2019天線年會交流-毫米波有源相控陣現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

2019年全國天線年會分組特邀報告何慶強2019.0701內容提要一 毫米波相控陣天線現(xiàn)狀二 毫米波相控陣的技術趨勢三 毫米波相控陣的設計技術四 結論與展望02一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀1近十幾年毫米波相控陣現(xiàn)狀一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀1近十幾年毫米波相控陣現(xiàn)狀03031）典型的通信體制二維有源相控陣天線是哈里斯公司研發(fā)的Ka頻段通信相控陣天線。收發(fā)口徑1）典型的通信體制二維有源相控陣天線是哈里斯公司研發(fā)的Ka頻段通信相控陣天線。收發(fā)口徑分開、±60度掃描、同時形成10個點波束。2）哈里斯公司為F-35開發(fā)的數(shù)據(jù)鏈有源相控陣天線，該合同將于2009年完成，2007年前完成初始交付。陣列規(guī)模48元、半雙工、圓極化、液冷。一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀1近十幾年毫米波相控陣現(xiàn)狀一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀1近十幾年毫米波相控陣現(xiàn)狀04044）雷聲公司研制的Ka頻段導引頭精確制導4）雷聲公司研制的Ka頻段導引頭精確制導相控陣天線①頻段：35GHz②陣元個數(shù)：二維，共600多個③每個陣元發(fā)射40mW④19000美元（低成本相控陣，每個通道30美元）3）諾.格公司報道的Ka頻段多功能雷達，性能主要包括：3）諾.格公司報道的Ka頻段多功能雷達，性能主要包括：①主動防御，反威脅目標②監(jiān)視空中和地面目標③高速數(shù)傳及組網(wǎng)④戰(zhàn)斗敵我識別相控陣典型指標：①Ka波段②收發(fā)共口徑③半雙工④單通道脈沖功率大于1W一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀1近十幾年毫米波相控陣現(xiàn)狀一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀1近十幾年毫米波相控陣現(xiàn)狀05055）德國IMST公司研發(fā)的5）德國IMST公司研發(fā)的更高密度集成的SNTANA衛(wèi)星通信毫米波二維有源相控陣天線。①采用LTCC技術；②天線單元、TR、饋電、校準、熱控一體化高密度集成；③LTCC層板上微通道散熱?；贚TCC的微通道散熱相控陣天線 集成了數(shù)字基帶的整個相控陣系統(tǒng)一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀22018年-2019年毫米波相控陣現(xiàn)狀一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀22018年-2019年毫米波相控陣現(xiàn)狀06062018年1月，DARPA組織設立“毫米波數(shù)字陣列”(MIDAS)項目，旨在發(fā)展18GHz～50GHz頻段的多波束數(shù)字相控陣技術，以加強軍事系統(tǒng)之間的安全通信能力。研究的重點在于降低數(shù)字化毫米波收發(fā)器的尺寸并增強其性能，將相控陣技術應用于移動系統(tǒng)，并將移動研究的重點在于降低數(shù)字化毫米波收發(fā)器的尺寸并增強其性能，將相控陣技術應用于移動系統(tǒng)，并將移動通信的頻段范圍提高到不那么擁擠的毫米波頻段。毫米波技術和數(shù)字波束形成技術相結合，為美國軍隊提供具備安全通信能力的無線電技術。 0707一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀22018年-2019年毫米波相控陣現(xiàn)狀2018年2月ISSCC會議報道的博通公司60GHz系統(tǒng)，由主從60GHz芯片組成，便于系統(tǒng)重構，主從芯片通過系統(tǒng)板上布線互連，從芯片的封裝上集成了天線?；贑MOS工藝，從芯片的封裝與天線采用LTCC基板的AIP技術。每個AIP集成了48個天線和2個芯片形成一個相控陣天線。下圖示為1主6從芯片，288陣元，±60?掃描，EIRP=51dBm。

2018年2月ISSCC會議報道的諾基亞與LG公司90GHz的AIP（25168元）。16個AIP形成256個單元發(fā)射陣和128個單元接收陣的系統(tǒng)板，±45?掃描，EIRP=59.5dBm。 0808一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀22018年-201920183月，美國衛(wèi)星大會上IsotropicSystems公司宣布將為OneWeb開發(fā)兼容的超低成本用戶寬帶終端，并展出了采用轉換光學技術生產出的首個低成本、全電掃終端。采用蜂窩結構，可進行不同規(guī)模擴展。

2018年3月美國衛(wèi)星大會上Phasor公司展示了Ka頻段非同步軌道（NGSO）中繼型低剖面電控天線，可滿足任何使用情況下的需求。天線可以是平板天線，也可是共形天線，可無縫嵌入移動平臺。相同技術也非常適合支持傳統(tǒng)的固定衛(wèi)星網(wǎng)絡、高通量衛(wèi)星和非同步衛(wèi)星網(wǎng)絡。

