Современные тенденции развития фазированных антенных решеток



В данной статье анализируются и изучаются характеристики, текущее состояние и тенденции развития фазированных антенных решеток. Строятся основные концепции и проблемы развития, основанные на прогнозах развития интегральных схем.

Ключевые слова: фазированные антенные решетки, перспективы развития, микроэлектромеханические системы.

Технология фазированных антенных решеток (ФАР) на текущий момент является основным направлением развития радиолокации. В свою очередь, активные фазированные антенные решетки (АФАР) являются следующим шагом, позволяющим осуществлять электронное управление лучом без механического поворота антенны. Кроме этого, АФАР позволяет формировать одновременно несколько лучей и более надежна в эксплуатации: даже отказ одного приемо-передающего элемента лишь искажает диаграмму направленности антенны, не выводя ее полностью из строя. Высокая эффективность антенны позволяет ей получать преимущества как при передаче, так и при приеме, что является приоритетным параметром для радаров; большая площадь апертуры антенны является основным требованием для радаров; относительно небольшой суммарный вес также является значимым преимуществом.

В целом, рабочие параметры микроволнового радара с высоким разрешением тесно связаны с частотными характеристиками, характеристиками полосы пропускания и поляризационными характеристиками АФАР [1]. Чтобы повысить эффективность антенны и уменьшить размер антенной решетки, используется технология многодиапазонных и многополяризационных антенн с общей апертурой; чтобы смягчить конфликт между высоким разрешением и широкой полосой наблюдения, используется многоканальная технология для увеличения ширины полосы наблюдения. Реализация соапертурных и многоканальных антенн с высокой эффективностью, низким профилем и малым весом значительно усложняет исследование АФАР и требует компромисса, анализа и оптимизации на уровне архитектуры антенной системы, а также теоретических и проектных подходов.

Сейчас АФАР является высокотехнологичным продуктом, сочетающим в себе теорию ФАР, технологии полупроводников и оптоэлектроники, например, модули приема/передачи и модули усиления и задержки в антенных решетках. АФАР состоит из тысяч приемо-передающих модулей, каждый из которых состоит из усилителя в передающем канале и малошумящего усилителя в приемном канале, а также фазовращателя [2]. Развитие технологий, таких как микроволновых монолитных интегральных схем (МИС), микроэлектромеханических систем (МЭМС) обеспечивает высокую производительность, надежность и низкий уровень шума. Так, например, технология интегральных схем при переходе от МИС к системам на кристалле (СНК) и системам в упаковке (СВУ) [3] внесла большой вклад в развитие АФАР.

Высокое разрешение, многополосность, и многоплатформенность являются важными направлениями развития радаров с синтезированной апертурой, а технология АФАР имеет значительные преимущества в формировании изображений высокого разрешения и многорежимной реализации. Использование АФАР позволило значительно улучшить ширину полосы наблюдения в режиме и точность наведения луча в режиме. Гибкое, безынерционное и быстрое сканирование позволяют радару достичь точной компенсации движения и обеспечить получение сигнала с высоким разрешением, тем самым улучшая качество радиолокационного изображения. Также АФАР, благодаря высокой эффективности синтеза луча, имеет высокий коэффициент усиления и низкий уровень подзатворной способности, что способствует увеличению общей излучаемой мощности антенны, поскольку амплитудой и фазой каждого излучающего блока антенны можно управлять независимо. Это может быть использовано для достижения адаптивного подзатворного обнуления антенны и подавления помех, а также способствует рациональному использованию энергии излучения, улучшению дистанции самообороны радара против помех. Целью повышения помехоустойчивости радара является уменьшение влияния помех. Для повышения помехоустойчивости обычно используются такие методы, как увеличение эффективной мощности радара, антенны с низким или сверхнизким поддиапазоном, сигналы с большой полосой пропускания по времени и двух/многолучевые радарные системы, которые необходимы для повышения помехоустойчивости радара к электронным помехам.

С повышением требований к характеристикам радара и ухудшением условий эксплуатации состав радарной системы становится все более сложным, цикл разработки удлиняется, стоимость разработки и производства увеличивается, а технический риск возрастает. Для решения этой проблемы также можно использовать АФАР. В них может использоваться большое количество одинаковых стандартных модулей (например, модули приемо-передачи, модули усиления с временной задержкой и т. д.), что облегчает стандартизацию и модулизацию радаров и снижает производственные затраты.

