AESA提供的新的捷變性可將完全不同的雷達(dá)系統(tǒng)集成于單個(gè)平臺(tái)上

歷史上，防御與民用雷達(dá)基礎(chǔ)架構(gòu)的發(fā)展周期很長(zhǎng)，需要大量的時(shí)間、創(chuàng)新和資本投資推動(dòng)。防御應(yīng)用一直是推動(dòng)雷達(dá)基礎(chǔ)架構(gòu)發(fā)展的主要力量，但通常在收獲雷達(dá)性能大幅提升的同時(shí)，也增加了系統(tǒng)總成本。這些因素促成了從傳統(tǒng)機(jī)械控制雷達(dá)結(jié)構(gòu)向有源電子掃描陣列（AESA，或者說(shuō)有源天線陣列）的轉(zhuǎn)變，后者利用先進(jìn)的多波束能力，支撐時(shí)間與空間精度的巨大收益。AESA的多功能能力同樣引人注目，其提供的新的捷變性可將完全不同的雷達(dá)系統(tǒng)集成于單個(gè)平臺(tái)上（見圖1）。

圖1 有源相控陣結(jié)構(gòu)支撐電子波束控制和多個(gè)雷達(dá)合并至單個(gè)系統(tǒng)

AESA的這些工作特性決定了這項(xiàng)技術(shù)必將替代傳統(tǒng)防御雷達(dá)系統(tǒng)，并且AESA裝置已經(jīng)在該領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。擁有地面、海上和空中部署能力，AESA技術(shù)大大強(qiáng)化了傳感器的網(wǎng)絡(luò)化，提升了深入現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì)感知能力。應(yīng)用于民用雷達(dá)架構(gòu)，AESA具備深入影響公民人身安全與公共安全的潛力。單個(gè)多功能AESA雷達(dá)網(wǎng)在顯著提高氣象監(jiān)測(cè)能力的同時(shí)，還能夠提升空中交通控制水平，為國(guó)家?guī)?lái)直接的經(jīng)濟(jì)利益及支撐國(guó)土防御能力。采用AESA技術(shù)，氣象學(xué)者能夠更好地預(yù)測(cè)和評(píng)估一些強(qiáng)風(fēng)暴，以挽救生命。AESA傳感器還能支撐無(wú)人駕駛飛機(jī)和無(wú)人駕駛車輛融入主流社會(huì)的能力。這將從根本上改變運(yùn)輸與商業(yè)，從而帶來(lái)社會(huì)變革。

然而，為了實(shí)現(xiàn)AESA由防御應(yīng)用成功地轉(zhuǎn)向民用和商業(yè)應(yīng)用，還有一些技術(shù)與經(jīng)濟(jì)難題需要解決。繼續(xù)依賴于傳統(tǒng)的射頻器件與笨重的裝配技術(shù)，結(jié)果之一就是阻礙了AESA的重要應(yīng)用。為了看清這種研究的發(fā)展方向，弄清其起源與目前的發(fā)展路線圖是有益的。

1研發(fā)路線圖

下一代有源天線技術(shù)可追溯至上世紀(jì)60年代的項(xiàng)目研究。隨著上世紀(jì)80年代GaAs單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)走向成熟，AESA的開發(fā)速度也得到加速。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARAP）與MACOM及其他技術(shù)公司合作，開展微波/毫米波單片微波集成電路項(xiàng)目及微波模擬前端技術(shù)（MAFET）項(xiàng)目研究。這些研究項(xiàng)目促成了先進(jìn)的混合半導(dǎo)體技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究躍升為商用制造射頻器件，研制出該行業(yè)首個(gè)幾瓦特的MMIC。這些半導(dǎo)體與封裝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)的是首批批產(chǎn)型射頻模塊與器件在主流印制電路板（PCB）技術(shù)與表面組裝技術(shù)上的應(yīng)用。DARPA項(xiàng)目后這些研究活動(dòng)的目標(biāo)是開發(fā)更高輸出功率、更高效率與更高工作頻率的混合半導(dǎo)體。由于工作頻率（至500 GHz）、收益、一致性和可靠性極高，氮化鎵（GaN）技術(shù)已成為AESA的開發(fā)和投資重點(diǎn)。

