从历史上看，国防和民用雷达基础设施的开发周期非常长，需要大量的时间、创新和资金投入。国防一直是推动雷达基础设施发展的主要力量，但它通常会在大幅提升雷达性能的同时增加系统的总成本。这些因素促成了从传统的机械控制雷达结构到有源电子扫描阵列(AESA或有源天线阵列)的转变，有源电子扫描阵列利用先进的多波束能力来支持时间和空间精度的巨大优势。AESA的多功能能力也很显著，其新的敏捷性可以在单个平台上集成完全不同的雷达系统(见图1)。
图1有源相控阵结构支持电子波束控制和多个雷达组合成一个系统。
AESA的这些工作特点决定了这项技术将取代传统的防御雷达系统，而AESA装置已经在这一领域得到了很好的应用。凭借在地面、海上和空中部署的能力，AESA技术大大加强了传感器的联网，增强了深入现代战场的态势感知能力。当应用于民用雷达架构时，AESA有潜力深刻影响市民人身安全和公共安全。单个多功能AESA雷达网不仅可以显著提高气象监测能力，还可以提高空中交通管制水平，为国家带来直接经济效益，支撑国防能力。使用AESA技术，气象学家可以更好地预测和评估一些严重的风暴，以挽救生命。AESA传感器还可以支持无人驾驶飞机和无人驾驶车辆融入主流社会的能力。这将从根本上改变交通和商业，从而带来社会变革。
然而，为了实现AESA从防御应用到民用和商用的成功过渡，仍有一些技术和经济问题需要解决。继续依赖传统的射频器件和繁琐的组装技术，结果之一是它阻碍了AESA的重要应用。为了看清这类研究的发展方向，弄清它的起源和目前的发展路线图是有益的。
1 R & ampd路线图
下一代有源天线技术可以追溯到20世纪60年代的项目研究。随着20世纪80年代GaAs单片微波集成电路(MMIC)技术的成熟，AESA的发展速度也加快了。国防高级研究计划局(DARAP)与MACOM和其他技术公司合作，开展微波/毫米波单片微波集成电路项目和微波模拟前端技术(MAFET)项目的研究。这些研究项目推动了先进的混合半导体技术从实验室研究飞跃到射频器件的商业化制造，并在该行业开发出了第一台几瓦的MMIC。这些半导体和封装技术的进一步发展，带来了第一批射频模块和器件在主流印刷电路板(PCB)技术和表面贴装技术中的应用。DARPA项目后这些研究活动的目标是开发具有更高输出功率、更高效率和更高工作频率的混合半导体。氮化镓(GaN)技术因其高工作频率(高达500 GHz)、高利润、一致性和可靠性而成为AESA的发展和投资重点。
DARPA 美国的商用时标阵列(ACT)项目始于2014年，旨在通过使用商业领域形成的最佳实践，缩短下一代雷达、电子战(EW)和通信系统的开发和制造周期。最终目标是实现数字互联相控阵的标准组件，从而构建更大的系统，不需要针对每个新的应用完全重新设计。以这种方式实现雷达系统有望缩短市场投放的时间和成本，这两者都是AESA在民用和商业应用中获得主流应用所必需的。
2板条阵列和瓦片阵列的比较
AESA的成本和生存能力取决于其电子设备的成本以及这些设备在阵列中的构建方式。影响最终系统成本的因素很多，包括T/R模块、射频电路板、线缆等。
T/R组件约占雷达相控阵成本的一半，其自身成本由MMIC类型、封装方式和组件基板决定。传统的雷达用T/R组件采用陶瓷材料作为基板，制造采用芯片细线装配过程。在芯片细线的组装中，MMIC芯片和其他集成电路需要额外的抛光工作。与商业系统中的塑料密封MMIC相比，这大大增加了费用。相控阵设计中的多层射频电路板和电缆几乎占据了剩余的全部成本(组装、测试和机制结构约占总成本的10%)。和T/R模块一样，阵列设计的基本架构会增加成本。
图2条形阵列
这里举例说明了大型相控阵的传统构建方法，也就是俗称的缝翼阵列结构，它有很多垂直于正面的缝翼(见图2)。该阵列有许多优点：它为连接T/R模块和支持电子设备提供了大的表面积。此外，这种高功率放大器的热负荷可以在很大的空间内分摊，即孔径面积和平板厚度的乘积。主要缺点是需要大量的射频板和线缆，通过安装和拆卸板条来传输射频、DC和控制信号，从而实现阵列的运行。这也增加了设计成本。
