2019天线年会交流-毫米波有源相控阵现状及其发展趋势

2019年全国天线年会分组特邀报告何庆强2019.0701内容提要一 毫米波相控阵天线现状二 毫米波相控阵的技术趋势三 毫米波相控阵的设计技术四 结论与展望02一、毫米波有源相控阵现状1近十几年毫米波相控阵现状一、毫米波有源相控阵现状1近十几年毫米波相控阵现状03031）典型的通信体制二维有源相控阵天线是哈里斯公司研发的Ka频段通信相控阵天线。收发口径1）典型的通信体制二维有源相控阵天线是哈里斯公司研发的Ka频段通信相控阵天线。收发口径分开、±60度扫描、同时形成10个点波束。2）哈里斯公司为F-35开发的数据链有源相控阵天线，该合同将于2009年完成，2007年前完成初始交付。阵列规模48元、半双工、圆极化、液冷。一、毫米波有源相控阵现状1近十几年毫米波相控阵现状一、毫米波有源相控阵现状1近十几年毫米波相控阵现状04044）雷声公司研制的Ka频段导引头精确制导4）雷声公司研制的Ka频段导引头精确制导相控阵天线①频段：35GHz②阵元个数：二维，共600多个③每个阵元发射40mW④19000美元（低成本相控阵，每个通道30美元）3）诺.格公司报道的Ka频段多功能雷达，性能主要包括：3）诺.格公司报道的Ka频段多功能雷达，性能主要包括：①主动防御，反威胁目标②监视空中和地面目标③高速数传及组网④战斗敌我识别相控阵典型指标：①Ka波段②收发共口径③半双工④单通道脉冲功率大于1W一、毫米波有源相控阵现状1近十几年毫米波相控阵现状一、毫米波有源相控阵现状1近十几年毫米波相控阵现状05055）德国IMST公司研发的5）德国IMST公司研发的更高密度集成的SNTANA卫星通信毫米波二维有源相控阵天线。①采用LTCC技术；②天线单元、TR、馈电、校准、热控一体化高密度集成；③LTCC层板上微通道散热。基于LTCC的微通道散热相控阵天线 集成了数字基带的整个相控阵系统一、毫米波有源相控阵现状22018年-2019年毫米波相控阵现状一、毫米波有源相控阵现状22018年-2019年毫米波相控阵现状06062018年1月，DARPA组织设立“毫米波数字阵列”(MIDAS)项目，旨在发展18GHz～50GHz频段的多波束数字相控阵技术，以加强军事系统之间的安全通信能力。研究的重点在于降低数字化毫米波收发器的尺寸并增强其性能，将相控阵技术应用于移动系统，并将移动研究的重点在于降低数字化毫米波收发器的尺寸并增强其性能，将相控阵技术应用于移动系统，并将移动通信的频段范围提高到不那么拥挤的毫米波频段。毫米波技术和数字波束形成技术相结合，为美国军队提供具备安全通信能力的无线电技术。 0707一、毫米波有源相控阵现状一、毫米波有源相控阵现状22018年-2019年毫米波相控阵现状2018年2月ISSCC会议报道的博通公司60GHz系统，由主从60GHz芯片组成，便于系统重构，主从芯片通过系统板上布线互连，从芯片的封装上集成了天线。基于CMOS工艺，从芯片的封装与天线采用LTCC基板的AIP技术。每个AIP集成了48个天线和2个芯片形成一个相控阵天线。下图示为1主6从芯片，288阵元，±60⁰扫描，EIRP=51dBm。

2018年2月ISSCC会议报道的诺基亚与LG公司90GHz的AIP（25168元）。16个AIP形成256个单元发射阵和128个单元接收阵的系统板，±45⁰扫描，EIRP=59.5dBm。 0808一、毫米波有源相控阵现状一、毫米波有源相控阵现状22018年-201920183月，美国卫星大会上IsotropicSystems公司宣布将为OneWeb开发兼容的超低成本用户宽带终端，并展出了采用转换光学技术生产出的首个低成本、全电扫终端。采用蜂窝结构，可进行不同规模扩展。

2018年3月美国卫星大会上Phasor公司展示了Ka频段非同步轨道（NGSO）中继型低剖面电控天线，可满足任何使用情况下的需求。天线可以是平板天线，也可是共形天线，可无缝嵌入移动平台。相同技术也非常适合支持传统的固定卫星网络、高通量卫星和非同步卫星网络。

