相控阵天线集成技术

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

早期的相控阵雷达用于战略探测、跟踪与预警，工作频率较低，整个系统体积巨大，成本高昂。随着微电子与计算机技术的发展，相控阵系统逐渐应用于战术层面，如战斗机、直升机、无人机、精确制导等领域，工作频段通常是X、Ku与Ka频段。这些武器平台空间狭小，自身价值有限或者雷达实际使用寿命很短，但是相控阵系统的战术、技术指标要求却依然很高：波束扫描范围宽，指向精度高，具备多目标精确跟踪能力；重量轻，尺寸紧凑，功耗少；生产目标成本低。大型天基通信与雷达探测也日益强调采用相控阵技术，成本虽非首要因素，但是体积、重量与功耗要求却非常苛刻。民用智能通信天线尤其关注成本控制。

相控阵天线是相控阵系统的核心部分，特别是二维有源相控阵天线，其集成水平决定了整个系统的性能与成本，工作频率愈高，每个阵元的面积(约λ2/4)愈小，集成度要求愈高。

传统的有源相控阵天线，当应用平台或者功能项目变化，需要扩大或者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，还需要重新设计相控阵其它分系统，以适应射频、中频、数字信号与电源接口数量以及负荷能力的变化。

开放式可扩展阵列天线，以子阵模块为基本单元，不仅封装了多个相控阵天线通道，还集成了相控阵其它分系统(如波束形成与幅相校正网络、电源、波束控制、频率源、波形产生以及冷却系统)的部分功能，大幅度减少接口类型与数量，实现模块化、通用化，提高可扩展性能。这时候，每个子阵都是一个高度集成的小型相控阵天线。

过去10年间，单片微波集成电路迅速发展，在相控阵天线上得到广泛应用，提高了系统可靠性，减小了体积，降低了重量与成本。但是二维有源相控阵仍然是代价不菲的，迄今为止，仅仅美国的战斗机部分换装了有源相控阵雷达。

相控阵天线集成阵列结构有砖块式与瓦片式两种，电路集成技术由多芯片模块(MCM)向多功能集成芯片与晶圆级单片相控阵发展。

2 阵列结构与封装

将多个通道在电路与结构上封装为一个整体，作为阵列装配的基础积木块或在线可更换单元(LRU)，是相控阵天线最基本的集成手段。基础阵列模块通常集成了多个T/R组件、射频馈电网络、控制与直流偏置等电路，如果还集成了天线辐射阵元，可称为子阵。

相控阵天线集成的阵列结构有两种：基于砖块式线子阵的纵向集成横向组装；基于瓦片式面子阵的横向集成纵向组装[1]，如图1所示[2]。

图1 砖块式与瓦片式集成子阵Fig.1 Brick and tile type sub-array

通常，砖块式用于较高频段，瓦片式用于较低频段，但是还要兼顾相控阵天线的用途与技术参数。脉冲工作的雷达系统波束窄，阵元数多且间距小，功耗大，系统散热要求苛刻，砖块式设计相对容易；通信系统的发射功率要求不高，波束比较宽，阵元数少且间距宽，瓦片式集成难度比较小；而共形相控阵天线必须采用瓦片式集成技术。

通过子阵模块集成，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，提高电磁兼容水平；减少机械装配结构件，降低重量；简化封装与装配程序，提高相控阵天线的测试性、维修性与可扩展性。在较高的频段，还有利于降低机械公差要求，实现更小的阵元间距，扩大波束无栅瓣扫描范围。

2.1 砖块式

砖块式子阵是最流行的阵列结构，元器件放置方向垂直于相控阵天线孔径平面，辐射阵元通常采用偶极子或锥形槽天线；其电路与结构设计遵循传统的分系统概念，信号互联、测试与封装技术继承性好，缺点是纵向尺寸大；较高的频段，阵元间距小，有利于晶圆级单片集成。

砖块式子阵集成的典型例子是AN/APG-77有源相控阵机载雷达、雷声公司开发的35 GHz低成本相控阵导引头[3]以及俄罗斯的全球空间监视雷达[4]，如图2所示。

(a)X频段砖块式子阵

(b)X频段瓦片式子阵

(c)诺格公司Ka频段相控阵天线

(d)雷声公司Ka频段相控阵天线

图2 X频段子阵与Ka频段相控阵天线
Fig.2 X-band sub-array and Ka-band phased array

2.2 瓦片式

瓦片式集成的子阵模块采用分层结构，将多个通道相同功能的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。有源相控阵天线的基本瓦片层包括[5]GaAs层、冷却层、DC与控制电路层、RF馈电层和辐射阵元层。在较低的频段，瓦片式也能支持多通道晶圆级芯片集成，如将整个平面子阵的部分微波电路集成在一个GaAs晶圆上。

