高级MMICS帮助在相控阵雷达系统中减少尺寸和功率

本博文首次由自定义MMIC发布谁加入了Qorvo家族2020年2月。定制MMIC以其一流的模具和包装组件而闻名，这增加了我们的功率放大器，以使多芯片模块用于广泛的防御，航空航天和商业应用。

相控阵雷达系统是国家电子防御策略中的重要仪器。从基于大型船舶的系统，扫描远端发射导弹到战斗机上安装的更紧凑的阵列（无人驾驶飞行器（无人机），电子相控阵雷达有多种尺寸和形式，提供可靠的信号检测和识别。这些现代系统提供了诸多优于早期雷达系统的优点，这些系统依赖于天线的物理运动以引导雷达光束以搜索目标。这种早期的方法肯定被证明和可靠，已在军用平台和商业航空中使用超过70年，但通过天线的机械运动扫描速率受到限制。相反，相位阵列雷达系统使用具有相移器的许多等间隔的天线元件，每个元件有助于少量电磁（EM）辐射以形成更大的梁。随着每个天线元件的相位偏移并对准，雷达梁的方向改变，并且随着每个元件的幅度变化，远场响应的图案成形为期望的响应。因此，可以在不需要机械旋转的天线的情况下转向整体雷达天线束。现在可以通过模拟或数字控制执行的光束形成可以以极高的速度进行，仅受电子元件的开关速度限制。

历史上，成本和重量的相位阵列雷达系统很大。随着无人机和无人机地面车辆（UGV）作为防御库的关键要素的爆炸性增长，对这些重量敏感系统中的较轻分阶段阵列雷达系统的需求将继续生长。此外，对非军事应用的这种雷达的使用增加，例如美国国家天气服务的龙卷风检测（Springfield，Mo）正在帮助推动对低成本系统的需求。幸运的是，可以在现代RF /微波集成电路（IC）和单片微波集成电路（MMIC）技术的帮助下满足放置在相控阵雷达系统上的这些不断增长的需求。

相控阵的福利和缺点

分阶段阵列雷达系统的好处远远超过了它们的局限性，从而占他们在许多军用电子系统和平台上使用的越来越多的贡献。由于分阶段阵列中的光束转向可以以毫秒且更快的速度执行，因此信号可以从一个目标跳跃到下一个很快，而频率敏捷性可用于在扇区上跨越目标搜索。相控阵天线束的覆盖范围通常限于120°。方位角和海拔部门。虽然该响应是相控阵列的已知限制，但是机械扫描的雷达系统在可用于天线运动的物理区域中也具有限制。妨碍在许多应用中采用相控阵雷达系统的重要因素继续是尺寸，重量，功率和成本（SWAP-C）。旨在最大限度地减少这四个属性的努力代表了一个重要的技术挑战，直到最近似乎似乎是一个相当强大的障碍。毕竟，随着目标识别变得更加困难，毕竟，逐渐复杂的阵列雷达是非常复杂的，甚至在这方面变得更加困难。如何完成Swap-C减少？

前进的新道路

图1：相控阵雷达系统

相控阵雷达系统（图1）由大量（通常数千个）的发送/接收（T / R）模块构成，其使阵列能够用作发射器和接收器。最初设计采用离散混合组件，如放大器，滤波器，混频器，相移器和开关，这些模块现在更常用于高频IC或MMIC技术。在Swap-C的减少方面，这种转换为IC技术提供了巨大的益处。但只需更换组件即可获得设计师。在任何相控阵雷达系统中获得额外的Swap-C优势也需要了解如何最适合最适合可用IC和MMIC技术的系统。实际上，通过分析电路，系统和技术水平的设计，通常可以最小化尺寸，重量和功耗的关键特性，可以通过分析设计。

技术水平的分析首先涉及可选择半导体材料。现代商业半导体铸造厂通常提供许多不同的材料技术，但其中的选择并不总是直截了当。高频T / R模块中的组件通常包括高功率放大器（HPA）用于传输目的，低噪声放大器（LNA）用于接收用于信号转换（频率上变频和下变频）的混频器和振荡器，以及用于信号调节的衰减器，滤波器和开关。为所有这些功能制造MMIC可能需要多个半导体技术。例如，基于碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）基板的过程将在诸如发射功能的系统的较高功率部分中Excel。虽然使用硅 - 锗（SiGe）或镓 - 砷（GaAs）材料的方法将在接收器功能中表现出较低的性能。

