有源相控陣雷達天線技術揭秘

T/R是Transmitter and Receiver的縮寫，T/R組件通常是指一個無線收發系統中視頻與天線之間的部分，即T/R組件一端接天線，一端接中頻處理單元就構成一個無線收發系統。

T/R模塊是有源相控陣雷達天線的基本組件和關鍵技術。T/R組件主要用于實現對發射信號的放大、對接收信號的放大以及對信號幅度、相位的控制，由低噪放、功放、限幅器、移相器等組成。一部有源相控陣雷達包含了成千上萬個TR組件，有源相控陣TR組件在要求具備大功率、高效率、低噪聲的同時，體積要盡可能小，重量要盡可能輕。

這些T/R模塊在陣列性能發揮方面起著重要作用，它們需要進行大量的封裝設計，占有源相控陣天線成本的50%左右。

下圖是典型的T/R模塊框圖。每個模塊包含一個發射通道和一個接收通道。發射通道由移相器、可變增益放大器或衰減器、激勵放大器和功率放大器組成。功率放大器組可以由幾個功率放大器組成，通常是2個或4個，這些功率放大器的輸出功率合成后，可以獲得輻射單元所需的輸出功率。

環形器用于發射和接收通道間的雙向作用和隔離，防止波束掃描期間天線單元輸入阻抗的變化，引起功率放大器的負載波動。接收通道由限制器、低噪聲放大器、移相器和可變放大器或衰減器組成。該模塊結構可以選擇最佳的模塊噪聲系數、三階截點和動態范圍。?

T/R模塊通常也嵌入電壓調節和數字控制電路。本地儲量可用于維持發射脈沖現有的狀態，滿足上升時間要求。此外，串聯穩壓器可調節一部分或所有內部電壓，使電源紋波和噪音減小到可控水平，滿足日益嚴格的頻譜純度需求。

T/R模塊需求源于相控陣天線需求，根據用途不同有顯著差異。T/R模塊通常有以下重要參數：

?工作頻率和帶寬 ?輸出功率 ?功率附加效率 ?雜散和諧波輸出 ?工作周期和脈沖特性 ?接收噪聲圖 ?接收增益和三階交調 ?振幅和相位的數值 ?振幅和相位均方根誤差 ?平均故障間隔時間(MTBF)

?成本

系統用途決定了頻率、帶寬和輸出功率。一種典型的X波段組件的額定輸出功率為10瓦左右，采用了商用微波單片集成電路。通常低頻段工作時功率大。功率附加效率是可以將有源相控陣基本功率需求和冷凝負荷降到最低的一個重要參數。取決于采用的技術，發射功率附加效率通?？梢赃_到20到25%。

低噪聲放大器微波單片集成電路在微波環境下的噪聲系數一般在1-2dB范圍內。加上損耗和其他影響，模塊噪聲系數通常在3-4dB范圍內。模塊在低副瓣工作時，需要進行更多數量的相位控制以減少振幅和相位均方根誤差。

因為有源相控陣中有大量T/R模塊，因此模塊的制作費用對有源相控陣可購性而言非常重要。模塊的制作費用隨性能、設計復雜度、生產數量和其他因素的不同而有所不同。

有源相控陣天線設計的核心是T/R組件。T/R組件設計考慮的主要因素有：不同形式集成電路的個數，功率輸出的高低，接收的噪聲系數大小，幅度和相位控制的精度。同時，輻射單元陣列形式的設計也至關重要。

理想情況下，所有模塊的電路需要集成到一個芯片上，在過去的幾十年，大家也都在為這個目標而努力。然而，由于系統對不同功能單元需求的差別，現有的工程技術在系統性能與實現難度上進行了折衷的考慮，因此普遍的做法是將電路按功能進行了分類，然后放置于不同的芯片上，再通過混合的微電路進行連接，如圖所示。

一個T/R模塊的基本芯片設置包括了3個MMICs組件和1個數字大規模集成電路(VLSI)，如圖所示。

高功率放大器(MMIC)

低噪聲放大器加保護電路(MMIC)

可調增益的放大器和可調移相器(MMIC)

數字控制電路(VLSI)

