种布局方式不仅大幅降低了生产加工成本，还通过调整每个子阵后端的移相器，实现了模拟波束扫描的能力。
在模拟雷达系统中，每个子阵需要通过时间延迟单元来实现波束扫描。而在数字雷达系统中，每个子阵的回波则直接被接收机采集。
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