系统和电路电平的分析应紧密交织，因为系统仅与其组件的总和一样好。遗憾的是，绝大多数IC和MMIC电路供应商对任何特定的系统来说都没有足够的考虑，而是创建可以在宽范围应用程序上使用的通用组件。这种方法，而在IC和MMIC开发方面具有成本效益，在减少SWAP-C时并不总是最佳，因为这些组件不能容易地定制以用于分阶段阵列系统。

自定义MMIC等前进思维MMIC供应商已在组合技术，系统和电路分析的方法上工作，以创建解决相控阵系统中的Swap-C挑战的组件。在技​​术层面，他们已经使用了几乎所有世界的商业III-V半导体奖励，并且对其中一些最新过程具有亲密的知识，包括光学PHEMT和高频GAN。在系统级别，他们从事众多相控阵设计师，并且听到了昨天的组件如何阻碍下一代低成本，低重量，高性能系统的开发。在电路级别，它们在模具和打包形式中创建了一个广泛的知识产权（IP）组件，这些组件用作高级信号链设计和优化的起点。

作为一个例子，定制MMIC具有重大显影的一个地方是传输HPA，几乎每个应用程序所需的共同组件。在微波和毫米波频率下，发射放大器通常由耗尽模式PHEMT工艺制造，这是一种高效和成熟的技术。然而，耗尽模式PHEMT在没有其缺点的情况下，最特别地，对负栅极电压的需要和测序过程以确保在漏极电压之前施加栅极电压，以免FET器件遭受不可挽回的伤害。通过其非常性，HPA的负电压和测序电路在复杂性，板空间和额外部件的成本方面都是昂贵的。在分阶段阵列中，特别是具有数千元的元素，这种HPA的整个系统对系统的巨大压力奠定了巨大的压力，并为Swap-C的减少提供了显着的障碍。

因此，作为来自美国军队的小型企业创新研究补助金（SBIR）的一部分，自定义MMIC攻击了X场相控阵系统的发射部分的这个问题。它们转向HPA的增强模式PHEMT而不是利用耗尽模式PHEMT，而是经常被降级到其他应用的技术，例如高速逻辑电路或开关。在增强模式中，PHEMT通常关闭，直到向栅极施加正电压。不再需要负电压。也不是电压定序器，因为可以首先应用控制或漏极电压。放大器不会打开，直到存在两者。最后，用增强模式设计替换现有的耗尽模式PA，提供5 dB的增益，1 dB更多的功率，以及2 dB改进的线性度 - 全部耗散25％的直流电源。就Swap-C而言，增强模式PAS的益处是巨大的，并且对于微波系统设计人员提供了重大突破。

考虑的第二个问题是X波段相控阵系统中的接收器LNA，作为单独的SBIR合同的一部分。这里，自定义MMIC也从耗尽模式切换到增强模式过程，从而消除了现有解决方案的负电压和排序器。由此产生的设计具有1 dB较低的噪声系数，增益为8 dB，DC功率降低八倍，并且现有耗尽模式解决方案的单位成本的一半。然而，它们很快遇到了一个用于一对相对良好匹配的LNA的应用程序，一个用于返回信号中的两个偏振中的每一个。从增强模式LNA开始，它们在一个MMIC模具上创建了一个双重版本，从而保证匹配对。他们还与他们的包装供应商合作，开发出低成本的矩形QFN塑料包，以最佳匹配所产生的芯片尺寸。最终结果是一个“标准”产品，除了普通的产品，因为它在电路，系统和技术水平上结合了创新，以提供对Swap-C产生重大影响的组件。

向前移动，自定义MMIC正在继续开发分阶段阵列雷达系统的组件和类似挑战的5G无线系统。使用诸如高频GaN等的其他技术以及多芯片模块中的不同半导体器件的组合，他们希望在数字控制功能与较高频率函数集成时，帮助设计人员。

“我们正在学习更多关于校平阵列雷达和天线系统设计挑战的日常学习，”Charles Trantanella Charles Trantanella定制MMIC CSO说。“Our product design approach has always been to listen and react, and we’re very pleased to have been able to not only deliver the high frequency performance specifications phased array system designers were looking for, but also the added value of things like positive bias and positive gain slope characteristics that are proving invaluable in their quest to meet SWaP-C objectives.”

要了解更多信息，请下载Tech简介：使用正偏置PHEMT MMIC简化放大器偏置