2018年3月，美國衛(wèi)星大會上公司展示了一種創(chuàng)新的輕型衛(wèi)通終端，可用于地面、機載和海上通信。采用簡潔超輕的安裝裝置，IntelFLAT平板技術，易于部署和集成。平臺的功耗極低，可與Ka和Ku頻段應用兼容。0909一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀22018年-2019年毫米波相控陣現(xiàn)狀天線系統(tǒng)自適應控制天線極化可同時生成多個輻射波束計劃2018年出售此相控陣天線最終目標是提供消費級天線，價格需遠低于10000美元（39美元/通道）C-Com公司希望隨著時間的推移能夠實現(xiàn)可能低于1000美元的合理消費價格（3.9美元/通道）。2018年6月，C-COM衛(wèi)星系統(tǒng)公司使用4×4天線系統(tǒng)自適應控制天線極化可同時生成多個輻射波束計劃2018年出售此相控陣天線最終目標是提供消費級天線，價格需遠低于10000美元（39美元/通道）C-Com公司希望隨著時間的推移能夠實現(xiàn)可能低于1000美元的合理消費價格（3.9美元/通道）。PAGE10PAGE10一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀22018年-2019年毫米波相控陣現(xiàn)狀2018年8月，ThinKom公司聯(lián)合SES公司在位于美國加州霍桑的測試場內進行了對星試驗。在此次地面測試中，ThinKom公司的車載Ka2517航空天線以13°的仰角連續(xù)首次捕獲到O3bMEO衛(wèi)星，并成功進行了30分鐘的衛(wèi)星跟蹤，衛(wèi)星的運行方向是從西向東。

2018年9月10日，Spacenews網(wǎng)站報道，Kepler通信公司和Phasor公司成功演示了Kepler公司的立方星和Phasor公司平板天線Ka頻段非同步軌道（NGSO）中繼型低剖面電控天線之間的鏈路。這次成功的演示是寬帶（低軌）衛(wèi)星首次通過商業(yè)電調平板天線實現(xiàn)自動捕獲、自動跟蹤、并與平板天線進行通信。一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀22018年-2019年毫米波相控陣現(xiàn)狀一、毫米波有源相控陣現(xiàn)狀22018年-2019年毫米波相控陣現(xiàn)狀PAGE11PAGE11根據(jù)歐洲航天局（ESA）官網(wǎng)根據(jù)歐洲航天局（ESA）官網(wǎng)2018年11月21日報道，ESA通過衛(wèi)星進行了首次5G現(xiàn)場演示驗證，向人們展示了如何通過歐洲空間和地面節(jié)點的巧妙設置，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備連接。本次試驗旨在證明，通過太空衛(wèi)星運作可在全球任何地方部署5G服務。據(jù)《防務和航空航天》網(wǎng)站2018年12月17日報道：為了開發(fā)滿足作戰(zhàn)部隊不斷變化需求的衛(wèi)星通信解決方案，法國國防采購部（DGA）已采購泰雷茲公司ANTARES-LP型低剖面機載有源陣列衛(wèi)星通信原型機。ANTARES-LP天線用于獨立或及商業(yè)衛(wèi)星的Ka頻段。作戰(zhàn)部隊需要整套寬帶衛(wèi)星通信解決方案，以滿足飛機通信要求，并在世界上一些最偏僻的戰(zhàn)區(qū)保持通信。據(jù)美國防部網(wǎng)站2019據(jù)美國防部網(wǎng)站2019年3月4日公告，位于美國俄亥俄州萊特-帕特森空軍基地的美空軍研究實驗室授予位于加利福尼亞州拉霍亞的JASR系統(tǒng)公司一份總金額810.7308萬美元的固定價格研發(fā)合同，發(fā)展芯片尺寸的“光學相控陣與激光雷達”系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用美國防部國防高級研究計劃局“模塊化光學孔徑構建模塊”(MOABB)計劃第1階段的成果，并分別定位于MOABB計劃的的第2階段和第3階段。乙方將在加州拉霍亞履行合同規(guī)定的工作，預計在2020年11月1日之前完成。新一代的5G通信預計2020年將全面商用。國際電信聯(lián)盟（ITU）提出了5G系統(tǒng)的三大主要應用場景：支持增強的移動寬帶（eMBB）、具有高可靠性和超低延遲的通信（uRLLC），以及大規(guī)模機器間通信（mMTC）。在系統(tǒng)性能方面，5G系統(tǒng)將具備10Gbps～20Gbps的峰值速率、100Mbps～1Gbps的用戶體驗速率，相對4G提升3～5倍的頻譜效率以及百倍的能效。過去幾代移動通信主要實現(xiàn)的是“人與人”之間的通信；而到了5G通信，不僅要實現(xiàn)“人與人”之間的高效通信，還要實現(xiàn)“人與物”、“物與物”之間的高效通信。5G時代可謂是“萬物互聯(lián)”的信息社會。在前幾代移動通信（2G、3G、4G）系統(tǒng)中，主要是以地面骨干網(wǎng)為主的地基網(wǎng)；而5G通信將會利用低空（無人機）、高空（浮空平臺）、臨近空間（臨近空間飛行器）及空間層（衛(wèi)星等航天器）與地面層（含海、陸）構成一種立體多維的信息網(wǎng)絡空間，實現(xiàn)服務區(qū)的全球全時全氣候覆蓋。毫米波5G天線的一個顯著特點：將使用系統(tǒng)級封裝技術（AIP），以降低成本、提高集成度，通道輸出的功率在mw量級。 UCSD Anokiwave Mitsubishi BellLabs Lattice

