顾叶青，姚 晔，王 超

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

有源相控阵天线集成设计*

顾叶青，姚 晔，王 超

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

轻薄化、可扩展与低成本是现代有源相控阵天线的主要发展目标，集成化设计是实现这些目标的重要技术方法。针对高频段有源相控阵天线的基本特点，介绍了有源相控阵天线集成设计的基本概念。结合典型的应用实例重点研究了集成设计方法在有源子阵集成和天线结构框架集成上的应用，同时指出了存在的技术难点。最后介绍了有源相控阵天线集成技术的发展方向：微系统集成技术，并指出了其中的关键技术。

有源相控阵天线；集成技术；有源子阵；微系统集成

引 言

自20世纪90年代始，随着有源相控阵天线技术的快速发展，其高功率、高效率的本质特征为大幅度提升雷达作用距离提供了最有效的技术途径，使远程跟踪制导成为可能，实现了探测与攻击的能力匹配。由于采用有源相控阵体制，天线系统在可靠性、隐身性、抗干扰能力和多目标攻击能力等方面有大幅度提升。在精确跟踪与制导领域，有源相控阵天线的工作频段通常是X频段至毫米波频段。工作频率越高，每个辐射单元的面积越小，集成度要求越高。传统的各分系统模块简单组装的设计方法已不能满足阵面布置、维修等要求，必须采用高集成一体化设计技术，才能实现有源相控阵天线轻薄化、可扩展与低成本目标。

有源相控阵天线是典型的复杂电子机械装备，通常由辐射单元、T/R组件、电源模块、控制模块、射频网络模块、供电网络、热控管网以及作为结构支撑基础的天线骨架等组成，是一个涵盖电磁场、热力学、机械设计等多种学科的复杂系统。解决复杂产品设计中的各种难题，仅靠研究各组成元素的行为是不够的，采用系统集成、总体论的观点尤为重要。

系统论的观点认为：“集成(Integration)从一般意义上可以理解为两个或两个以上的要素(单元、子系统)集合成为一个有机系统，这种集合不是要素之间的简单叠加，而是要素之间的有机结合，即按照某一集成规则进行的组合和构造，其目的在于提高有机系统的整体功能或性能”。这又涉及到“系统”的概念，对系统(System)一词通常理解为“由相互关联、相互作用的若干要素(单元、子系统)组成的具有特定结构、性质和功能的有机整体”。而对集成一词通常理解为“将一些孤立的事物或元素通过某种方式集中在一起，产生联系，从而构成一个有机整体的过程”。如果说“集成”强调的是若干要素构成系统的过程的话，那么“系统”则强调的是若干要素集成后的效果。对于有源相控阵天线这样的复杂系统集成，就需要采用系统工程的方法。

1 有源相控阵天线集成技术概述

对于传统有源相控阵天线，当应用平台或功能发生变化，需要扩大或缩小阵列天线的口径时，除了要增加或减少T/R组件的数量，还需要重新设计其他分系统，以适应射频、数字信号与电源接口的数量以及负荷能力的变化[1]。

现代有源相控阵天线设计一般从电讯功能、链路出发，分层、分级划分功能部件，构建开放式阵面系统，实现系统可重构、可扩展功能。开放式天线阵面集成通常需要采用模块化集成技术[2]，以有源子阵模块为基本单元，子阵不仅封装了多路相控阵天线T/R有源通道，还集成了相控阵雷达其他分系统的部分功能。在对子阵进行总体方案设计时，要对各个组成部件进行高集成度的一体化设计，大幅度减少接口类型与数量；同时在对组成部件进行设计时，要使各部件自身尽可能轻型化、小型化、低成本、高可靠。每个子阵都是一个高度集成的可扩展小型相控阵天线，不同规模的子阵集成设计出满足不同性能指标的模块化相控阵天线。