DARPA的商業(yè)時(shí)標(biāo)陣列(ACT)項(xiàng)目始于2014年，旨在利用商用領(lǐng)域形成的最佳實(shí)踐來(lái)縮短下一代雷達(dá)、電子戰(zhàn)（EW）和通信系統(tǒng)的開發(fā)和制造周期。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字互聯(lián)相控陣標(biāo)準(zhǔn)組件，由此構(gòu)建更大的系統(tǒng)，并且針對(duì)每種新應(yīng)用都無(wú)需完全重新設(shè)計(jì)。這種途徑的雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期會(huì)縮短市場(chǎng)投放時(shí)間與成本，而這兩點(diǎn)對(duì)于AESA獲取民用與商業(yè)主流應(yīng)用而言都是必需的。

2板條陣列與瓦片陣列之比較

AESA的成本與生存能力取決于其電子器件的成本及這些器件在陣列中的構(gòu)建方式。影響最終系統(tǒng)成本的因素很多，包括收/發(fā)（T/R）模塊、射頻電路板和電纜等。

T/R模塊大約占據(jù)雷達(dá)相控陣部分一半的成本，而其自身成本又由MMIC類型、封裝方式和模塊基片決定的。用于雷達(dá)的傳統(tǒng)T/R模塊采用陶瓷材料作為基片，制造采用“芯片細(xì)線”法裝配工藝。在芯片細(xì)線組裝中，MMIC芯片和其他IC要求額外的打磨工作。與商用系統(tǒng)中的塑料密封MMIC相比，這樣就增加了相當(dāng)多的支出。相控陣設(shè)計(jì)中的多層射頻電路板和電纜占據(jù)幾乎所有剩余的成本（裝配、測(cè)試和機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)約占總成本的10%）。與T/R模塊一樣，陣列設(shè)計(jì)的基本架構(gòu)會(huì)增加較多的成本。

圖2 板條陣列

這里舉例說(shuō)明了構(gòu)建大型相控陣的傳統(tǒng)方法，即通稱的板條陣列結(jié)構(gòu)，它有許多與陣面垂直的板條（見圖2）。板條陣列擁有許多優(yōu)勢(shì)：它為連接T/R模塊和支撐電子器件提供較大的表面積。此外，這種大功率放大器的熱載荷可在較大空間內(nèi)展開，即孔徑面積與板條厚度乘積。主要的不利因素是它需要大量的射頻板和電纜，以通過(guò)安裝與拆卸板條來(lái)傳送射頻、直流電和控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)陣列運(yùn)行。這樣也增加了設(shè)計(jì)成本。

圖3 瓦片陣列

另一種方法為瓦片結(jié)構(gòu)，即陣列由與陣面平行的層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，它通過(guò)采用一種更加精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)來(lái)克服這些缺陷（見圖3）。天線單元與射頻波束形成器集成于單個(gè)多層射頻板上，T/R模塊直接安裝在該板的背面。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于大幅降低了射頻板的面積，并顯著減少了連接和電纜的數(shù)量。T/R模塊的設(shè)計(jì)利用高產(chǎn)量商用微波封裝和制造技術(shù)能夠進(jìn)一步降低成本。這種架構(gòu)的T/R模塊MMIC采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的方形扁平無(wú)引腳 (QFN)封裝，即QFN封裝直接焊接在一個(gè)廉價(jià)PCB上，然后PCB再直接焊接到瓦片的背部。排列在印制電路板邊緣的純金屬護(hù)墊擔(dān)負(fù)T/R模塊與瓦片背部之間的射頻與直流電互連。

通過(guò)比較板條與瓦片陣列結(jié)構(gòu)的單元面積相對(duì)發(fā)射功率與單元成本，可以看出，在高功率和低功率輸出情況下，瓦片陣列都可降低5倍以上的成本。

3多功能雷達(dá)

MACOM與 麻省理工學(xué)院（MIT）林肯實(shí)驗(yàn)室合作優(yōu)化了瓦片陣列的結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了可使用商用制造加工來(lái)獲取成本效率。MACOM/林肯實(shí)驗(yàn)室合作研制的多功能相控陣?yán)走_(dá)（MPAR）項(xiàng)目得到美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)和國(guó)家海洋與大氣局(NOAA)的贊助，設(shè)計(jì)目標(biāo)為下一代民用雷達(dá)，它將八種單獨(dú)的傳統(tǒng)雷達(dá)功能集成至一個(gè)多功能平臺(tái)上。第一代MPAR (見圖4)采用可擴(kuò)展平面陣列（SSAR）瓦片陣來(lái)探測(cè)和跟蹤氣象條件、飛機(jī)和空中目標(biāo)。