2018年3月，美国卫星大会上公司展示了一种创新的轻型卫通终端，可用于地面、机载和海上通信。采用简洁超轻的安装装置，IntelFLAT平板技术，易于部署和集成。平台的功耗极低，可与Ka和Ku频段应用兼容。0909一、毫米波有源相控阵现状一、毫米波有源相控阵现状22018年-2019年毫米波相控阵现状天线系统自适应控制天线极化可同时生成多个辐射波束计划2018年出售此相控阵天线最终目标是提供消费级天线，价格需远低于10000美元（39美元/通道）C-Com公司希望随着时间的推移能够实现可能低于1000美元的合理消费价格（3.9美元/通道）。2018年6月，C-COM卫星系统公司使用4×4天线系统自适应控制天线极化可同时生成多个辐射波束计划2018年出售此相控阵天线最终目标是提供消费级天线，价格需远低于10000美元（39美元/通道）C-Com公司希望随着时间的推移能够实现可能低于1000美元的合理消费价格（3.9美元/通道）。PAGE10PAGE10一、毫米波有源相控阵现状一、毫米波有源相控阵现状22018年-2019年毫米波相控阵现状2018年8月，ThinKom公司联合SES公司在位于美国加州霍桑的测试场内进行了对星试验。在此次地面测试中，ThinKom公司的车载Ka2517航空天线以13°的仰角连续首次捕获到O3bMEO卫星，并成功进行了30分钟的卫星跟踪，卫星的运行方向是从西向东。

2018年9月10日，Spacenews网站报道，Kepler通信公司和Phasor公司成功演示了Kepler公司的立方星和Phasor公司平板天线Ka频段非同步轨道（NGSO）中继型低剖面电控天线之间的链路。这次成功的演示是宽带（低轨）卫星首次通过商业电调平板天线实现自动捕获、自动跟踪、并与平板天线进行通信。一、毫米波有源相控阵现状22018年-2019年毫米波相控阵现状一、毫米波有源相控阵现状22018年-2019年毫米波相控阵现状PAGE11PAGE11根据欧洲航天局（ESA）官网根据欧洲航天局（ESA）官网2018年11月21日报道，ESA通过卫星进行了首次5G现场演示验证，向人们展示了如何通过欧洲空间和地面节点的巧妙设置，实现物联网（IoT）设备连接。本次试验旨在证明，通过太空卫星运作可在全球任何地方部署5G服务。据《防务和航空航天》网站2018年12月17日报道：为了开发满足作战部队不断变化需求的卫星通信解决方案，法国国防采购部（DGA）已采购泰雷兹公司ANTARES-LP型低剖面机载有源阵列卫星通信原型机。ANTARES-LP天线用于独立或及商业卫星的Ka频段。作战部队需要整套宽带卫星通信解决方案，以满足飞机通信要求，并在世界上一些最偏僻的战区保持通信。据美国防部网站2019据美国防部网站2019年3月4日公告，位于美国俄亥俄州莱特-帕特森空军基地的美空军研究实验室授予位于加利福尼亚州拉霍亚的JASR系统公司一份总金额810.7308万美元的固定价格研发合同，发展芯片尺寸的“光学相控阵与激光雷达”系统。该系统利用美国防部国防高级研究计划局“模块化光学孔径构建模块”(MOABB)计划第1阶段的成果，并分别定位于MOABB计划的的第2阶段和第3阶段。乙方将在加州拉霍亚履行合同规定的工作，预计在2020年11月1日之前完成。新一代的5G通信预计2020年将全面商用。国际电信联盟（ITU）提出了5G系统的三大主要应用场景：支持增强的移动宽带（eMBB）、具有高可靠性和超低延迟的通信（uRLLC），以及大规模机器间通信（mMTC）。在系统性能方面，5G系统将具备10Gbps～20Gbps的峰值速率、100Mbps～1Gbps的用户体验速率，相对4G提升3～5倍的频谱效率以及百倍的能效。过去几代移动通信主要实现的是“人与人”之间的通信；而到了5G通信，不仅要实现“人与人”之间的高效通信，还要实现“人与物”、“物与物”之间的高效通信。5G时代可谓是“万物互联”的信息社会。在前几代移动通信（2G、3G、4G）系统中，主要是以地面骨干网为主的地基网；而5G通信将会利用低空（无人机）、高空（浮空平台）、临近空间（临近空间飞行器）及空间层（卫星等航天器）与地面层（含海、陆）构成一种立体多维的信息网络空间，实现服务区的全球全时全气候覆盖。毫米波5G天线的一个显著特点：将使用系统级封装技术（AIP），以降低成本、提高集成度，通道输出的功率在mw量级。 UCSD Anokiwave Mitsubishi BellLabs Lattice