随着单片微波集成电路(MMIC)和专用集成电路(ASIC)技术的不断发展与成熟，性能优异且一致性良好的T/R组件得以大批量、低成本生产，从而有力推动了有源相控阵天线的模块化和集成化设计方法的发展。天线阵面性能指标和集成度的不断提高也进一步推动了T/R组件等分系统的微型化、轻量化、模块化、集成化设计。这些先进的设计理念有效提升了雷达性能，降低了生产成本并使批量制造成为可能。

2 有源子阵集成技术

有源子阵在天线阵面中作为核心模块，具有接口简单、构建灵活、功能可软件定义的特点，其集成化设计使有源相控阵天线阵面具备较好的组合性、互换性和可靠性。因此，从这个意义上来讲，有源子阵集成化设计成为了新一代有源相控阵天线系统设计的基础。

有源子阵是将一个或几个电子阵的阵列单元与T/R组件、功分网络、波控、电源等设备集成在一起形成的一个阵列模块，具有完整的结构和电讯性能，可独立调试，通常作为阵面基本可更换单元。子阵模块集成能够大幅度减少相控阵天线与波束形成网络、控制电路、电源组件等分系统之间的信号互联，降低损耗，提高效率与电磁兼容水平；减少机械装配结构件，降低重量；简化封装与装配程序，实现流水线生产，提高生产效率，降低生产成本；提高相控阵天线的测试性、维修性与可扩展性。

有源子阵集成设计要素包括：设计中大量采用MMIC、ASIC芯片技术和综合布板技术；在传输电路的设计上采用整体考虑和一体化综合设计方案，实现多种频率的多种信号在同一个网络中共存，实现大容量、高效率和高可靠性的信号传输；采用功能一体化设计理念，将热设计和传统骨架设计相结合，将结构载体和冷却链路相结合，形成功能结构件；形式多样、精巧可靠的互联设计。

下面介绍几种有源相控阵天线上常用的子阵集成方式[3]。

(1)基于两维方向集成的砖块式子阵

如图1所示的砖块式结构中有源电路平面与阵面孔径垂直，可以充分利用阵面深度尺寸，采用更大的元器件且具备更好的热扩散条件，产生更高的单位辐射单元射频输出功率。子阵规模的大小需要根据阵面的集成度和可更换模块的重量要求确定。一般砖块式子阵内的所有功能模块都以子阵骨架为依托，以子阵内的综合网络为中心进行布局，合理放置。子阵骨架为多功能结构件，一般设计为多层冷板的三维立体结构。

图1 两维砖块式结构

(2)基于一维方向集成的刀片式子阵

与砖块式子阵一样，刀片式子阵的有源电路平面与阵面孔径垂直，它是砖块式子阵的变形，即一维方向阵元数减少，另一维方向阵元数增加，多路集成后易实现小型化。如图2所示的刀片式子阵的阵列单元与射频转接层在结构形式上做成一个长条形模块，紧随其后的是四通道T/R组件阵列，每个T/R组件后跟一个电源模块，贴在冷板两侧，然后是条状的综合网络层(含射频、控制、电源分配传输)，最后是延时驱动模块、数字板等，这些有源模块都安装在单层冷板的三维多腔板式子阵骨架上。

图2 单条刀片式子阵结构

(3)瓦片式子阵模块

如图3所示的瓦片式子阵模块中有源电路平面与阵面孔径平面平行，采用分层叠加结构，将多个通道相同的功能芯片或电路集成在数个平行放置的瓦片上，然后垂直互联，辐射阵元多采用微带贴片天线。叠层阵列结构作为新一代片式架构，需要高密度集成技术、T/R组件的多功能专用芯片、高性能高可靠性射频电路和控制电路作为技术支撑，需重点解决层间垂直互联、散热以及阵面维护等方面的关键技术。该结构形式将是有源阵面的重要发展方向。

图3 瓦片式子阵模块

3 天线结构框架集成技术

相控阵框架结构在确保相控阵天线性能实现方面起着重要作用。高精度、轻型化是天线结构面临的重要研究课题。结构设计需要密切配合天线阵面电性能设计，同时也强调自身重量的轻型化。考虑到轻型高效天线模块结构的设计，其上各单机尺寸小、可用空间紧凑，因此不仅其排布方式需兼顾各项因素(空间利用率、馈线网络的可实现性、电性能指标实现)，且结构框架模块的力学特性是否满足刚强度及电讯性能要求也需要进行专门研究。