瓦片式子阵利用高密度组装技术，大幅度减小了纵向高度、重量与成本，但是需要新颖的互联技术，完成各层之间、子阵模块与信号分配背板之间的信号交换。此外，还需要处理好毗邻器件可能发生的耦合效应、中间层热设计、测试性与维修性设计。

瓦片式子阵集成始于军用卫星通信终端设计。20世纪80年代后期开发测试了多个晶圆级集成的20 GHz接收与44 GHz发射有源子阵，并设计了多层集成的机载智能蒙皮有源相控阵天线结构[6]。由于技术不成熟，波音公司开发的91元44 GHz发射阵最终改用多芯片微组装工艺与多通道密布结构，三角形栅格，阵元发射功率0.2 W[7]。

在DARPA与NASA的支持下，美国多家公司先后研究了多个频段的瓦片式集成子阵。西屋公司采用晶圆级集成技术，开发了4×4瓦片式子阵，每个通道5位幅度、6位相位控制，发射带宽6～12 GHz，发射功率0.5 W；接收带宽4～12 GHz，噪声系数小于7 dB，增益大于20 dB[5]。德州仪器开发的Ka频段4×4发射子阵，阵元间距0.8 λ，4位PIN二极管移相器插损4.5 dB，阵元发射功率100 mW，馈电网络的插损5 dB[2]。休斯公司开发的X频段瓦片式4元有源模块，采用多层氮化铝基板，共面波导传输线和毛纽扣连接器，倒装单片微波集成电路(MMICs)。和砖块式4元模块相比，体积、重量与生产成本分别降低了86%、67%、76%[8]。

法国Thales公司开发的8×8数字接收瓦片模块，包括电源、控制以及光学接口等组件，整个厚度100 mm，重量不到8 kg[9]。

针对大型天基相控阵应用，加拿大学者设计的瓦片式集成结构，每个8×8子阵由3层瓦片组成：辐射阵元、MEMS移相器与功分器、T/R组件[10]。

2.3 封装技术

封装给模块中的元器件提供物理支撑，完成RF、DC偏置与控制信号的互联以及电磁屏蔽功能，提供外部接口、热传导路径。

目前，子阵模块成熟的封装技术是多芯片微组装。基板材料与工艺有多种，常用的包括印制电路板(PCB)表面贴装，低温、高温共烧陶瓷(LTCC，HTCC)，薄膜与厚膜多层陶瓷等，其发展趋势是工艺性好，封装面积大，价格低廉。

LTCC能够在复杂的三维结构中高密度集成电阻、电容和电感等无源器件，减少表贴元件以及互联，降低多芯片微组装的复杂性，提高可靠性；LTCC高频特性优良，基片介电常数范围宽，线宽与间距小，是微波毫米波电路设计与制造的主流方向。

印制电路工艺成本低，易于集成表面贴装元件；封装面积大，易于大量生产。

德国IMST为智能天线终端开发的Ka频段8×8瓦片式LTCC模块，共16层，不仅集成了混频器、滤波器与功放，还集成了液体冷却系统。

雷声公司采用商业PCB技术，开发的X频段16×8模块化可扩展接收子阵，集成了SiGe控制芯片、GaAs LNA与开关、贴片天线、极化馈电网络、波束形成、DC偏置与数字控制电路，整个厚度仅仅5.3 mm[11]。

RF MEMS器件具有插损低、功耗少、工作频带宽等一系列优点，在相控阵天线中应用前景光明。适于MEMS相控阵集成的微加工技术、与PCB工艺相容的MEMS技术也在不断发展中[12]。

Arkansas大学在高阻硅基片上集成了Ku频段4元线阵[13]，采用微带贴片天线，BaSrTiO3薄膜铁电移相器，15 GHz频点处最大插损2.6 dB。

3 多功能芯片

多芯片微组装采用微型焊接与封装工艺，通过多层布线基板，将多块裸芯片与各种片式电路元件组装起来，实现高密度互连，是当前相控阵天线集成的主流技术。但是，在低成本与高频段有源相控阵天线应用中，存在3个问题：一是芯片数量多，T/R组件通常有5～9个MMICs，芯片成本约占整个相控阵天线的25%[14]，芯片互联要耗用大量的辅助材料，微组装工序繁多，不利于降低成本；二是单个芯片的指标要求高，考虑到多芯片组装连线的损耗、电磁耦合效应，单个芯片的指标必须有适当的余量；三是高频段相控阵天线没有足够的空间来安置过多的芯片。