IBM二、毫米波有源相控阵技术趋势二、毫米波有源相控阵技术趋势PAGE13PAGE131、向新型武器平台扩展和5G领域延伸1、向新型武器平台扩展和5G领域延伸随着美国军事再平衡、空海一体战、第三次抵消战略的不断提出，下一代传感器飞机、自主无人机、高超声速飞行器等新型作战平台不断出现。相控阵天线的宽带、共形一体化、轻薄化、低功耗技术的发展，作为为武器系统提供态势感知和打击瞄准等情报保障的重要手段，相控阵天线将会越来越普遍地得到应用。 2017世界移动大会在巴塞罗那召开，这是全球最具影响力的移动通信领域的展览会。今年展会的一个重点便是5G技术的落地与商用，许多参展商都展示了5G移动技术通信设备。5G移动通信技术受到世界各界的广泛关注，该技术可在28GHz超高频段以大于每秒1Gbp的速度传送数据，应用该技术，下载一部高画质电影只要一秒钟。洛•马公司的“六代机” 美国滑翔式高超声速战略导弹2017世界移动大会在巴塞罗那召开，这是全球最具影响力的移动通信领域的展览会。今年展会的一个重点便是5G技术的落地与商用，许多参展商都展示了5G移动技术通信设备。5G移动通信技术受到世界各界的广泛关注，该技术可在28GHz超高频段以大于每秒1Gbp的速度传送数据，应用该技术，下载一部高画质电影只要一秒钟。5G移动通信下的物联网时代1A高超声速巡航弹高超声速弹2、新的军事需求衍生新的技术体制2、新的军事需求衍生新的技术体制①2015年，①2015年，DARPA向诺·格公司、HRL实验室等机构授出1130万美元合同，用以开发一种采用电子扫描副反射器、视频级三维成像帧速(10Hz～100Hz)、且不依赖平台运动或目标运动便可实现目标成像的全新雷达成像架构技术。②ASTIR雷达将包含由一部主反射面与一部电子副反射面组成的复合天线，以及单个发射/接收链路。③ASTIR项目计划分为2个技术领域、分别开展研究。主要开发并评估可控制波束或图像的电子副反射面，降低系统复杂度与成本，共6个月。根据要求，电子副反射面的工作频率为70～700GHz，孔径大于0.04平方米，瞬时带宽为5%，扫描范围为±45°，转换速度应小于1μs，功耗100mW/cm2。*DARPA.Advancedscanningtechnologyforimagingradars(ASTIR).[R].DARPA-BAA-14-53,R,2014．3、向更高频段拓展3、向更高频段拓展传统相控阵天线的研究主要集中于L、S、C、X波段以下。通信领域已逐步开放Ka（20-40GHz）波段、Q（30-50GHz）波段，同时也在论证V（50-75GHz）波段，雷达领域也从X逐步发展到Ka、W乃至100GHz以上频段，特别在民用汽车自动驾驶、智能探测感知等领域对77GHz频段电子设备需求很大，广阔的应用市场推动技术的研究必然随之覆盖更高频段，预计在未来3年内，E（60-90GHz）～W（75-110GHz）波段的毫米波射频前端将实现商业化;军用领域内导引头、智能炸弹、无人机片上系统等应用也将大面积使用W（75-110GHz）波段。视频合成孔径雷达视频合成孔径雷达是在2015年完成的原型样机。工作频段：231.5GHz-235GHz频段。4项关键技术：机载EHF仿真工具、新型EHF雷达处理算法。2017年9月28搭载DC-3运输机进行飞行测试，成功获取了被云层遮蔽的地面目标的实时、全运动视频图像，标志项目由研制阶段进入试飞验证阶段。4、集成化程度不断提高4、集成化程度不断提高Ku波段及其以下由于其工作波长较大，同时通道功率高，其集成化主要集中于芯片（多功能综合）和模块化系统（砖式/瓦式）集成。而随着工艺水平的不断提升，30GHz以上的毫米波相控阵天线的形态将发生很大变化，即通过大量使用先进的异质异构封装技术和微系统集成工艺，相控阵天线乃至后端射频、数字处理部分将以一个完整的系统级封装（SiP）和系统级芯片(SoC)出现，并可能与声、光、磁等其他类型传感器进行再次集成。通常称为封装天线（AiP）和片上天线（AoC）。 掺锗硅工艺7nm芯片晶片陶瓷封装集成天线掺锗硅工艺7nm芯片晶片