IBM二、毫米波有源相控陣技術趨勢二、毫米波有源相控陣技術趨勢PAGE13PAGE131、向新型武器平臺擴展和5G領域延伸1、向新型武器平臺擴展和5G領域延伸隨著美國軍事再平衡、空海一體戰(zhàn)、第三次抵消戰(zhàn)略的不斷提出，下一代傳感器飛機、自主無人機、高超聲速飛行器等新型作戰(zhàn)平臺不斷出現(xiàn)。相控陣天線的寬帶、共形一體化、輕薄化、低功耗技術的發(fā)展，作為為武器系統(tǒng)提供態(tài)勢感知和打擊瞄準等情報保障的重要手段，相控陣天線將會越來越普遍地得到應用。 2017世界移動大會在巴塞羅那召開，這是全球最具影響力的移動通信領域的展覽會。今年展會的一個重點便是5G技術的落地與商用，許多參展商都展示了5G移動技術通信設備。5G移動通信技術受到世界各界的廣泛關注，該技術可在28GHz超高頻段以大于每秒1Gbp的速度傳送數(shù)據(jù)，應用該技術，下載一部高畫質電影只要一秒鐘。洛?馬公司的“六代機” 美國滑翔式高超聲速戰(zhàn)略導彈2017世界移動大會在巴塞羅那召開，這是全球最具影響力的移動通信領域的展覽會。今年展會的一個重點便是5G技術的落地與商用，許多參展商都展示了5G移動技術通信設備。5G移動通信技術受到世界各界的廣泛關注，該技術可在28GHz超高頻段以大于每秒1Gbp的速度傳送數(shù)據(jù)，應用該技術，下載一部高畫質電影只要一秒鐘。5G移動通信下的物聯(lián)網(wǎng)時代1A高超聲速巡航彈高超聲速彈2、新的軍事需求衍生新的技術體制2、新的軍事需求衍生新的技術體制①2015年，①2015年，DARPA向諾·格公司、HRL實驗室等機構授出1130萬美元合同，用以開發(fā)一種采用電子掃描副反射器、視頻級三維成像幀速(10Hz～100Hz)、且不依賴平臺運動或目標運動便可實現(xiàn)目標成像的全新雷達成像架構技術。②ASTIR雷達將包含由一部主反射面與一部電子副反射面組成的復合天線，以及單個發(fā)射/接收鏈路。③ASTIR項目計劃分為2個技術領域、分別開展研究。主要開發(fā)并評估可控制波束或圖像的電子副反射面，降低系統(tǒng)復雜度與成本，共6個月。根據(jù)要求，電子副反射面的工作頻率為70～700GHz，孔徑大于0.04平方米，瞬時帶寬為5%，掃描范圍為±45°，轉換速度應小于1μs，功耗100mW/cm2。*DARPA.Advancedscanningtechnologyforimagingradars(ASTIR).[R].DARPA-BAA-14-53,R,2014．3、向更高頻段拓展3、向更高頻段拓展傳統(tǒng)相控陣天線的研究主要集中于L、S、C、X波段以下。通信領域已逐步開放Ka（20-40GHz）波段、Q（30-50GHz）波段，同時也在論證V（50-75GHz）波段，雷達領域也從X逐步發(fā)展到Ka、W乃至100GHz以上頻段，特別在民用汽車自動駕駛、智能探測感知等領域對77GHz頻段電子設備需求很大，廣闊的應用市場推動技術的研究必然隨之覆蓋更高頻段，預計在未來3年內，E（60-90GHz）～W（75-110GHz）波段的毫米波射頻前端將實現(xiàn)商業(yè)化;軍用領域內導引頭、智能炸彈、無人機片上系統(tǒng)等應用也將大面積使用W（75-110GHz）波段。視頻合成孔徑雷達視頻合成孔徑雷達是在2015年完成的原型樣機。工作頻段：231.5GHz-235GHz頻段。4項關鍵技術：機載EHF仿真工具、新型EHF雷達處理算法。2017年9月28搭載DC-3運輸機進行飛行測試，成功獲取了被云層遮蔽的地面目標的實時、全運動視頻圖像，標志項目由研制階段進入試飛驗證階段。4、集成化程度不斷提高4、集成化程度不斷提高Ku波段及其以下由于其工作波長較大，同時通道功率高，其集成化主要集中于芯片（多功能綜合）和模塊化系統(tǒng)（磚式/瓦式）集成。而隨著工藝水平的不斷提升，30GHz以上的毫米波相控陣天線的形態(tài)將發(fā)生很大變化，即通過大量使用先進的異質異構封裝技術和微系統(tǒng)集成工藝，相控陣天線乃至后端射頻、數(shù)字處理部分將以一個完整的系統(tǒng)級封裝（SiP）和系統(tǒng)級芯片(SoC)出現(xiàn)，并可能與聲、光、磁等其他類型傳感器進行再次集成。通常稱為封裝天線（AiP）和片上天線（AoC）。 摻鍺硅工藝7nm芯片晶片陶瓷封裝集成天線摻鍺硅工藝7nm芯片晶片

