從單純的增益性能來(lái)看，AESA必須解決遠(yuǎn)離天線視軸的目標(biāo)的孔徑縮短問(wèn)題，以及對(duì)波束掃描在45°~70°范圍內(nèi)時(shí)波束控制角的性能受限問(wèn)題。由于孔徑填充和副瓣控制的原因，相位控制AESA也會(huì)遭受帶寬本身受限的問(wèn)題，這將影響所有大帶寬應(yīng)用。在許多應(yīng)用中，與低結(jié)構(gòu)性RCS兼容的唯一方案是采用多個(gè)AESA陣列，這同時(shí)又會(huì)犧牲成本、復(fù)雜度、重量、體積和冷卻方面的要求。典范之作包括為F-22A規(guī)劃但尚未裝備的側(cè)視陣列或計(jì)劃中的T-50PAK-FA側(cè)視陣列。AESA并非適合所有微波天線應(yīng)用的“萬(wàn)能藥”，只是它在大多數(shù)應(yīng)用中呈現(xiàn)出的重要優(yōu)勢(shì)掩蓋了使用該技術(shù)導(dǎo)致的不足而已。
有源相控陣技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
毫無(wú)疑問(wèn)，單片器件是推動(dòng)AESA設(shè)計(jì)不斷發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，因?yàn)樗苯油ㄟ^(guò)大功率晶體管或間接通過(guò)冷卻性能影響著AESA的功率孔徑性能。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，封裝技術(shù)又對(duì)冷卻性能和密度有重要影響。
砷化鎵MMIC是實(shí)現(xiàn)S及以上頻段AESA的關(guān)鍵技術(shù)，也是L波段AESA率先進(jìn)入機(jī)載應(yīng)用的關(guān)鍵，因?yàn)檫@類器件與晶體管的特征頻率性能基本無(wú)關(guān)。盡管材料的載流子遷移率較優(yōu)，但砷化鎵基片的熱性能較差，這也是長(zhǎng)期困擾AESA技術(shù)發(fā)展的一個(gè)問(wèn)題，也是推廣鍺化硅(SiGe)、氮化鎵(GaN)等熱特性更優(yōu)的材料的強(qiáng)大推動(dòng)力。自首部X波段AESA驗(yàn)證機(jī)問(wèn)世以來(lái)，封裝技術(shù)也取得了長(zhǎng)足發(fā)展。陣列設(shè)計(jì)理論規(guī)定陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)或更短，這樣隨著頻率的升高，密度的挑戰(zhàn)也隨之增大。目前陣面上的功率密度基準(zhǔn)已超過(guò)4瓦/平方厘米。
美國(guó)早期的X波段AESA設(shè)計(jì)和俄羅斯當(dāng)前的設(shè)計(jì)均采用“條狀”或“四芯組件”封裝設(shè)計(jì)的T/R模塊。這種方法會(huì)持續(xù)產(chǎn)生生產(chǎn)可重復(fù)性問(wèn)題，因?yàn)槿我煌ǖ莱霈F(xiàn)瑕疵，都需要對(duì)整個(gè)“條狀”或“四芯組件”模塊進(jìn)行再加工。目前美國(guó)和歐盟的AESA采用“單通道”法設(shè)計(jì)，其中每個(gè)單元采用一組垂直于天線陣面的器件(“瓦片”法)。雖然與PESA相比，AESA不必處理較高的功率電平，但是底板饋電網(wǎng)絡(luò)也會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，尤其在損耗和帶寬方面。在X波段設(shè)計(jì)中，饋電網(wǎng)絡(luò)也許會(huì)變得更復(fù)雜，因?yàn)樾枰獎(jiǎng)澐株嚵薪讉€(gè)相位中心，實(shí)現(xiàn)雙平面單脈沖跟蹤或地面動(dòng)目標(biāo)指示偏置相位中心(DPCA)。
AESA中一個(gè)獨(dú)立的通道或單元必須包含用于接收路徑的低噪放(LNA)、功放、移相器、阻抗匹配、低插損連接、增益控制單元、RF緩沖放大器(如果需要)和數(shù)字電路(需要用來(lái)將增益和相位參數(shù)鎖存到T/R模塊移相器和增益控制器件)。現(xiàn)代AESA的T/R模塊還包括健康監(jiān)測(cè)、機(jī)內(nèi)自檢和校準(zhǔn)電路。