IBM公司60GHzLTCC封装SiGe芯片天线 Sibeam公司60GHzCMOS天线 122GHz及145GHz封装天线的SiGe芯片 NET公司300GHzLTCC封装天线照片5、多学科技术融合度越来越高5、多学科技术融合度越来越高2014年，美国特拉华州大学电气与计算机工程学院公布了航空平台毫米波光子器件和集成项目，将工作于直流到毫米波波段的共形天线覆盖到飞机表面，实现感知、通信、雷达、成像等功能，主导电磁频谱优势。该项目将重点关注毫米波光子器件和系统，以及毫米波光电集成。前者包括毫米波高性能光电调制器、硅双槽波导、光电二极管等。后者包括将天线、高速光电二极管、光纤与液晶聚合物集成的工艺。智能蒙皮是指在航天器、军舰或者潜艇的外壳中嵌入智能结构，其中包含天线、微处理控制系统和驱动元件，可用于监视、预警、隐身、通信、火控等。智能蒙皮天线是一项新兴天线技术，它打破了传统天馈系统设备机械与电气相对独立的设计模式，从系统的角度出发，融合电磁学、机械学、热力学、阵列信号处理、光电子技术、自动控制、计算机工程等多学科知识，对天馈系统进行多物理场联合设计，实现结构与功能的高度一体化、智能化。2014年，美国特拉华州大学电气与计算机工程学院公布了航空平台毫米波光子器件和集成项目，将工作于直流到毫米波波段的共形天线覆盖到飞机表面，实现感知、通信、雷达、成像等功能，主导电磁频谱优势。该项目将重点关注毫米波光子器件和系统，以及毫米波光电集成。前者包括毫米波高性能光电调制器、硅双槽波导、光电二极管等。后者包括将天线、高速光电二极管、光纤与液晶聚合物集成的工艺。何庆强,王秉中,何海丹,新兴智能蒙皮天线技术,2014年全国军事微波会议/微波学报,vol.30,2014年,pp.287-290.6、产品成本不断下降6、产品成本不断下降利用规模化生产商用器件、大规模集成可显著降低产品开发周期，满足技术更新和成本要求。林肯实验室2010年公布了一种S波段低成本阵列，该阵列在5层印制电路板上集成了5个TＲ组件，双极化设计，峰值功率8W，能够同时产生24个波束，每平方米面积上集成400个单元，每平方米价格5万美元。柯林斯公司2015年公布的X波段机载阵列包含512个单元，每单元功率2W，能够将成本降低至原来的1/50。乔治亚技术研究所(GTRI)乔治亚技术研究所(GTRI)于2006年推出33∶1倍频程的天线，该天线倍频程具有扩充到100∶1的潜力。Ｒaytheon公司双极化开口阵元阵列可工作于10个倍频程(18GHz～118GHz)，单元间隔为最低波长的一半，波束扫描为真时延，阵列在整个频带内均能实现60°宽角扫描。综合射频使用几个分布式宽带多功能孔径取代目前平台上为数众多的天线孔径，同时实现雷达、电子战与通信、导航、识别等多种射频功能，使电子系统的成本、重量、功耗、失效率显著下降，解决了舰载、机载平台上天线林立、遮挡、电磁干扰、雷达散射截面过大、维修困难、成本过高等问题。三、毫米波有源相控阵天线技术1、毫米波相控阵技术特点三、毫米波有源相控阵天线技术1、毫米波相控阵技术特点PAGE19PAGE19频率高，波长短阵元间距小，组件排布和电气互联密集度高；在狭小空间内放置功放、低噪放、开关、移相器、串口、滤波等难度极大，集成度很高。随着频段的提高，相控阵天线的集成设计和工艺技术要求就会越高。毫米波/甚至更高频段相控阵天线代表着一个国家先进相控阵天线的技术水平。高频段的设计和集成技术通常可以在低频段适用，反之则不行。高低频互联关系复杂天线阵面、TR组件、功分网络及控制电路，需在很小的空间内实现高低频的多路互连。以35GHz的256元阵为例，在64mm×64mm×42mm的空间内：①阵面与TR的256路射频互连；TR与馈电网络的32路射频TR与波控的上千路的低频