IBM公司60GHzLTCC封裝SiGe芯片天線 Sibeam公司60GHzCMOS天線 122GHz及145GHz封裝天線的SiGe芯片 NET公司300GHzLTCC封裝天線照片5、多學科技術融合度越來越高5、多學科技術融合度越來越高2014年，美國特拉華州大學電氣與計算機工程學院公布了航空平臺毫米波光子器件和集成項目，將工作于直流到毫米波波段的共形天線覆蓋到飛機表面，實現(xiàn)感知、通信、雷達、成像等功能，主導電磁頻譜優(yōu)勢。該項目將重點關注毫米波光子器件和系統(tǒng)，以及毫米波光電集成。前者包括毫米波高性能光電調制器、硅雙槽波導、光電二極管等。后者包括將天線、高速光電二極管、光纖與液晶聚合物集成的工藝。智能蒙皮是指在航天器、軍艦或者潛艇的外殼中嵌入智能結構，其中包含天線、微處理控制系統(tǒng)和驅動元件，可用于監(jiān)視、預警、隱身、通信、火控等。智能蒙皮天線是一項新興天線技術，它打破了傳統(tǒng)天饋系統(tǒng)設備機械與電氣相對獨立的設計模式，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，融合電磁學、機械學、熱力學、陣列信號處理、光電子技術、自動控制、計算機工程等多學科知識，對天饋系統(tǒng)進行多物理場聯(lián)合設計，實現(xiàn)結構與功能的高度一體化、智能化。2014年，美國特拉華州大學電氣與計算機工程學院公布了航空平臺毫米波光子器件和集成項目，將工作于直流到毫米波波段的共形天線覆蓋到飛機表面，實現(xiàn)感知、通信、雷達、成像等功能，主導電磁頻譜優(yōu)勢。該項目將重點關注毫米波光子器件和系統(tǒng)，以及毫米波光電集成。前者包括毫米波高性能光電調制器、硅雙槽波導、光電二極管等。后者包括將天線、高速光電二極管、光纖與液晶聚合物集成的工藝。何慶強,王秉中,何海丹,新興智能蒙皮天線技術,2014年全國軍事微波會議/微波學報,vol.30,2014年,pp.287-290.6、產品成本不斷下降6、產品成本不斷下降利用規(guī)?；a商用器件、大規(guī)模集成可顯著降低產品開發(fā)周期，滿足技術更新和成本要求。林肯實驗室2010年公布了一種S波段低成本陣列，該陣列在5層印制電路板上集成了5個TＲ組件，雙極化設計，峰值功率8W，能夠同時產生24個波束，每平方米面積上集成400個單元，每平方米價格5萬美元。柯林斯公司2015年公布的X波段機載陣列包含512個單元，每單元功率2W，能夠將成本降低至原來的1/50。喬治亞技術研究所(GTRI)喬治亞技術研究所(GTRI)于2006年推出33∶1倍頻程的天線，該天線倍頻程具有擴充到100∶1的潛力。Ｒaytheon公司雙極化開口陣元陣列可工作于10個倍頻程(18GHz～118GHz)，單元間隔為最低波長的一半，波束掃描為真時延，陣列在整個頻帶內均能實現(xiàn)60°寬角掃描。綜合射頻使用幾個分布式寬帶多功能孔徑取代目前平臺上為數(shù)眾多的天線孔徑，同時實現(xiàn)雷達、電子戰(zhàn)與通信、導航、識別等多種射頻功能，使電子系統(tǒng)的成本、重量、功耗、失效率顯著下降，解決了艦載、機載平臺上天線林立、遮擋、電磁干擾、雷達散射截面過大、維修困難、成本過高等問題。三、毫米波有源相控陣天線技術1、毫米波相控陣技術特點三、毫米波有源相控陣天線技術1、毫米波相控陣技術特點PAGE19PAGE19頻率高，波長短陣元間距小，組件排布和電氣互聯(lián)密集度高；在狹小空間內放置功放、低噪放、開關、移相器、串口、濾波等難度極大，集成度很高。隨著頻段的提高，相控陣天線的集成設計和工藝技術要求就會越高。毫米波/甚至更高頻段相控陣天線代表著一個國家先進相控陣天線的技術水平。高頻段的設計和集成技術通?？梢栽诘皖l段適用，反之則不行。高低頻互聯(lián)關系復雜天線陣面、TR組件、功分網(wǎng)絡及控制電路，需在很小的空間內實現(xiàn)高低頻的多路互連。以35GHz的256元陣為例，在64mm×64mm×42mm的空間內：①陣面與TR的256路射頻互連；TR與饋電網(wǎng)絡的32路射頻TR與波控的上千路的低頻