圖4 MACOM和林肯實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)的SPAR瓦片樣品

盡管大多數(shù)傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)方式，并將雷達(dá)的拋物面天線傾斜來(lái)掃描不同的空域，但是SPAR瓦片雷達(dá)由一個(gè)固定平面陣列（空域電子掃描）內(nèi)的數(shù)百至數(shù)千個(gè)T/R單元組成。如圖5所示，MPAR的SPAR瓦片由一個(gè)前孔印制電路板(APCB)組成，內(nèi)含輻射單元、發(fā)射與接收波束形成網(wǎng)絡(luò)、功率和邏輯分發(fā)。利用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)制造加工工藝，把這些T/R模塊表面安裝到APCB的背部。 第二個(gè)PCB，即底板，包含直流電源、通用處理器和高級(jí)邏輯電路。它與APCB組合后構(gòu)成SPAR瓦片。這兩個(gè)PCB通過(guò)低成本、高性能連接器連接，并利用一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)固定在一起，組成完整陣列的裝配結(jié)構(gòu)。

圖5 SPAR瓦片結(jié)構(gòu)

首部部署型MPAR樣機(jī)正在美國(guó)俄克拉荷馬州的國(guó)家嚴(yán)重風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室（NSSL）進(jìn)行天氣觀測(cè)驗(yàn)證。它也為開發(fā)后端結(jié)構(gòu)及AESA數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)天氣建模算法提供了一個(gè)基本平臺(tái)。完全投入應(yīng)用以后，該系統(tǒng)有助于增加對(duì)類似于颶風(fēng)等惡劣天氣的預(yù)報(bào)精度，支撐更早期的重大風(fēng)暴預(yù)警及其他好處等。對(duì)于FAA來(lái)說(shuō)，MPAR系統(tǒng)能夠顯著提升空中交通告警與國(guó)土防御監(jiān)視。

近十年來(lái)，MACOM一直在推動(dòng)SPAR瓦片技術(shù)研究。從概念驗(yàn)證至首部樣機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際終端應(yīng)用環(huán)境的部署，SPAR瓦片的技術(shù)準(zhǔn)備度（TRL）與制造準(zhǔn)備度（MRL）已經(jīng)得到了提升?；谑撞繕訖C(jī)系統(tǒng)的成功研制，MACOM已經(jīng)啟動(dòng)了第一階段SPAR瓦片的規(guī)模制造，為FAA/NOAA先進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證（ATD）提供了90多個(gè)瓦片，用于完全系統(tǒng)驗(yàn)證。這樣首次保證了富有意義的端對(duì)端制造過(guò)程中的性能指標(biāo)分步統(tǒng)計(jì)。MACOM已經(jīng)制造和測(cè)試了6000多個(gè)T/R模塊，成果數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 ATD T/R模塊的噪聲系數(shù)分布。柱狀圖接近平均噪聲系數(shù)3.7 dB的正態(tài)分布。

4瓦片AESA的機(jī)會(huì)

隨著用于空中交通控制和天氣監(jiān)視等傳統(tǒng)民用雷達(dá)走向沒(méi)落，以及政府支出削減，對(duì)一些重要的防御項(xiàng)目產(chǎn)生影響，開發(fā)高費(fèi)效比新型雷達(dá)系統(tǒng)的唯一途徑是把創(chuàng)新的射頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與商用制造加工結(jié)合起來(lái)。

瓦片AESA為新一代高性能、捷變雷達(dá)系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。這些雷達(dá)系統(tǒng)建造速度快、費(fèi)效比高和易于升級(jí)改進(jìn)，可廣泛應(yīng)用于防御、民事和商業(yè)領(lǐng)域。應(yīng)用于瓦片陣列MPAR的設(shè)計(jì)與裝配技術(shù)既可用于通信，也可應(yīng)用于感知，支撐著有源天線能力以低廉的價(jià)格適用于多種商業(yè)領(lǐng)域：空中因特網(wǎng)、5G技術(shù)、無(wú)人機(jī)感知與規(guī)避和汽車?yán)走_(dá)等。