一种高功率低廓面雷达组件的集成实现思路
一种高功率低廓面雷达组件的集成实现思路
- 一、研究背景
- 二、几个瓦片式和平板式实现方案
- 2.1 双极化双波束Ku波段接收平板天线
- 2.2 双极化Ka波段发射平板天线
- 2.3 S频段可扩展雷达阵列
- 2.4 波音公司机载相控阵
- 三、该论文高功率低廓面集成方案
- 四、小结
好像今年微波领域顶级会议IMS（2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium）登上IEEE Xplore系统比较晚，因此最近才有机会翻了翻会议上的论文。
其中有一篇名为《An X-band High Power Tile-Type GaN TR Module for Low-Profile AESA》1的文章真的令我眼前一亮。
其主题是瓦片式组件集成方案，吸引我的是这种集成方案能够支持很高功率的发射输出，是目前解决瓦片式散热新颖但比较靠谱的集成方案。
这里结合之前看到的各种文献，分析下这个来自日本三菱（Mitsubishi Electric Corporation）公司的研究成果。
一、研究背景
低廓面是有源相控阵集成的发展趋势（如图1所示）2，从砖块式的结构，发展到瓦片式的结构以及廓面更低的平板式的结构。
图1 从砖块式（A）到瓦片式（B）到平板式（C）3
总体而言，民用产品因为批量较大并且性能相对固定，相比之下更追求低成本，因此近些年基于Si基芯片发展出很多平板天线的研究和产品(典型的通信用平板天线 看这里)。
而对于军用而言，可能更追求性能，比如高功率、低噪声，Si基芯片恰恰在实现这些指标上没什么优势，因此军用的主流设计方案基本还停留在从砖块式（A）到瓦片式（B）这一过渡阶段（当然也有更先进的设计比如DARPA惊世骇俗的 MIDAS）。
下面我们先看几个比较有代表性的相关研究，再引出我们今天要分析的技术方案。
二、几个瓦片式和平板式实现方案
2.1 双极化双波束Ku波段接收平板天线
射频集成电路与平板天线领域经常会看到Gabriel M. Rebeiz教授的大名，在IMS 2021其团队又有多篇研究成果发表，比如下面的这个Ku频段双波束双极化256单元的平板卫星通信天线。
平板天线内集成了两套波束合成网络；每个16通道模拟波束合成器芯片对应4个双极化天线单元，每个极化在芯片内部分路成了双波束；平板集成了带通滤波器（这个在文章中好像没什么体现）。
图2 双极化双波束Ku波段平板天线 4
这篇文章中最大的亮点是通过外置的低噪声放大器（Renesas公司的F6921V2噪声系数1.4dB）来实现5dB/K的G/T值， 相比于国内做的最好的公司产品如图3所示，按相同单元数算要好一些，基本上是文献中看到的，平板天线实现的最佳G/T值指标。
图3 国内某厂家的Ku频段平板天线指标。
2.2 双极化Ka波段发射平板天线
说完了接收阵，来看一个发射阵，依然是Gabriel M. Rebeiz教授团队的作品。
这个发射平板天线使用的依然是Renesas的F6502，一款8通道Ka频段发设芯片，集成6位移相控制，20dB增益控制，25dB发射增益，饱和输出P-1为9-10dBm（感觉有点小，但为什么最后的EIRP却比较大？），每颗8通道芯片对应4个双极化单元，平板天线内部集成1分256内埋功率分配网络。
图4 双极化Ka波段发射平板天线 5
该平板天线能够实现±70°的大范围扫描，峰值EIRP为76dBm（46dBW）。根据文中的计算，1024个天线单元（对应60.2dB），单元天线增益为3.5dB，末级饱和输出为13dBm。
图6 理论EIRP核算和29GHz实测EIRP 5
依然跟国内厂家对比，相同单元数，指标要好一些，国内厂家的这一版末级功率应该不太高。
图7 国内某厂家的Ka频段平板天线指标。
2.3 S频段可扩展雷达阵列
该报道来自于2019年欧洲微波周会议MACOM公司发布，里面的图在2中也看到了，因此该项目应该历时比较旧，也有类似MIT等顶级高校团队参与。
该阵列工作于S波段2.7-2.9GHz，单元的脉冲功放是8W，子阵是张下图这个样子的。
图8 可扩展S频段子阵 6
对应的子阵方案如下图所示，看到发射脉冲功率10%占空比，饱和输出功率8W。
图9 子阵方案 6
文献中6讲了后来经过数次叠代，升级到了单元级数字阵列，相对射频模拟部分链路的方案就会简单很多。
因为是工作在S波段，因此相对体积限制较少，看起来每个子阵的体积还是有些厚重。
2.4 波音公司机载相控阵
来自波音公司J. Navarro分别在IMS2018和IMS2020发表的论文很详细的介绍了一种机载平板相控阵的设计 7 8，先不管技术指标，单就是下图工业设计角度看就莫名的赏心悦目。
图10 波音公司机载相控阵 7 8
阵列由128个通道构成，内部主要使用的是GaAs芯片，先后两版T/R部分如下图所示。
图11 先后两版T/R组件设计 7 8
第二版升级后，不仅天线的扫描角度，极化方式，以及噪声系数和发射功率都有很大程度的改善，看起来非常的不错。
三、该论文高功率低廓面集成方案
看了一堆相关论文做铺垫，下面正主出场。文献1 中的X频段瓦片式TR模块能够支持20W（43dBm）发射功率和2.8dB噪声系数，文中称这个发射功率是到目前为止X频段报道的最高值，跟前面的一众论文相比这个指标确实很厉害。
下面再来看看是如何实现的，所有的奥秘藏在下面的这张集成示意图里，
图12 高功率低廓面集成示意图 1
首先，发射采用功率和效率都有优势的GaN工艺，接收采用噪声有优势的GaAs工艺，而移相衰减等部分采用的是集成度有优势的SiGe工艺，这套方案基本是业界共识；
其次，所有的这些芯片都采用了flip-chip的设计，利用如图13所示的铜柱进行垂直互联；