雙極化互連則更復雜！熱密度高，散熱困難每個芯片功耗達1W以上，芯片密集度高，相應的熱密度非常大；芯片效率不高，導致大量的熱耗聚集在天線內部；在毫米級的小空間內TR組件熱沉較薄甚至很難設計熱沉；高效的熱控系統(tǒng)是解決天線長時、可靠工作的關鍵。工藝實現(xiàn)難度大，可調試性較差波長短、體積小，結構工藝復雜，要求加工精度高，造價較高；元器件寄生參數(shù)影響較大，工藝實現(xiàn)難度大；高密度集成設計和一體化加工制造，產品調試冗余度小，需在設計階段，確保性能良好、狀態(tài)穩(wěn)定；工藝缺陷（變形、異位、焊接空洞率）導致產品成品率低。三、毫米波有源相控陣天線技術2、體系架構設計三、毫米波有源相控陣天線技術2、體系架構設計PAGE23PAGE23① 瓦式子陣將元器件放置方向平行于陣天線陣面孔徑；② 面子陣電路采用橫向集成縱向組裝（TILA）；③ 瓦式子陣采用分層結構集成在數(shù)個平行放置的瓦片上；④ 現(xiàn)① 瓦式子陣將元器件放置方向平行于陣天線陣面孔徑；② 面子陣電路采用橫向集成縱向組裝（TILA）；③ 瓦式子陣采用分層結構集成在數(shù)個平行放置的瓦片上；④ 現(xiàn)線極化和圓極化；⑤ 集成度比磚式高，20%~80%；⑥ 熱路徑縮短有更高可靠性；⑦ 成本在高密度封裝方面比磚式降低左右。①磚式子陣采用元器件放置方向垂直于相控陣天線陣面孔徑；天線②線子陣電路采用縱向集成橫向組裝陣（LITA）；面③磚式包含一行或一列多功能芯片、移相器、功分器以及其它一些器件；TR④輻射陣元可采用振子單元、波導、喇叭、組介質諧振天線；件⑤ 產品實現(xiàn)相對簡單；⑥ 缺點是縱向尺寸比瓦式子陣大；⑦ 散熱路徑較長，散熱效果不及瓦式；⑧ 成本比瓦式相控陣高饋電網(wǎng)絡磚式天線陣面TR組件饋電網(wǎng)絡V.S 瓦式天線陣面TR組件饋電網(wǎng)絡變頻信道波束控制器供電單元環(huán)控/散熱結構框架

磚式 瓦

對于毫米波頻段，天線集成度越來越高，系統(tǒng)構架與新材料和新工藝習習相關。“瓦式”技術分離組件

結構功能一體化AIP

一片式天線（蒙皮）AIP/AOC“磚式”技術30GHz-60GHz

60GHz以上根據(jù)不同體制的應用需求，體系架構設計可以從以下四條路徑進行思考：大功率設計路線：早期相控陣天線設計路線，工藝成熟，易于實現(xiàn)，主要采用磚式結構集成，通道輸出功率為幾瓦~甚至幾十瓦，單通道體積較大，用于遠程目標探測、電子對抗、防撞與著陸、SAR成像等。中功率設計路線：基于高集成多功能芯片技術，采用磚式架構或瓦式架構集成，結合先進工藝集成能力，由Ku、Ka波段逐步提升至W波段，滿足中功率密度（幾百毫瓦~幾瓦）遠程目標探測、安檢成像、高速通信骨干網(wǎng)、戰(zhàn)術移動熱點等。低功率設計路線：在SOP路線基礎上，進一步提升到晶圓級進行集成，構建晶圓陣列，特點是單通道輸出功率低（毫瓦級）集成度高，滿足未來片上通信、雷達、智能炮彈、無人駕駛、無線短距通信、中短距離應用以及更低成本的應用需求。商業(yè)器件應用路線：以商用毫米波傳感器芯片為中心，有針對性地開發(fā)應用系統(tǒng)，滿足商業(yè)衛(wèi)星通信、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、FOD檢測、安檢成像等超低成本的應用需求。Anokiwave四通道集成硅TR組件

TowerJazz公司的5G通信MIMO相控陣天線三、毫米波有源相控陣天線技術3、天線單元與布陣技術三、毫米波有源相控陣天線技術3、天線單元與布陣技術PAGE27PAGE27天線單元的設計需要結合系統(tǒng)需求，解決寬帶、波束寬度、高增益、低成本、易與器件集成等問題。采用單元形式：偶極子、微帶天線、耦合疊層微帶、Vivaldi天線、波導裂縫天線等。在天線與系統(tǒng)集成方面，當天線尺寸與芯片可比時（20GHz~100GHz），直接將天線單元封裝于芯片之上（AiP）。在更高頻段（≥100GHz），可進一步在石英基片上蝕刻天線單元，并與有源部件在晶圓層面進行互聯(lián)集成（AoC）。微帶天線偶極子 耦合疊層微帶Vivaldi天線 波導裂縫天線石英基底W波段一片式集成天線陣列布陣形式和規(guī)模的取舍需要結合相控陣天線的EIRP值、G/T值、波束寬度、掃描范圍、副瓣電平，與平臺的安裝要素等。通常形式：矩形柵格陣、三角形三格陣。不同的陣列形式和單元間距都會對波束寬度、掃描范圍、副瓣電平、陣列增益產生影響。ddxdddx1sin() 1

