瓦片阵列如何助力雷达快速发展?

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历史上,防御与民用雷达基础架构的发展周期很长,需要大量的时间、创新和资本投资推动。防御应用一直是推动雷达基础架构发展的主要力量,但通常在收获雷达性能大幅提升的同时,也增加了系统总成本。这些因素促成了从传统机械控制雷达结构向有源电子扫描阵列(AESA,或者说有源天线阵列)的转变,后者利用先进的多波束能力,支撑时间与空间精度的巨大收益。AESA的多功能能力同样引人注目,其提供的新的捷变性可将完全不同的雷达系统集成于单个平台上(见图1)。

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图1、有源相控阵结构支撑电子波束控制和多个雷达合并至单个系统

AESA的这些工作特性决定了这项技术必将替代传统防御雷达系统,并且AESA装置已经在该领域得到很好的应用。拥有地面、海上和空中部署能力,AESA技术大大强化了传感器的网络化,提升了深入现代战场的态势感知能力。应用于民用雷达架构,AESA具备深入影响公民人身安全与公共安全的潜力。单个多功能AESA雷达网在显著提高气象监测能力的同时,还能够提升空中交通控制水平,为国家带来直接的经济利益及支撑国土防御能力。采用AESA技术,气象学者能够更好地预测和评估一些强风暴,以挽救生命。AESA传感器还能支撑无人驾驶飞机和无人驾驶车辆融入主流社会的能力。这将从根本上改变运输与商业,从而带来社会变革。

然而,为了实现AESA由防御应用成功地转向民用和商业应用,还有一些技术与经济难题需要解决。继续依赖于传统的射频器件与笨重的装配技术,结果之一就是阻碍了AESA的重要应用。为了看清这种研究的发展方向,弄清其起源与目前的发展路线图是有益的。

1、研发路线图

下一代有源天线技术可追溯至上世纪60年代的项目研究。随着上世纪80年代GaAs单片微波集成电路(MMIC)技术走向成熟,AESA的开发速度也得到加速。美国国防高级研究计划局(DARAP)与MACOM及其他技术公司合作,开展微波/毫米波单片微波集成电路项目及微波模拟前端技术(MAFET)项目研究。这些研究项目促成了先进的混合半导体技术从实验室研究跃升为商用制造射频器件,研制出该行业首个几瓦特的MMIC。这些半导体与封装技术的进一步发展带来的是首批批产型射频模块与器件在主流印制电路板(PCB)技术与表面组装技术上的应用。DARPA项目后这些研究活动的目标是开发更高输出功率、更高效率与更高工作频率的混合半导体。由于工作频率(至500 GHz)、收益、一致性和可靠性极高,氮化镓(GaN)技术已成为AESA的开发和投资重点。

DARPA的商业时标阵列(ACT)项目始于2014年,旨在利用商用领域形成的最佳实践来缩短下一代雷达、电子战(EW)和通信系统的开发和制造周期。最终目标是实现数字互联相控阵标准组件,由此构建更大的系统,并且针对每种新应用都无需完全重新设计。这种途径的雷达系统实现预期会缩短市场投放时间与成本,而这两点对于AESA获取民用与商业主流应用而言都是必需的。

2、板条阵列与瓦片阵列之比较

AESA的成本与生存能力取决于其电子器件的成本及这些器件在阵列中的构建方式。影响最终系统成本的因素很多,包括收/发(T/R)模块、射频电路板和电缆等。

T/R模块大约占据雷达相控阵部分一半的成本,而其自身成本又由MMIC类型、封装方式和模块基片决定的。用于雷达的传统T/R模块采用陶瓷材料作为基片,制造采用“芯片细线”法装配工艺。在芯片细线组装中,MMIC芯片和其他IC要求额外的打磨工作。与商用系统中的塑料密封MMIC相比,这样就增加了相当多的支出。相控阵设计中的多层射频电路板和电缆占据几乎所有剩余的成本(装配、测试和机构结构约占总成本的10%)。与T/R模块一样,阵列设计的基本架构会增加较多的成本。

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图2、板条阵列

这里举例说明了构建大型相控阵的传统方法,即通称的板条阵列结构,它有许多与阵面垂直的板条(见图2)。板条阵列拥有许多优势:它为连接T/R模块和支撑电子器件提供较大的表面积。此外,这种大功率放大器的热载荷可在较大空间内展开,即孔径面积与板条厚度乘积。主要的不利因素是它需要大量的射频板和电缆,以通过安装与拆卸板条来传送射频、直流电和控制信号,实现阵列运行。这样也增加了设计成本。