受内部设备布局的限制，简单通过结构构型的优化设计来提高刚度已经比较困难。目前，提高天线结构框架刚度性能的主要技术路径有：巧妙合理地利用阵面内的大量电子设备(如T/R组件、电源组件、子阵、射频馈线网络、走线层等)结构，将离散结构设计为阵面骨架连续的受力结构，增加整体或局部刚度；通过功能结构一体化设计(如冷却水道管网、各种形式的导轨结构及各种走线支架等)，提高天线阵面的刚度，并减轻阵面结构重量；通过阵面变形调节机构或自适应阵面结构设计来实时调节阵面结构刚度[4]。

阵面的电讯功能和结构功能结合后，形成的功能一体化结构可进一步提高阵面的集成度，这里介绍在天线阵面上经常使用的两类结构功能件。

(1)结构与冷却网络一体化天线面板结构

加工该类面板时先在基板上加工出水道沟槽，再覆上盖板，并采用搅拌摩擦焊将基板和盖板焊接成一体，这样就可把阵面行列水道集成在面板结构中(见图4)。一体化面板可较好地实现阵面的轻量化设计目标，并且可以简化外部管路连接，使阵面结构更加紧凑，减小阵面厚度尺寸。

图4 一体化天线面板

(2)有源模块安装板

雷达系统中的各有源模块一般均需集成装配到有源安装板上，因此有源安装板需具备承载、热控等多种功能及轻量化要求。现在多种型号产品的设计中，多采用如图5所示的铝蒙皮蜂窝夹层结构方案，内部预埋热管进行天线的热控。

图5 有源模块安装板

4 微系统集成

通过共形相控阵天线实现“智能蒙皮”是未来雷达天线的一个发展趋势，而满足这些需求的基础是轻薄化的高集成片式天线阵面。传统的宏观集成方式已不能满足新一代雷达天线高性能、一体化的需求，因此，必须采用更先进的高度集成技术，即微系统集成技术。

微系统技术是以微电子器件、光电子/光子器件和MEMS/NEMS器件为基础的综合系统集成技术，是军事电子技术创新的引擎。微系统集成是有源相控阵天线集成技术的重要发展方向。微系统集成天线阵面需要实现高性能、多功能、小型化、低成本、高可靠性的目标，特别是针对宽频段组阵对单元尺寸和功耗的限制，研发出专用多功能、高集成、高性能芯片的基础都有赖于微系统的信息获取、传输和处理技术，超精密检查和操作技术，微系统新材料、微制造技术等领域取得更多工程化的应用成果[5-7]。下面介绍几项有源相控阵天线微系统集成的关键技术。

(1)天线微系统集成架构设计

系统微型化首先需要系统方案能微型化，系统方案微型化是系统优化设计的基础，因此研究可微型化的系统级方案显得尤其重要。需综合应用要求、原器件状态和工艺能力，将应用融合到架构中，研究面向应用需求的合理的微系统集成架构，形成基于“多功能芯片+三维高密度集成+微系统热管理技术”的微系统方案。

(2)多功能芯片级异构集成技术

研究集功能/性能设计、热设计、结构设计、电磁兼容性设计于一体的芯片级三维异构集成技术是实现天线微系统集成技术的核心。这种多功能芯片集成的基本思路是在一个芯片里集成功率放大器、低噪声放大器、射频开关、移相器以及数字控制电路等，从而达到减少有源相控阵天线的芯片数目、互联工序和连线，以及减小芯片电路面积和简化芯片外围电路的目的。

(3)天线微系统三维高密度集成

天线微系统采用了系统级三维高密度集成技术，实现系统由传统的松散分块组合向高密度的系统级集成发展。通过芯片系统集成(SoC)和系统级封装(SiP)技术，在极小的空间内将多块专用多功能裸芯片和通用裸芯片通过高密度垂直互联集成设计，并借助硅通孔(TSV)工艺及MEMS圆片级封装工艺实现天线、射频、数字、光电的一体化系统集成。这种集成设计方案可突破原有产品形态，形成高性能、低功耗、轻薄型、小型化的阵列单元，最后通过优化的组阵设计构建高集成天线微系统。