13(1sin13(1sinmx)dx

當兩種陣列的總面積相等時，此時所用單元數(shù)與平均每個單元所占面積成dy 1y 1siny) d1sin)y

反比，且三角形排列的陣列中所用單元將比矩形排列的陣列中少13.4%。這種三角形排列是正三角形排列。 矩形陣（正方形/長方形） 十字形陣/切角陣 圓形/橢圓陣 稀疏陣 共形陣三、毫米波有源相控陣天線技術4、射頻收發(fā)電路設計三、毫米波有源相控陣天線技術4、射頻收發(fā)電路設計PAGE29PAGE29射頻收發(fā)電路的核心是TR組件，其結構形式分為“磚式”結構和“瓦式”結構。毫米波及其以上頻段，TR組件單元間距小，在狹小空間內放置功放、低噪放、開關、移相器等難度極大，集成度很高。毫米波及其以上頻段，熱密度高，散熱困難高效的熱控設計是解決TR組件長時、可靠工作的關鍵。毫米波及其以上頻段，高低頻互聯(lián)關系復雜，以35GHz的256元陣為例，在64mm×64mm×25mm的TR組件空間內：陣面與TR的路射頻互聯(lián)、TR與饋電網(wǎng)絡的32路射頻互聯(lián)、TR與波控有1024路的低頻互聯(lián)。毫米波及其以上頻段，工藝實現(xiàn)難度大，可調試性較差。波長短、體積小，TR影響較大，工藝實現(xiàn)難度大，產品調試冗余度小，需在設計階段，確保性能良好、狀態(tài)穩(wěn)定。磚式TR組件 瓦式TR組件TR常用設計方法-多功能集成思路天線1 天線2 天線天線NGaN

開關功放 低噪放 功

開關開關低噪放

功放TR組件

開關開關低噪放

開關TR多功能芯片耗不會大幅影響系統(tǒng)噪聲。功放 TR多功能芯片耗不會大幅影響系統(tǒng)噪聲。TR多功能芯片

TR多功能芯片

TR多功能芯片

TR多功能芯片GaAs

CoreChip

CoreChipCorechip：集成了6位數(shù)字移相器和6位數(shù)字衰減器；為簡化芯片以及組件對外接口，還集成了12位串幵轉換器和寄存器，可實現(xiàn)收發(fā)分時波束串碼加載。Corechip：集成了6位數(shù)字移相器和6位數(shù)字衰減器；為簡化芯片以及組件對外接口，還集成了12位串幵轉換器和寄存器，可實現(xiàn)收發(fā)分時波束串碼加載。波束控制

DC電源至終端上/下變頻信道CMOS集成芯片集成了本振、混頻器、濾波器、發(fā)射中頻放大器、接收自動增益控制放大器、數(shù)字控制、溫度監(jiān)測等功能單元。T/R組件CMOS上/下變頻信道CMOS集成芯片集成了本振、混頻器、濾波器、發(fā)射中頻放大器、接收自動增益控制放大器、數(shù)字控制、溫度監(jiān)測等功能單元。T/R組件CMOS驅動放大器、功率放大器/低噪聲放大器、數(shù)字移相器、功率分配網(wǎng)絡、數(shù)字控制、高速串行接口、溫度監(jiān)測、以及功率分配網(wǎng)絡均采用CMOS工藝實現(xiàn)。

T組件芯片 R組件芯片 上變頻芯片 下變頻芯片CMOS工藝可以實現(xiàn)射頻電路和數(shù)字電路的高密度集成，尺寸小，輸出功率通常十幾毫瓦，噪聲系數(shù)大（4dB左右）。CMOS工藝可以實現(xiàn)射頻電路和數(shù)字電路的高密度集成，尺寸小，輸出功率通常十幾毫瓦，噪聲系數(shù)大（4dB左右）?？紤]到毫米波硅工藝和設計技術正在不斷取得更大進步，預計未來的硅工藝會有更好的能效和更高的輸出功率能力，將能實現(xiàn)更小的尺寸幵進一步優(yōu)化天線尺寸。功率分配合成網(wǎng)絡包括收發(fā)共用饋線、發(fā)射功率分配網(wǎng)絡、以及接收信號合成網(wǎng)絡。射支路中增加驅動級功率放大器。對于有單脈沖測角要求的，饋電網(wǎng)絡還需設計成和波束、方位差和俯仰差波束接收通道。在饋電網(wǎng)絡方面，基片集成波導（SIW）是一類融合了傳統(tǒng)平面電路和立體電路優(yōu)點的平面?zhèn)鬏斁€，可解決毫米波饋線的高效寬帶問題。 常用垂直互連技術。射頻互聯(lián)：天線陣面與TR互聯(lián)、TR與功分網(wǎng)絡互聯(lián)。SMP或SSMP、各向異性導電膠、類同軸、介質波導等決定射頻互連設計的因素：可靠性工藝的可實現(xiàn)性幅相一致性插損小隔離度密度高、小型化

介質波導/毛紐扣方案 微帶/共面波導/帶狀線/懸置微帶方案 類同軸方案 SMP/SSMP方案常用垂直互連技術。低頻互聯(lián)：TR與波控控制器。低頻互聯(lián)采用：BGA球、PGA插針、毛紐扣、觸碰式連接器，等。決定低頻互連設計的因素：可靠性工藝的可實現(xiàn)性便于射頻電路集成設計密度高、小型化 BGA球方案毛紐扣方案