如果在一个芯片里集成低噪放、功放、射频开关与移相器，甚至控制电路，不仅能够大大减少相控阵天线的芯片数目，减少芯片互联工序与连线，还能够从整体上优化设计各个功能单元的指标要求，提高整个功能模块的综合性能。

令Rmax、N、Pe、Ae、λ、σT、Smin、L分别表示最大作用距离、阵元数、每个阵元的发射功率、每个阵元的等效口径面积、波长、目标截面积、最小可检测信号与系统损耗，对于大型相控阵天线，考察雷达方程：

(1)

对于给定的功率孔径积，适当增加阵元数，可以大幅度降低每个阵元的发射功率，从而减小全部T/R组件的直流功耗，降低天线成本[15]。此时不需要高功率放大器，有可能将T/R组件的全部功能集成在一个MMIC上，即单片T/R组件。

3.1 X频段多功能芯片

传统的多芯片T/R组件，发射与接收放大器选用不同的芯片工艺，独立优化各自的性能，实现最大发射功率(或效率)与最小接收噪声系数。单片T/R的放大器采用同样的工艺技术，需要综合分配指标。

2001年，DARPA发起大型经济阵列项目，要用一个MMIC完成X频段T/R组件功能，以消除多芯片互联的成本[16]。3个合同商都考虑接收发射共用一个放大器，以减小芯片面积。朗讯公司选择了IBM 5HP SiGe工艺；诺格公司选择了InP HEMT工艺，功耗低，噪声系数小；雷声公司选择了GaAs pHEMT工艺，发射效率较高。

此前，荷兰TNO物理与电子实验室为天基SAR应用开发了一款X频段T/R芯片[17]，该芯片集成了7位衰减器、7位移相器、射频开关、LNA、中功率放大器、数据串并转换以及电平变换功能，采用OMMIC ED02AH 0.2 μm pHEMT工艺，芯片尺寸4.2 mm×4.4 mm，噪声系数为8～10 dB，发射功率为14 dBm。2004年，该实验室报道了新的6位幅度相位控制T/R芯片[18]，提高了发射功率，大幅度降低了噪声系数；芯片功耗1.2 W，采用UMS公司0.25 μm pHEMT工艺，芯片尺寸略大。

针对MEMS无源瓦片子阵应用，加拿大学者将3位MEMS移相器与功分器垂直无孔集成在一个双面晶圆上。开关线移相器采用4个级联的SP3T开关，插损2.5±0.2 dB。芯片尺寸22 mm×11 mm，152.4 mm的晶圆可以布置64个[10]。

3.2 Ka频段多功能芯片

2002年，DARPA发起的MEMS相控阵导引头项目遭遇到技术瓶颈，在成功开发出X频段单片T/R以后，该项目转而支持基于单片T/R组件的有源相控阵方案，要求开发152.4 mm直径的35 GHz有源相控阵天线，发射峰值功率30 W，相控阵天线的目标成本是19 000美元。

诺格与雷声公司先后开发出Ka频段二维有源相控阵天线[19，3]，前者采用了瓦片式结构，后者采用砖块式结构，如图2所示。

雷声公司开发的单片T/R组件，发射功率40 mW，成本30美元。诺格公司开发的Ka频段共源双向功放芯片，接收与发射各两级放大，另外两个管子用做收发开关，接收增益17 dB，噪声系数4 dB；发射功率17 dBm，增益13 dB。如果采用共栅设计，双向功放仅仅需要两个管子，但是增益较低，发射功率较小[20]，如图3所示。

(a)35 GHz单片T/R组件 (b)Ka频段双向功放

(c)SiCe X频段T/R芯片 (b)SiGe Ka频段T/R芯片图3 X与Ka频段多功能芯片Fig.3 X- and Ka-band multi-function chips

3.3 基于SiGe的多功能芯片

虽然发射功率与噪声系数指标上不能比肩GaAs，但因为用Si做衬底，SiGe可以使用更大尺寸的晶圆，并支持商用工艺，芯片能够以很低成本高密度集成更多的功能，如微波功放、低噪放、A/D以及逻辑控制电路，器件成本要比GaAs低一个数量级。

在X频段，SiGe BiCMOS可以比较经济地输出0.5～2 W功率，单片集成T/R组件可以在大型阵列中直接应用，再配合一个功放构成双芯片T/R组件，能输出更高的功率。