必須將T/R模塊內(nèi)半導(dǎo)體器件的熱量導(dǎo)出模塊，并通過(guò)冷卻系統(tǒng)導(dǎo)出天線。X波段AESA多采用聚烯烴合成油(Poly-Alpha-Olefin，一種先進(jìn)的冷卻材料)，將熱導(dǎo)入飛機(jī)燃油內(nèi)或通過(guò)熱交換器導(dǎo)入周圍空氣中。
在分析AESA技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，一方面要考慮到先進(jìn)的RF器件材料和工藝的發(fā)展，另一方面要考慮到利用影印法制造的數(shù)字器件的密度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。美國(guó)雷達(dá)專家布魯克內(nèi)爾(Brookner)最近指出AESA在器件和材料技術(shù)方面的發(fā)展趨勢(shì)如下:
(1)陣列將采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)移相器;
(2)24吉赫茲低成本相控陣汽車?yán)走_(dá)的廣泛使用將不斷降低T/R模塊的成本和體積;
(3)基于1個(gè)獨(dú)立的鍺化硅/雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(BiCMOS)芯片可實(shí)現(xiàn)8~32個(gè)陣元陣列用的超大規(guī)模MMIC電路;
(4)利用氮化鎵技術(shù)提供10倍功率和更高的效率，利用一個(gè)獨(dú)立的晶體管組件提供超過(guò)1000瓦的峰值功率;
(5)基于硅的低成本鍺化硅芯片;
(6)普渡大學(xué)開(kāi)發(fā)的低成本S波段雙板氮化鎵數(shù)字陣列雷達(dá)，帶寬為700兆赫茲，每個(gè)陣元的峰值功率為25瓦，通過(guò)采用電磁帶隙(EBG)材料，增大天線陣元之間的隔離度，降互低藕，獲得寬角掃描，未來(lái)可能取消環(huán)形器;
(7)瞬時(shí)帶寬從10:1到30:1的陣列;
(8)通過(guò)改善A/D線性度，減少互調(diào)，使接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍提高20分貝;
(9)在無(wú)源天線器件中采用金屬材料;
(10)開(kāi)發(fā)互聯(lián)用的三維微加工技術(shù)。
密度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)是數(shù)字領(lǐng)域發(fā)展的顯著特點(diǎn)之一，但在射頻器件中并非那么突出，原因在于阻抗匹配的阻礙和模擬器件的需求。技術(shù)的進(jìn)步，尤其是并行處理計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展可提供執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算的冗余能力將對(duì)雷達(dá)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。通用圖形處理單元芯片的內(nèi)存帶寬目前已超過(guò)100吉比特/秒，單個(gè)芯片通常能夠提供超過(guò)500個(gè)流水線節(jié)拍的浮點(diǎn)優(yōu)化處理核。隨著這種技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，將產(chǎn)生更多的處理核，提供更大的內(nèi)存帶寬，使一些信號(hào)/數(shù)據(jù)處理算法得以實(shí)時(shí)應(yīng)用。
總之，隨著MMIC材料和制造技術(shù)持續(xù)發(fā)展，封裝技術(shù)的進(jìn)步和數(shù)字電路的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這些都將為未來(lái)AESA設(shè)計(jì)開(kāi)辟更多新的可能性，創(chuàng)造更多的機(jī)會(huì)。
作者:黃鶴 何曉晴 原載《現(xiàn)代軍事》2013.5
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