PGA插針方案觸碰式連接器方案D.G.Kam,D.Liu,A.Natarajan,etal.LTCCPackagesWithEmbeddedPhased-ArrayAntennasfor60GHzCommunications,IEEEMicrowaveandWirelessComponetsLetters,2011,21(3):142-144.三、毫米波有源相控陣天線技術5、波束控制器設計三、毫米波有源相控陣天線技術5、波束控制器設計PAGE35PAGE35波控器依據(jù)送入的頻率、俯仰/方位信息和已存儲的校準補償，解算出波控碼并完成射頻通道幅相控制，實現(xiàn)預定波束指向，其常用功能：將主控單元控制命令轉換生成控制TR組件內移相器衰減的LVTTL/CMOS電平，并生成移相碼；能控制衰減器進行相控陣接收狀態(tài)下的幅度加權；常用功能：將主控單元控制命令轉換生成控制TR組件內移相器衰減的LVTTL/CMOS電平，并生成移相碼；能控制衰減器進行相控陣接收狀態(tài)下的幅度加權；具備T、R、TR脈沖信號控制輸出功能。能執(zhí)行相控陣的工作狀態(tài)與校準狀態(tài)的轉換；波控器具備子陣通斷控制功能；具備健康管理和在線監(jiān)測功能；失；碼；波控板開機具有自檢功能；波控板具有程序更新，復位功能。三、毫米波有源相控陣天線技術6、系統(tǒng)封裝與集成技術三、毫米波有源相控陣天線技術6、系統(tǒng)封裝與集成技術PAGE36PAGE36微波器件的封裝形式較多，陶瓷封裝、塑封、金屬殼封裝、系統(tǒng)級封裝(SOP)、晶圓級封裝(WLP)等。目的在于一方面實現(xiàn)射頻信號、控制信號、電源的輸入/出，另一方面也為有源電路及無源電路提供電屏蔽及物理環(huán)境的保護，同時完成散熱及結構支撐的作用。60GHz以上），由于單元間距很小，傳統(tǒng)的2D封裝已無法滿足集成要求，封裝方式不僅要求提高芯片自身集成度，如縮小光刻尺寸來實現(xiàn)微型化，同時還需要在第三維方向進行芯片的堆疊，這稱為60GHz以上），由于單元間距很小，傳統(tǒng)的2D封裝已無法滿足集成要求，封裝方式不僅要求提高芯片自身集成度，如縮小光刻尺寸來實現(xiàn)微型化，同時還需要在第三維方向進行芯片的堆疊，這稱為System-In-Package(SIP)。近年來硅通孔(TSV)技術的迅猛發(fā)展，使得SIP能進一步小型化，研究集中于：硅通孔堆疊式IC(含倒裝焊或銅-銅鍵合)、硅晶圓板上硅IC、晶圓-晶圓堆疊。2015年6月IBM2015年6月IBM宣布通過選擇性外延的方式，將化合物半導體嫁接到硅基片上，實現(xiàn)納米級異質集成，利用該技術，可以根據(jù)需要將砷化鎵、氮化鎵、碳化硅、磷化銦、銦鎵砷等第二代、第三代化合物半導體材料高精度的嫁接到硅片的不同位置，充分利用各種材料的優(yōu)勢，形成在微波、電力、高速運算等領域中具有極強性能的單片系統(tǒng)。結合系統(tǒng)封裝(SiP)技術等高級封裝工藝，可進重量和成本大幅減小、性能大幅提升。模板輔助選擇性外延生長的單晶結構掃描電子顯微鏡照片AIP技術是微系統(tǒng)技術的一個分支，它基于封裝材料與工藝，將天線與芯片集成在封裝內實現(xiàn)系統(tǒng)級無線功能的一門技術。AiP的介質材料主要有陶瓷、有機、模塑化合物；導體材料有金、銀、銅。陶瓷主要是低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝。有機材料在高密度互連（HDI）工藝中得到應用，如FR4、LCP、Arlon、Rogers、Taconic等等板材。模塑化合物是晶圓級扇出式封裝（FOWLP）工藝中再造晶圓的必用材料。三星公司設計