针对地基、机载、临近空间与天基雷达应用，Georgia Tech Research Institute设计了一款X频段T/R芯片[21]：2 GHz带宽，集成5位移相器，两路LNA，一路发射功放以及SP3T开关。预期噪声系数3.6 dB，接收增益12 dB，功耗34 mW；发射功率50 mW，功耗400 mW。实际完成的接收部分实测噪声系数4.1 dB，芯片尺寸3.8 mm×3.5 mm[15]。

Michigan大学和California大学的研究人员开发的Ka频段单片T/R组件[22]，用于卫星通信与防务，芯片尺寸0.93 mm×1.33 mm，3位幅度与4位相位控制。所有放大器采用0.12 μm SiGe晶体管，开关与移相器采用0.12 μm CMOS晶体管(移相器插损12.5 dB)。该芯片接收增益19 dB，噪声系数4～5 dB；发射增益10 dB，发射功率5.5 dBm。增益与相位RMS误差小于0.6 dB与7°，发射功耗58 mW，接收功耗29 mW，如图3所示。

4 晶圆级集成

晶圆级集成概念提出迄今已逾20多年，随着商用微电子技术的迅猛发展，晶圆级的相控阵天线集成技术逐步走向实用。

Thales公司研制的W频段有源相控阵导引头天线[23]，使用两个101.6 mm的晶圆，一个集成偶极子天线和PIN二极管移相器，另一个集成驱动电路，有3 000多个单元，波束宽度2°，扫描范围±45°。

4.1 射频多通道集成

多通道集成是将多个相控阵天线通道的同一频段电路(主要是射频)集成在一个晶圆上，如高功率放大器集成为一层，LNA和增益放大器集成为另一层。

瓦片式结构的相控阵天线，如果阵元间距比较大，或者为了提高天线的工作带宽，常常将辐射阵元单列出来，与射频电路不集成在一个晶圆上。

Rome航空研发中心开发的44 GHz有源发射子阵，集成了2×2通道的园极化微带贴片天线、变容二极管移相器、功分器、两级FET功率放大器。20 GHz接收子阵规模是4×4[6]。西屋公司在一个晶圆上集成了两个4×4通道的T/R组件，每个组件还设计了冗余电路[5]。

Michigan大学在76.2 mm晶圆上集成了一个8元MEMS无源电扫阵[24]。电路包括分布式MEMS传输线移相器、功分器、缝隙耦合微带天线、过渡以及偏置焊盘。工作频率38 GHz，噪声系数6 dB，最大发射功率4 W。

4.2 单片相控阵

CMOS集成电路成本低，功耗小。计算机集成电路的快速发展促进了射频 CMOS半导体器件的研究与应用，2004年报道了104 GHz的CMOS压控振荡器。

Si CMOS与SiGe BiCMOS单片集成相控阵是当前的研究热点。与SiGe相比，Si CMOS能集成更多的功能，从射频、中频到基带，包括微处理器、存储器、D/A与A/D、可调滤波器都能在一个硅片上实现。

针对通信、测距、定位与遥感应用，California理工学院研究了24 GHz硅集成相控阵[25]。该硅片集成了射频低噪放(接收阵)、功放(发射阵)、射频与中频混频器、三阶频率综合锁相环、16种相位输出的本振压控振荡器、移位寄存器、中频放大器等功能电路。4元发射阵列采用0.18 μm CMOS 工艺，尺寸6.8 mm×2.1 mm，功放饱和输出功率14 dBm，通道之间的隔离28 dB，3 dB带宽大于400 MHz。8元接收阵列采用0.18 μm SiGe BiCMOS工艺，尺寸3.5 mm×3.3 mm。单路噪声系数7.4 dB。两个阵列的功耗分别约为2 W与1 W。

California理工学院采用0.18 μm SiGe BiCMOS工艺，研制了6～18 GHz的相控接收阵列[26]，其4位射频移相器由正交全通滤波器、译码器、数模转换与模拟有符号差分信号加法器组成。12 GHz处，每个通道接收增益约20 dB，噪声系数约4 dB。阵列尺寸2.2 mm×2.45 mm。

基于该射频移相原理，California大学还研制了Q频段(40～45 GHz)16元发射阵[27]，每个通道增益12.5 dB，饱和发射功率-2.5 dBm，阵列尺寸2.6 mm×3.2 mm。

5 结束语

相控阵天线在最近十多年的发展过程中，半导体材料与工艺技术起着巨大的推动作用，并不断受惠于商用通信与计算机产业，单片微波集成电路已经成为相控阵天线的核心关键技术。要开发低成本、高频段与可扩展的相控阵天线，微波集成电路芯片研发必须走在系统研制的前面。特别地，考虑到国内的技术水平，要研制毫米波二维相控阵天线，开发多功能的单片集成电路是比较可行的途径。

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