双极化互连则更复杂！热密度高，散热困难每个芯片功耗达1W以上，芯片密集度高，相应的热密度非常大；芯片效率不高，导致大量的热耗聚集在天线内部；在毫米级的小空间内TR组件热沉较薄甚至很难设计热沉；高效的热控系统是解决天线长时、可靠工作的关键。工艺实现难度大，可调试性较差波长短、体积小，结构工艺复杂，要求加工精度高，造价较高；元器件寄生参数影响较大，工艺实现难度大；高密度集成设计和一体化加工制造，产品调试冗余度小，需在设计阶段，确保性能良好、状态稳定；工艺缺陷（变形、异位、焊接空洞率）导致产品成品率低。三、毫米波有源相控阵天线技术2、体系架构设计三、毫米波有源相控阵天线技术2、体系架构设计PAGE23PAGE23① 瓦式子阵将元器件放置方向平行于阵天线阵面孔径；② 面子阵电路采用横向集成纵向组装（TILA）；③ 瓦式子阵采用分层结构集成在数个平行放置的瓦片上；④ 现① 瓦式子阵将元器件放置方向平行于阵天线阵面孔径；② 面子阵电路采用横向集成纵向组装（TILA）；③ 瓦式子阵采用分层结构集成在数个平行放置的瓦片上；④ 现线极化和圆极化；⑤ 集成度比砖式高，20%~80%；⑥ 热路径缩短有更高可靠性；⑦ 成本在高密度封装方面比砖式降低左右。①砖式子阵采用元器件放置方向垂直于相控阵天线阵面孔径；天线②线子阵电路采用纵向集成横向组装阵（LITA）；面③砖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辐射阵元可采用振子单元、波导、喇叭、组介质谐振天线；件⑤ 产品实现相对简单；⑥ 缺点是纵向尺寸比瓦式子阵大；⑦ 散热路径较长，散热效果不及瓦式；⑧ 成本比瓦式相控阵高馈电网络砖式天线阵面TR组件馈电网络V.S 瓦式天线阵面TR组件馈电网络变频信道波束控制器供电单元环控/散热结构框架

砖式 瓦

对于毫米波频段，天线集成度越来越高，系统构架与新材料和新工艺习习相关。“瓦式”技术分离组件

结构功能一体化AIP

一片式天线（蒙皮）AIP/AOC“砖式”技术30GHz-60GHz

60GHz以上根据不同体制的应用需求，体系架构设计可以从以下四条路径进行思考：大功率设计路线：早期相控阵天线设计路线，工艺成熟，易于实现，主要采用砖式结构集成，通道输出功率为几瓦~甚至几十瓦，单通道体积较大，用于远程目标探测、电子对抗、防撞与着陆、SAR成像等。中功率设计路线：基于高集成多功能芯片技术，采用砖式架构或瓦式架构集成，结合先进工艺集成能力，由Ku、Ka波段逐步提升至W波段，满足中功率密度（几百毫瓦~几瓦）远程目标探测、安检成像、高速通信骨干网、战术移动热点等。低功率设计路线：在SOP路线基础上，进一步提升到晶圆级进行集成，构建晶圆阵列，特点是单通道输出功率低（毫瓦级）集成度高，满足未来片上通信、雷达、智能炮弹、无人驾驶、无线短距通信、中短距离应用以及更低成本的应用需求。商业器件应用路线：以商用毫米波传感器芯片为中心，有针对性地开发应用系统，满足商业卫星通信、5G通信、物联网、FOD检测、安检成像等超低成本的应用需求。Anokiwave四通道集成硅TR组件

TowerJazz公司的5G通信MIMO相控阵天线三、毫米波有源相控阵天线技术3、天线单元与布阵技术三、毫米波有源相控阵天线技术3、天线单元与布阵技术PAGE27PAGE27天线单元的设计需要结合系统需求，解决宽带、波束宽度、高增益、低成本、易与器件集成等问题。采用单元形式：偶极子、微带天线、耦合叠层微带、Vivaldi天线、波导裂缝天线等。在天线与系统集成方面，当天线尺寸与芯片可比时（20GHz~100GHz），直接将天线单元封装于芯片之上（AiP）。在更高频段（≥100GHz），可进一步在石英基片上蚀刻天线单元，并与有源部件在晶圆层面进行互联集成（AoC）。微带天线偶极子 耦合叠层微带Vivaldi天线 波导裂缝天线石英基底W波段一片式集成天线阵列布阵形式和规模的取舍需要结合相控阵天线的EIRP值、G/T值、波束宽度、扫描范围、副瓣电平，与平台的安装要素等。通常形式：矩形栅格阵、三角形三格阵。不同的阵列形式和单元间距都会对波束宽度、扫描范围、副瓣电平、阵列增益产生影响。ddxdddx1sin() 1