根據不同的應用需求，T/R模塊可能還需要其他一些電路，如預功放電路需要將輸入信號進行放大以滿足高峰值功率需求。大多數X波段及以上頻段T/R組件都采用基于GaAs工藝的MMICs技術。該技術有個缺點就是熱傳導系數極低，因此基于GaAs的電路需要進行散熱設計。未來T/R組件的發展方向是基于GaN和SiGe的設計工藝。

基于GaN的功率放大器可實現更高的峰值功率輸出，從而提升雷達的靈敏度或探測距離，輸出功率是基于GaAS工藝電路的5倍以上。SiGe工藝雖然傳輸的功率不如GaAs，然而該材料成本較低，適用于未來低成本、低功率密度雷達系統的設計。

通常情況下，在給定陣列的口徑后，雷達系統所需要的平均功率輸出也基本確定了。天線可實現的最大平均功率與每個TR組件的輸出功率、T/R組件的個數、T/R組件的效率和散熱等條件相關。當輸入功率確定后，如果T/R組件的效率越高，那么對應的輸出功率也就越大。

在高功率放大器設計時，需要的峰值功率是重要的指標，定義為平均功率除以最小的占空比。雷達系統的峰值功率是由整個天線陣列實現的，也就是說當峰值功率確定后，所需要的最少T/R組件個數也隨之確定。

雷達系統TR組件設計需要綜合考慮天線口徑、T/R模塊的輸出功率以及T/R組件布局等因素，如為了實現同樣的雷達探測性能且T/R組件個數相同，對于4m2口徑天線，假定每個T/R組件的輸出功率為P，那么對于2m2口徑天線，每個T/R組件的輸出功率為2P，如圖所示。

通常，雷達系統采用一個中心發射機進行工作，因此必須盡可能降低發射引入的噪聲。在有源相控陣天線中，主要的噪聲源是直流紋波或者輸入電壓的波動。由于每個T/R組件的電壓較低且電流較高，因此需要對輸入功率進行適應性的濾波。

接收噪聲系數是有源ESA天線關注的一個重要指標，通常需要使得接收噪聲系數較低，以提升雷達性能。通常情況下，T/R組件的接收噪聲系數是指整個模塊的，包括LNA的噪聲系數以及前級電路（環形器、接收保護電路、傳輸線）引起的插損，如圖所示。

幅度和相位控制的精度是與雷達系統對整個天線陣列旁瓣的要求有關。假定雷達系統需要天線實現低旁瓣，那么需要減小相位和幅度控制電路的量化步長，同時提升幅度和相位控制的范圍以實現對真個天線陣列的加權，且需要對幅度和相位的誤差進行嚴格的控制。

有源ESA天線的性能與成本設計不僅僅與T/R組件相關，也與陣列的集成設計密切相關。

通常情況下，每個天線陣列輻射單元必須精確保證其在陣列中的位置，并安裝到剛性的背板上。在對于有天線RCS有縮減要求時，天線陣面的變形后會引起隨機散射增強，且該影響無法進行消除。

每個T/R模塊通常安裝在有散熱板的背板上，以便及時將T/R組件產生的熱量散發。對于每個相控陣天線而言，其具體T/R布局的方式各不相同，其中一種常見的布局方式是采用磚塊式(stick)布局，如圖所示。

另外一種有源相控陣天線的布局是采用片式(tile)結構，如圖所示。每個T/R模塊由三層電路板垂直疊放形成，而每層電路板又包括了4個TR電路。T/R組件中電路產生的熱量通過電路板傳導至周圍的金屬結構中進行散發。

采用片式T/R組件的相控陣天線還包括直流功率、控制信號、射頻信號的耦合縫隙等，如圖所示。

對于寬帶或數字波束形成雷達系統，其通常需要有源相控陣天線采用子陣級布局。當天線采用子陣級布局方式后，整個相控陣天線的生產加工成本會大幅降低，且通過調整每個子陣后端的移相器形成模擬波束掃描能力。

對于模擬雷達系統，每個子陣需要通過時間延遲單元以實現波束的掃描，如圖所示。對于數字雷達系統，每個子陣的回波直接進行接收機進行采集。

審核編輯：黃飛