图3平铺阵列
另一种方法是瓦片结构，即阵列由平行于正面的层状结构组成，通过采用更简化的结构克服了这些缺陷(见图3)。天线和射频波束形成器集成在一块多层射频板上，T/R模块直接安装在电路板背面。这种方法的优点是大大减小了射频板的面积，大大减少了连接和线缆的数量。T/R组件的设计采用高成品率的商用微波封装制造技术，可以进一步降低成本。这种架构的T/R模块的MMIC采用工业标准的方形扁平无引线(QFN)封装，即QFN封装直接焊接在一块便宜的PCB上，然后PCB直接焊接在瓦片背面。布置在印刷电路板边缘的纯金属焊盘负责T/R模块和瓦片背面之间的RF和DC互连。
通过比较平板和瓦片阵列结构的单位面积相对发射功率和单位成本，可以看出在大功率和小功率输出的情况下，瓦片阵列的成本可以降低5倍以上。
3多功能雷达
MACOM与麻省理工学院(MIT)林肯实验室合作，优化瓦片阵列结构，验证了可以利用商业化制造获得成本效益。马科姆/林肯实验室美国多功能相控阵雷达(MPAR)项目由美国联邦航空管理局(FAA)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)赞助。其设计目标是下一代民用雷达，将八个独立的传统雷达功能集成到一个多功能平台中。第一代MPAR(见图4)使用可扩展平面阵列(SSAR)瓦阵列来探测和跟踪气象条件、飞机和空中目标。
图4 Macom和林肯实验室联合开发的翼梁瓷砖样品
虽然大多数传统雷达系统使用机械旋转和倾斜雷达的抛物面天线来扫描不同的空域，但SPAR tile雷达由数百到数千个固定平面阵列的T/R单元组成(空域的电子扫描)。如图5所示，MPAR的SPAR tile由前孔印刷电路板(APCB)组成，其中包含辐射单元、发射和接收波束形成网络、电源和逻辑分布。使用标准的工业制造工艺，这些T/R模块表面安装在APCB的背面。第二块PCB，即背板，包含DC电源、通用处理器和高级逻辑电路。它与APCB结合形成晶石瓦。两块PCB通过低成本高性能的连接器连接，通过简单的机械结构固定在一起，形成完整的阵列组装结构。
图5翼梁瓦结构
位于美国俄克拉荷马州的国家强风暴实验室(NSSL)正在通过天气观测对第一台MPAR样机进行验证。它也为开发后端结构和AESA数据驱动的天气建模算法提供了一个基础平台。该系统全面投入使用后，有助于提高飓风等恶劣天气的预测精度，支持重大风暴的预警等好处。对于联邦航空局来说，MPAR系统可以显著改善空中交通预警和国土防御监视。
近十年来，MACOM一直在推动晶石瓦技术的研究。从概念验证到第一个原型系统在实际终端应用环境中的部署，SPAR tiles的技术就绪性(TRL)和制造就绪性(MRL)都得到了提高。在首个原型系统研制成功的基础上，MACOM已经开始了第一阶段SPAR tiles的规模制造，为FAA/NOAA高级技术验证(ATD)提供了90多块tiles进行完整的系统验证。这首次确保了端到端制造流程中性能指标的有意义的逐步统计。MACOM已经制造并测试了6000多个T/R模块，结果如图6所示。
图6 ATD T/R组件的噪声系数分布。直方图接近平均噪声系数3.7 dB的正态分布。
AESA的机遇
随着用于空中交通管制和天气监测的传统民用雷达的衰落，以及政府支出的减少，一些重要的国防项目受到影响。发展具有高效费比的新型雷达系统的唯一途径是将创新的射频系统结构与商业化制造和加工相结合。
瓦AESA为新一代高性能敏捷雷达系统的发展奠定了基础。这些雷达系统建造速度快，性价比高，易于升级和改进，可广泛应用于国防、民用和商业领域。MPAR应用于瓦型阵列的设计和组装技术，可用于通信和感知两方面，支持有源天线的能力，适用于多个商用领域，价格低廉：空中互联网、5G技术、无人机感知与规避、汽车雷达等。
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