13(1sin13(1sinmx)dx

当两种阵列的总面积相等时，此时所用单元数与平均每个单元所占面积成dy 1y 1siny) d1sin)y

反比，且三角形排列的阵列中所用单元将比矩形排列的阵列中少13.4%。这种三角形排列是正三角形排列。 矩形阵（正方形/长方形） 十字形阵/切角阵 圆形/椭圆阵 稀疏阵 共形阵三、毫米波有源相控阵天线技术4、射频收发电路设计三、毫米波有源相控阵天线技术4、射频收发电路设计PAGE29PAGE29射频收发电路的核心是TR组件，其结构形式分为“砖式”结构和“瓦式”结构。毫米波及其以上频段，TR组件单元间距小，在狭小空间内放置功放、低噪放、开关、移相器等难度极大，集成度很高。毫米波及其以上频段，热密度高，散热困难高效的热控设计是解决TR组件长时、可靠工作的关键。毫米波及其以上频段，高低频互联关系复杂，以35GHz的256元阵为例，在64mm×64mm×25mm的TR组件空间内：阵面与TR的路射频互联、TR与馈电网络的32路射频互联、TR与波控有1024路的低频互联。毫米波及其以上频段，工艺实现难度大，可调试性较差。波长短、体积小，TR影响较大，工艺实现难度大，产品调试冗余度小，需在设计阶段，确保性能良好、状态稳定。砖式TR组件 瓦式TR组件TR常用设计方法-多功能集成思路天线1 天线2 天线天线NGaN

开关功放 低噪放 功

开关开关低噪放

功放TR组件

开关开关低噪放

开关TR多功能芯片耗不会大幅影响系统噪声。功放 TR多功能芯片耗不会大幅影响系统噪声。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位数字移相器和6位数字衰减器；为简化芯片以及组件对外接口，还集成了12位串幵转换器和寄存器，可实现收发分时波束串码加载。Corechip：集成了6位数字移相器和6位数字衰减器；为简化芯片以及组件对外接口，还集成了12位串幵转换器和寄存器，可实现收发分时波束串码加载。波束控制

DC电源至终端上/下变频信道CMOS集成芯片集成了本振、混频器、滤波器、发射中频放大器、接收自动增益控制放大器、数字控制、温度监测等功能单元。T/R组件CMOS上/下变频信道CMOS集成芯片集成了本振、混频器、滤波器、发射中频放大器、接收自动增益控制放大器、数字控制、温度监测等功能单元。T/R组件CMOS驱动放大器、功率放大器/低噪声放大器、数字移相器、功率分配网络、数字控制、高速串行接口、温度监测、以及功率分配网络均采用CMOS工艺实现。

T组件芯片 R组件芯片 上变频芯片 下变频芯片CMOS工艺可以实现射频电路和数字电路的高密度集成，尺寸小，输出功率通常十几毫瓦，噪声系数大（4dB左右）。CMOS工艺可以实现射频电路和数字电路的高密度集成，尺寸小，输出功率通常十几毫瓦，噪声系数大（4dB左右）。考虑到毫米波硅工艺和设计技术正在不断取得更大进步，预计未来的硅工艺会有更好的能效和更高的输出功率能力，将能实现更小的尺寸幵进一步优化天线尺寸。功率分配合成网络包括收发共用馈线、发射功率分配网络、以及接收信号合成网络。射支路中增加驱动级功率放大器。对于有单脉冲测角要求的，馈电网络还需设计成和波束、方位差和俯仰差波束接收通道。在馈电网络方面，基片集成波导（SIW）是一类融合了传统平面电路和立体电路优点的平面传输线，可解决毫米波馈线的高效宽带问题。 常用垂直互连技术。射频互联：天线阵面与TR互联、TR与功分网络互联。SMP或SSMP、各向异性导电胶、类同轴、介质波导等决定射频互连设计的因素：可靠性工艺的可实现性幅相一致性插损小隔离度密度高、小型化

介质波导/毛纽扣方案 微带/共面波导/带状线/悬置微带方案 类同轴方案 SMP/SSMP方案常用垂直互连技术。低频互联：TR与波控控制器。低频互联采用：BGA球、PGA插针、毛纽扣、触碰式连接器，等。决定低频互连设计的因素：可靠性工艺的可实现性便于射频电路集成设计密度高、小型化 BGA球方案毛纽扣方案