Действительно, технология АФАР — это технология, которая даст микроволновым радарам «новую жизнь», но все еще остается много сложных проблем, которые необходимо решить, таких как широкий профиль антенны, низкая эффективность и большой вес, что, безусловно, ограничит развитие нового поколения микроволновых радаров. С непрерывным развитием технологии интегральных схем в соответствии с законом Мура, микроэлектроника, оптоэлектроника, МЭМС и другие основные технологические возможности были быстро развиты, но темпы дальнейшего развития до наноразмерной интеграции все больше сдерживаются существующими технологиями и их стоимостью; разработка АФАР нуждается в новых решениях, чтобы удовлетворить спрос на антенны с большой апертурой, высокой эффективностью, низким профилем и легким весом для микроволновых радаров [4]. При этом требуется глубокая интеграция и слияние технологий системной архитектуры с микро- и наноэлектроникой, поскольку АФАР является многодисциплинарной и передовой развивающейся технологией.

Развитие технологии АФАР продолжает способствовать миниатюризации, интеграции и низкому энергопотреблению систем связи, радаров, персональной бытовой электроники и других систем. Традиционная активная антенная решетка представляет собой кирпичную структуру, которая состоит из пассивной антенной решетки, различных функциональных модулей и пассивной антенны, интегрированных вместе. В ответ на требования к миниатюризации, многофункциональности, высокой производительности, низкому энергопотреблению и низкой стоимости нового поколения информационных систем, а также с развитием и стимулированием полупроводниковой технологии и передового процесса упаковки, появились новые антенны на кристалле (АНК), антенны в упаковке (АВУ) и другие новые антенны. АНК и АВУ являются частью концепций СНК и СВУ соответственно. В дополнение к этим формам антенн появились также черепичные антенны.

АНК — это антенна на кристалле, основанная на кремниевом процессе, где антенна интегрирована с другими схемами на том же кристалле с использованием полупроводниковых материалов и процессов [5]. Технология АНК может улучшить производительность и функциональность антенн при более низкой стоимости системы, но оптимизировать производительность каждого типа схемы сложно из-за использования одних и тех же материалов и процессов, что, в свою очередь, затрудняет оптимизацию производительности антенной системы. В то же время, из-за низкого удельного сопротивления и высокой диэлектрической проницаемости кремниевых пластин, большая часть энергии при излучении антенны концентрируется в кремниевой подложке, что приводит к низкой эффективности излучения и коэффициенту усиления. Коэффициент усиления обычных антенн на кристалле с кремниевым технологическим процессом обычно меньше, чем 5 дБи, а эффективность излучения составляет всего 5 % или менее [6]. Микрообработка, искусственные магнитные проводники и диэлектрические линзы используются для улучшения коэффициента усиления или эффективности излучения антенны, в той или иной степени.

АВУ — это интеграция антенн в упаковку, содержащую кристалл, с помощью упаковочных материалов и процессов. Она наследует и развивает концепцию интеграции микрополосковой антенны, многочипового модуля схемы и структуры плиточной фазированной антенной решетки. По сравнению с АНК, АВУ объединяет несколько устройств и схем в одном корпусе, выполняя сложные функции и специфическую упаковку на уровне системы, чего трудно достичь с антеннами на кристалле, эффективно избегая потери усиления, вызванные низким удельным сопротивлением полупроводниковых подложек. Эффективность излучения антенны обычно достигает более 80 % [7].

В будущем границы АФАР будут размываться, антенна будет интегрировать в себя все больше активных и пассивных схем, но логические границы будут становиться все более четкими, интеграция является неизбежным результатом. По мере развития науки и технологии активные антенные решетки будут развиваться в направлении интеграции, цифровизации и многофункциональной интеграции [8], что окажет глубокое влияние на все аспекты радиолокации и космических исследований.

Литература:

1. Lu J G. Design Technology of Synthetic Aperture Radar. Hoboken: Wlley, 2019.
2. Wang W, Lu J G, Zhang H T, et al. A brief review of SAR antenna development in China. In: Proceedings of IEEE International Conference on Radar, Guangzhou, 2016.
3. Lu J G. Design Technology of Synthetic Aperture Radar. Beijing: National Defense Industry Press, 2017.
4. Lu J G, Wang W, Lu X P, et al. Three matching problems in waveguide slot antenna research. Radar Sci Technol, 2012, 18.
5. Zhang Y P, Sun M, Guo L H. On-Chip Antennas for 60-GHz Radios in Silicon Technology. IEEE Trans Electron Devices, 2005, 52
6. Kang K, Lin F, Pham D D. A 60-GHz OOK Receiver With an On-Chip Antenna in 90 nm CMOS. IEEE J Solid-State Circuits, 2010, 45
7. Shen T M, Kao T Y J, Huang T Y. Antenna Design of 60-GHz Micro-Radar System-In-Package for Noncontact Vital Sign Detection. Antennas Wirel Propag Lett, 2012, 11
8. Lu J G, Wu M Q. Active phased array antenna based on DDS. In: Proceedings of IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, 2003.