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图3、瓦片阵列

另一种方法为瓦片结构,即阵列由与阵面平行的层状结构构成,它通过采用一种更加精简的结构来克服这些缺陷(见图3)。天线单元与射频波束形成器集成于单个多层射频板上,T/R模块直接安装在该板的背面。这种方法的优势在于大幅降低了射频板的面积,并显著减少了连接和电缆的数量。T/R模块的设计利用高产量商用微波封装和制造技术能够进一步降低成本。这种架构的T/R模块MMIC采用工业标准的方形扁平无引脚(QFN)封装,即QFN封装直接焊接在一个廉价PCB上,然后PCB再直接焊接到瓦片的背部。排列在印制电路板边缘的纯金属护垫担负T/R模块与瓦片背部之间的射频与直流电互连。

通过比较板条与瓦片阵列结构的单元面积相对发射功率与单元成本,可以看出,在高功率和低功率输出情况下,瓦片阵列都可降低5倍以上的成本。

3、多功能雷达

MACOM与 麻省理工学院(MIT)林肯实验室合作优化了瓦片阵列的结构,验证了可使用商用制造加工来获取成本效率。MACOM/林肯实验室合作研制的多功能相控阵雷达(MPAR)项目得到美国联邦航空局(FAA)和国家海洋与大气局(NOAA)的赞助,设计目标为下一代民用雷达,它将八种单独的传统雷达功能集成至一个多功能平台上。第一代MPAR (见图4)采用可扩展平面阵列(SSAR)瓦片阵来探测和跟踪气象条件、飞机和空中目标。

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图4、MACOM和林肯实验室共同开发的SPAR瓦片样品

尽管大多数传统雷达系统采用机械旋转方式,并将雷达的抛物面天线倾斜来扫描不同的空域,但是SPAR瓦片雷达由一个固定平面阵列(空域电子扫描)内的数百至数千个T/R单元组成。如图5所示,MPAR的SPAR瓦片由一个前孔印制电路板(APCB)组成,内含辐射单元、发射与接收波束形成网络、功率和逻辑分发。利用标准的工业制造加工工艺,把这些T/R模块表面安装到APCB的背部。 第二个PCB,即底板,包含直流电源、通用处理器和高级逻辑电路。它与APCB组合后构成SPAR瓦片。这两个PCB通过低成本、高性能连接器连接,并利用一个简单的机械结构固定在一起,组成完整阵列的装配结构。

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图5、SPAR瓦片结构

首部部署型MPAR样机正在美国俄克拉荷马州的国家严重风暴实验室(NSSL)进行天气观测验证。它也为开发后端结构及AESA数据驱动天气建模算法提供了一个基本平台。完全投入应用以后,该系统有助于增加对类似于飓风等恶劣天气的预报精度,支撑更早期的重大风暴预警及其他好处等。对于FAA来说,MPAR系统能够显著提升空中交通告警与国土防御监视。

近十年来,MACOM一直在推动SPAR瓦片技术研究。从概念验证至首部样机系统在实际终端应用环境的部署,SPAR瓦片的技术准备度(TRL)与制造准备度(MRL)已经得到了提升。基于首部样机系统的成功研制,MACOM已经启动了第一阶段SPAR瓦片的规模制造,为FAA/NOAA先进技术验证(ATD)提供了90多个瓦片,用于完全系统验证。这样首次保证了富有意义的端对端制造过程中的性能指标分步统计。MACOM已经制造和测试了6000多个T/R模块,成果数据如图6所示。

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图6、ATD T/R模块的噪声系数分布。柱状图接近平均噪声系数3.7 dB的正态分布。

4、瓦片AESA的机会

随着用于空中交通控制和天气监视等传统民用雷达走向没落,以及政府支出削减,对一些重要的防御项目产生影响,开发高费效比新型雷达系统的唯一途径是把创新的射频系统结构与商用制造加工结合起来。

瓦片AESA为新一代高性能、捷变雷达系统的研制奠定了基础。这些雷达系统建造速度快、费效比高和易于升级改进,可广泛应用于防御、民事和商业领域。应用于瓦片阵列MPAR的设计与装配技术既可用于通信,也可应用于感知,支撑着有源天线能力以低廉的价格适用于多种商业领域:空中因特网、5G技术、无人机感知与规避和汽车雷达等。

 

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