PGA插针方案触碰式连接器方案D.G.Kam,D.Liu,A.Natarajan,etal.LTCCPackagesWithEmbeddedPhased-ArrayAntennasfor60GHzCommunications,IEEEMicrowaveandWirelessComponetsLetters,2011,21(3):142-144.三、毫米波有源相控阵天线技术5、波束控制器设计三、毫米波有源相控阵天线技术5、波束控制器设计PAGE35PAGE35波控器依据送入的频率、俯仰/方位信息和已存储的校准补偿，解算出波控码并完成射频通道幅相控制，实现预定波束指向，其常用功能：将主控单元控制命令转换生成控制TR组件内移相器衰减的LVTTL/CMOS电平，并生成移相码；能控制衰减器进行相控阵接收状态下的幅度加权；常用功能：将主控单元控制命令转换生成控制TR组件内移相器衰减的LVTTL/CMOS电平，并生成移相码；能控制衰减器进行相控阵接收状态下的幅度加权；具备T、R、TR脉冲信号控制输出功能。能执行相控阵的工作状态与校准状态的转换；波控器具备子阵通断控制功能；具备健康管理和在线监测功能；失；码；波控板开机具有自检功能；波控板具有程序更新，复位功能。三、毫米波有源相控阵天线技术6、系统封装与集成技术三、毫米波有源相控阵天线技术6、系统封装与集成技术PAGE36PAGE36微波器件的封装形式较多，陶瓷封装、塑封、金属壳封装、系统级封装(SOP)、晶圆级封装(WLP)等。目的在于一方面实现射频信号、控制信号、电源的输入/出，另一方面也为有源电路及无源电路提供电屏蔽及物理环境的保护，同时完成散热及结构支撑的作用。60GHz以上），由于单元间距很小，传统的2D封装已无法满足集成要求，封装方式不仅要求提高芯片自身集成度，如缩小光刻尺寸来实现微型化，同时还需要在第三维方向进行芯片的堆叠，这称为60GHz以上），由于单元间距很小，传统的2D封装已无法满足集成要求，封装方式不仅要求提高芯片自身集成度，如缩小光刻尺寸来实现微型化，同时还需要在第三维方向进行芯片的堆叠，这称为System-In-Package(SIP)。近年来硅通孔(TSV)技术的迅猛发展，使得SIP能进一步小型化，研究集中于：硅通孔堆叠式IC(含倒装焊或铜-铜键合)、硅晶圆板上硅IC、晶圆-晶圆堆叠。2015年6月IBM2015年6月IBM宣布通过选择性外延的方式，将化合物半导体嫁接到硅基片上，实现纳米级异质集成，利用该技术，可以根据需要将砷化镓、氮化镓、碳化硅、磷化铟、铟镓砷等第二代、第三代化合物半导体材料高精度的嫁接到硅片的不同位置，充分利用各种材料的优势，形成在微波、电力、高速运算等领域中具有极强性能的单片系统。结合系统封装(SiP)技术等高级封装工艺，可进重量和成本大幅减小、性能大幅提升。模板辅助选择性外延生长的单晶结构扫描电子显微镜照片AIP技术是微系统技术的一个分支，它基于封装材料与工艺，将天线与芯片集成在封装内实现系统级无线功能的一门技术。AiP的介质材料主要有陶瓷、有机、模塑化合物；导体材料有金、银、铜。陶瓷主要是低温共烧陶瓷（LTCC）工艺。有机材料在高密度互连（HDI）工艺中得到应用，如FR4、LCP、Arlon、Rogers、Taconic等等板材。模塑化合物是晶圆级扇出式封装（FOWLP）工艺中再造晶圆的必用材料。三星公司设计