谷歌采用嵌入式晶圓級封裝（eWLB)工藝實現(xiàn)的芯片天線W.Hong,K.Baek,andA.Goudelev.GridAssembly-Free60-GHzAntennaModuleEmbeddedinFR-4TransceiverCarrierBoard.IEEE_AP,2013,61(4):1573-1580.三、毫米波有源相控陣天線技術7、監(jiān)測與校準技術三、毫米波有源相控陣天線技術7、監(jiān)測與校準技術PAGE39PAGE39目的：對有源相控陣天線進行故障判斷、定位、性能評估等保障和維護，保證其在整個生命周期內的性能特性、可靠性和可維修性。內監(jiān)測主要通過內嵌傳輸線網(wǎng)絡（輻射單元和TR之間進行耦合，從而實現(xiàn)信號注入。外監(jiān)測主要通過外置輔助天線單元來實現(xiàn)信號的注入。低于外監(jiān)測系統(tǒng)。小，通常在20~30dB之間；外監(jiān)測的輔助天線與每個陣起伏較大，一般都大于40dB。性能監(jiān)測和故障隔離系統(tǒng)(PM/FIC)-內監(jiān)測法（BIT）PM/FIC系統(tǒng)的工作原理：在傳輸中，發(fā)射機輸出一系列有選擇性的重復脈沖頻率（PRF）的脈沖通過橫向傳輸饋道、一個TR轉換開關和一個縱向饋道到TR模塊。TR模塊的輸出通過則與輻射模塊耦合到傳輸線，并按照路徑通過一個TR轉換開關和接收耦合器到達接收器。為了將測試部位與其它部位隔離，用測試模塊的移相器將連續(xù)相鄰脈沖的相位均轉換180度（相位切換技術），用中心頻率為PRF/2的濾波器即可篩選出相位切換部位的輸出結果，同時也可精確計算出測試部位的RF幅度和相位。若輸出結果與預期結果匹配，則天線各部位工作狀態(tài)良好。如果輸出結果與預先存儲的正常工作數(shù)據(jù)失配，則可則判定該部位出現(xiàn)故障，并標記出故障單元。通過標記所有被測故障單元可以構造出一張故障監(jiān)測圖，進而執(zhí)行故障隔離。K.M.Lee,R.S.Chu,andS.C.Liu,“Abuilt-inperformancemonitoring/faultisolationandcorrection(PM/FIC)systemforactivephasedarrayantennas,”IEEETransactionsonAntennasandPropagation,Vol.41,No.11,pp.1530-1540,1993.天線陣面天線陣面NTR電源分發(fā)N1子陣低頻接插件熱容校接收校發(fā)射/N2路接收1路（）低頻信號線N3 天線+饋線+內校準 第一層：天線第二層：饋線+內校準 第三層：二級內校準某些項目中，為了提高系統(tǒng)可靠性和簡化設計，通常只對輸入的電壓/電流進行監(jiān)測，來判斷相控陣是否正常工作，缺點是不能定位具體是哪個模塊或具體通道出了故障。三、毫米波有源相控陣天線技術2、結構功能一體化技術三、毫米波有源相控陣天線技術2、結構功能一體化技術PAGE42PAGE42結構功能一體化天線是電路與結構的融合結構功能一體化天線是電路與結構的融合協(xié)同設計，是多學科、多物理場共同作用的結果。1、瓦式技術與AIP技術的延伸2、分成2級實現(xiàn)，即功能層級和設備級1、瓦式技術與AIP技術的延伸2、分成2級實現(xiàn)，即功能層級和設備級射頻功能層控制與信號處理功能層封裝功能層內涵：將天線陣面、收發(fā)電路、饋電、熱控等獨立組件高度集成并一體化成型的，可與武器平臺結構高度融合，并直接承載環(huán)境載荷的一類新型天線。收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)收發(fā)芯片芯片芯片芯片芯片芯片芯片芯片1分4路移相器1分4路移相器驅動芯片 并/串轉換芯片驅動芯片 串/并轉換芯片功率分配合成網(wǎng)絡DC電源波束控制（并/串轉換芯片）RF輸入/輸出天線陣面承載透波天線罩天線多功能TR組件饋電網(wǎng)絡—體化高低頻互聯(lián)IF信道(ADC/DAC)控制電路(DBF)電源技術優(yōu)勢基本思想 設計方案射頻功能層（天線陣面、TR功分網(wǎng)絡、熱控集成為一體）射頻功能層（天線陣面、TR功分網(wǎng)絡、熱控集成為一體）85％88％1）尺寸:124mm×124mm×23mm2）體積：127.2cm33）重量：0.380kg1）尺寸:120mm×83.8mm×117.3mm2）體積:1176.6cm33）重量：3.2kg結構功能一體化相控陣天線Ka頻段有源相控陣天線頻段范圍：Ka頻段（29.5GHz-31GHz）物理結構：片狀結構組成：隱身天線罩、天線陣面、RF電路、饋電網(wǎng)絡、微流道散熱頻段范圍：Ka頻段（29.5GHz-31GHz）物理結構：片狀結構組成：隱身天線罩、天線陣面、RF電路、饋電網(wǎng)絡、微流道散熱、波束控制、供電電源幾何尺寸：171mm×127mm×26mm重量：425g頻率范圍：29.5GHz-31GHz物理結構：片狀結構組成：天線陣面、校準網(wǎng)絡、RF電路、微流道散熱幾何尺寸：263mm×170mm×21mm重量：863g中國電科十所頻率范圍：29.5GHz-31GHz物理結構：片狀結構組成：天線陣面、校準網(wǎng)絡、RF電路、微流道散熱幾何尺寸：263mm×170mm×21mm重量：863g德國航天研發(fā)中心三、毫米波有源相控陣天線技術3、智能蒙皮天線技術三、毫米波有源相控陣天線技術3、智能蒙皮天線技術PAGE46PAGE461987美空軍提出的體系構架2002蒙皮天線設想美國的骨節(jié)變形飛機諾.1987美空軍提出的體系構架2002蒙皮天線設想美國的骨節(jié)變形飛機諾.格LOBSTARsensorcraft內涵：內涵：所謂“蒙皮”是指將傳統(tǒng)的天饋系統(tǒng)相對分離的結構、電磁獨立組件高度集成融合幵一體化成型的、可與武器平臺共形幵直接承載環(huán)境載荷的一類共形承載天線。所謂“智能”是突出的天線的自適應，能夠根據(jù)外界的電磁環(huán)境感知，產生所需要的輻射/散射特性。特點：特點：實現(xiàn)天饋系統(tǒng)結構與芯片組件、天饋系統(tǒng)與飛行器結構的兩個融合。提出的體系架構：終端設備波控計算單元元單可重構饋電網(wǎng)絡監(jiān)測健康TR電路控制與功能維護單元可重構天線陣列（傳感、驅動