图13 flip-chip方案所采用的铜柱结构 1
最后，重点来了，利用一次封装将组件屏蔽在一个9.2mm✖9.4mm✖2.3mm的封装里，因为采用了flip-chip设计，热量直接被导到上表面，就可以再采取其它措施进一步传导，而底面可以直接同天线载板相连，如图14所示。
图14 封装的垂直互联和散热路径 1
可以看到图14中射频传输路径和散热路径完全分开，并且组件可以模块化装配和更换，组件这部分的厚度仅仅2.3mm，真是有点完美…
四、小结
这种设计并不是没有问题：
- 文中说的是脉冲功率20W，占空比20%，虽然从热传导路径看上去应该能够支持更高的发射功率，但实际做起来不知道有没有瓶颈；
- flip-chip这种形式的芯片，没有工艺支持还真是不容易设计；
- 整个功能并不完整，环形器并没有集成在封装中。
但总体看来，这种设计给军用高功率输出雷达组件提供了一种不错的集成思路，更贴近商用的方案，只不过用flip-chip代替了商用的封装使热传导路径更直接，比我目前看到的什么金属流道、LTCC流道那些感觉更好一些，后面有机会再分享下其它的散热思路。
需要特别说明的是，虽然国内某厂家的平板天线用来做对比略显失色，但实际上该公司产品是国内顶级水准，与国外最先进的水平相差不大，只不过这里对比中指标较好的都是实验室结果，并不是工业品。
需要原始资料或相关技术咨询，请留言并且…你懂的…
M. Kimura et al., “An X-band High Power Tile-Type GaN TR Module for Low-Profile AESA,” 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2021, pp. 835-838, doi: 10.1109/IMS19712.2021.9574995. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
J. S. Herd and M. D. Conway, “The Evolution to Modern Phased Array Architectures,” in Proceedings of the IEEE, vol. 104, no. 3, pp. 519-529, March 2016, doi: 10.1109/JPROC.2015.2494879. ↩︎ ↩︎
Y. M. Wu et al., “An X-band Scalable 4×4 Digital Phased Array Module using RF SoC and Antenna-in-Package,” 2019 IEEE Radar Conference (RadarConf), 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/RADAR.2019.8835499. ↩︎
G. Gültepe and G. M. Rebeiz, “A 256-Element Dual-Beam Dual-Polarization Ku-Band Phased-Array with 5 dB/K G/T for Simultaneous Multi-Satellite Reception,” 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2021, pp. 629-631, doi: 10.1109/IMS19712.2021.9574973. ↩︎
K. K. W. Low, G. M. Rebeiz, S. Zihir and T. Kanar, “A Reconfigurable Dual-Polarized 1024-Element Ka-Band SATCOM Transmit Phased-Array with Large Scan Volume and +48 dBW EIRP,” 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2021, pp. 638-640, doi: 10.1109/IMS19712.2021.9574982. ↩︎ ↩︎
Scalable Planar Array (SPAR) Tile Innovations for AESA Radar ↩︎ ↩︎ ↩︎
J. Navarro, “Affordable, Multi-Function Flight-Worthy Airborne Phased-Array Sensor,” 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2020, pp. 829-832, doi:10.1109/IMS30576.2020.9224040. ↩︎ ↩︎ ↩︎
J. Navarro, “Heterogeneously-Integrated Phased-Array Antennas for Line-of-Sight (LOS) Communications and Sensor Applications,” 2018 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS, 2018, pp. 776-778, doi: 10.1109/MWSYM.2018.8439620. ↩︎ ↩︎ ↩︎
本文来自互联网用户投稿，文章观点仅代表作者本人，不代表本站立场，不承担相关法律责任。如若转载，请注明出处。 如若内容造成侵权/违法违规/事实不符，请点击【内容举报】进行投诉反馈！