谷歌采用嵌入式晶圆级封装（eWLB)工艺实现的芯片天线W.Hong,K.Baek,andA.Goudelev.GridAssembly-Free60-GHzAntennaModuleEmbeddedinFR-4TransceiverCarrierBoard.IEEE_AP,2013,61(4):1573-1580.三、毫米波有源相控阵天线技术7、监测与校准技术三、毫米波有源相控阵天线技术7、监测与校准技术PAGE39PAGE39目的：对有源相控阵天线进行故障判断、定位、性能评估等保障和维护，保证其在整个生命周期内的性能特性、可靠性和可维修性。内监测主要通过内嵌传输线网络（辐射单元和TR之间进行耦合，从而实现信号注入。外监测主要通过外置辅助天线单元来实现信号的注入。低于外监测系统。小，通常在20~30dB之间；外监测的辅助天线与每个阵起伏较大，一般都大于40dB。性能监测和故障隔离系统(PM/FIC)-内监测法（BIT）PM/FIC系统的工作原理：在传输中，发射机输出一系列有选择性的重复脉冲频率（PRF）的脉冲通过横向传输馈道、一个TR转换开关和一个纵向馈道到TR模块。TR模块的输出通过则与辐射模块耦合到传输线，并按照路径通过一个TR转换开关和接收耦合器到达接收器。为了将测试部位与其它部位隔离，用测试模块的移相器将连续相邻脉冲的相位均转换180度（相位切换技术），用中心频率为PRF/2的滤波器即可筛选出相位切换部位的输出结果，同时也可精确计算出测试部位的RF幅度和相位。若输出结果与预期结果匹配，则天线各部位工作状态良好。如果输出结果与预先存储的正常工作数据失配，则可则判定该部位出现故障，并标记出故障单元。通过标记所有被测故障单元可以构造出一张故障监测图，进而执行故障隔离。K.M.Lee,R.S.Chu,andS.C.Liu,“Abuilt-inperformancemonitoring/faultisolationandcorrection(PM/FIC)systemforactivephasedarrayantennas,”IEEETransactionsonAntennasandPropagation,Vol.41,No.11,pp.1530-1540,1993.天线阵面天线阵面NTR电源分发N1子阵低频接插件热容校接收校发射/N2路接收1路（）低频信号线N3 天线+馈线+内校准 第一层：天线第二层：馈线+内校准 第三层：二级内校准某些项目中，为了提高系统可靠性和简化设计，通常只对输入的电压/电流进行监测，来判断相控阵是否正常工作，缺点是不能定位具体是哪个模块或具体通道出了故障。三、毫米波有源相控阵天线技术2、结构功能一体化技术三、毫米波有源相控阵天线技术2、结构功能一体化技术PAGE42PAGE42结构功能一体化天线是电路与结构的融合结构功能一体化天线是电路与结构的融合协同设计，是多学科、多物理场共同作用的结果。1、瓦式技术与AIP技术的延伸2、分成2级实现，即功能层级和设备级1、瓦式技术与AIP技术的延伸2、分成2级实现，即功能层级和设备级射频功能层控制与信号处理功能层封装功能层内涵：将天线阵面、收发电路、馈电、热控等独立组件高度集成并一体化成型的，可与武器平台结构高度融合，并直接承载环境载荷的一类新型天线。收发收发收发收发收发收发收发收发收发收发收发收发收发收发收发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路移相器驱动芯片 并/串转换芯片驱动芯片 串/并转换芯片功率分配合成网络DC电源波束控制（并/串转换芯片）RF输入/输出天线阵面承载透波天线罩天线多功能TR组件馈电网络—体化高低频互联IF信道(ADC/DAC)控制电路(DBF)电源技术优势基本思想 设计方案射频功能层（天线阵面、TR功分网络、热控集成为一体）射频功能层（天线阵面、TR功分网络、热控集成为一体）85％88％1）尺寸:124mm×124mm×23mm2）体积：127.2cm33）重量：0.380kg1）尺寸:120mm×83.8mm×117.3mm2）体积:1176.6cm33）重量：3.2kg结构功能一体化相控阵天线Ka频段有源相控阵天线频段范围：Ka频段（29.5GHz-31GHz）物理结构：片状结构组成：隐身天线罩、天线阵面、RF电路、馈电网络、微流道散热频段范围：Ka频段（29.5GHz-31GHz）物理结构：片状结构组成：隐身天线罩、天线阵面、RF电路、馈电网络、微流道散热、波束控制、供电电源几何尺寸：171mm×127mm×26mm重量：425g频率范围：29.5GHz-31GHz物理结构：片状结构组成：天线阵面、校准网络、RF电路、微流道散热几何尺寸：263mm×170mm×21mm重量：863g中国电科十所频率范围：29.5GHz-31GHz物理结构：片状结构组成：天线阵面、校准网络、RF电路、微流道散热几何尺寸：263mm×170mm×21mm重量：863g德国航天研发中心三、毫米波有源相控阵天线技术3、智能蒙皮天线技术三、毫米波有源相控阵天线技术3、智能蒙皮天线技术PAGE46PAGE461987美空军提出的体系构架2002蒙皮天线设想美国的骨节变形飞机诺.1987美空军提出的体系构架2002蒙皮天线设想美国的骨节变形飞机诺.格LOBSTARsensorcraft内涵：内涵：所谓“蒙皮”是指将传统的天馈系统相对分离的结构、电磁独立组件高度集成融合幵一体化成型的、可与武器平台共形幵直接承载环境载荷的一类共形承载天线。所谓“智能”是突出的天线的自适应，能够根据外界的电磁环境感知，产生所需要的辐射/散射特性。特点：特点：实现天馈系统结构与芯片组件、天馈系统与飞行器结构的两个融合。提出的体系架构：终端设备波控计算单元元单可重构馈电网络监测健康TR电路控制与功能维护单元可重构天线阵列（传感、驱动