(4)天线微系统热管理技术

随着微系统集成度的提高，芯片上的热流密度已达到千瓦级以上，微系统性能最终受到散热能力的制约，其热管理技术也是迫切需要解决的技术难题。微系统集成结构面临复杂的机、电、热多物理场的综合作用，在微米级微通道条件下，还涉及到尺度效应，常规尺度下的流动和传热机理已经不再适用，建立新的实验和分析方法成为必然。另外，由于微通道的截面尺寸极小，一方面对冷却液的稳定性和纯度提出了很高的要求；另一方面，会产生很大的流阻，需要对流道设计进行非常精细的优化，以降低微泵的供液压力。除此之外，在三维堆叠集成工艺和层间密封工艺上也面临着极大的挑战。只有在设计方法和工艺技术上取得突破，才能发挥微通道散热技术在散热效率上的优势，满足三维堆叠集成的要求。目前，天线微系统在研的主要热管理技术有微导热管、喷淋散热、热电冷却和微流道等，其中微流道由于在增强对流传热方面的优势，被认为是目前最具潜力的微系统热管理技术之一。

美国Raytheon公司通过微系统集成技术大幅提高了阵面集成度，其研发的X波段128通道一体化设计的有源阵面样件如图6所示，可见通过微系统集成设计可大幅提高阵面的集成度和轻量化性能。

图6 Raytheon公司研发的高集成阵面样件

5 结束语

天线不断轻薄化，逐步实现共形的“智能蒙皮”是未来有源相控阵雷达的重点发展方向，天线阵面集成化设计将是实现这些指标的关键技术。文中通过介绍集成化设计的基本概念及在相控阵天线阵面上的典型应用来说明集成化设计的巨大优势，并指出了天线微系统集成化设计中的关键技术。

[1] 彭祥龙. 相控阵天线集成技术[J]. 电讯技术, 2010, 50(10): 112-117.

[2] 顾叶青, 唐宝富, 王超. 大型相控阵天线模块化设计[J]. 电子机械工程, 2016, 32(2): 1-4.

[3] 唐宝富, 钟剑锋, 顾叶青. 有源相控阵雷达天线结构设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2016.

[4] 唐宝富, 顾叶青, 王超. 智能结构在相控阵天线阵面中的应用研究[J]. 现代雷达, 2014, 36(11): 8-10.

[5] 章维一, 侯丽雅. 微系统及其商品化[J]. 中国机械工程, 2000, 11(3): 348-351.

[6] 钟先信. 微系统研究展望[J]. 中国工程科学, 2000, 2(1): 81-84.

[7] 沈叔涛. 微系统关键技术的发展概况[J]. 红外与激光工程, 2012, 41(4): 936-941.

顾叶青(1979-)，男，高级工程师，主要从事有源阵面结构研究工作。

姚 晔(1968-)，女，高级工程师，主要从事有源阵面结构研究工作。

王 超(1984-)，男，工程师，主要从事有源阵面结构研究工作。

Integration Design of Active Phased Array Antenna

GU Ye-qing，YAO Ye，WANG Chao

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Thin and light, scalability and low cost are the main development goals of modern active phased array antenna, which can be achieved through integration design. Based on the main characteristics of high frequency active phased array antennas, the basic concept of integration design of active phased array antenna is introduced. The application of integration design method in active sub-array integration and antenna structure framework integration is emphatically studied according to typical application examples, and the technical difficulties are proposed. Finally, microsystem integration technology which is thought as the development trend of integration technology of active phased array antenna is introduced, and its key technologies are also pointed out.

active phased array antenna; integration technology; active sub-arrays; microsystem integration

2016-08-15

国家自然科学基金资助项目(51490664)

TN821+.8

A

1008-5300(2016)06-0029-04