从萨德看相控阵雷达TR前端

➤2月7日中国除夕,朝鲜发射远程火箭。几个小时后,韩国宣布将与美国磋商在朝鲜半岛部署末端高空防御体系统(THAAD,简称萨德)。2月12日,中国外长王毅在慕尼黑接受路透社采访表示,中国对美国有可能在韩部署“萨德”反导系统的动向表示严重关切,中国坚决反对任何国家借用半岛核问题侵害中国的正当权益。

事情就在除夕之夜悄然发生,萨德究竟是何方神圣,导致事件一直发酵至今?

THAAD是美国弹道导弹防御系统的关键组成部分,目的是保卫美国部队、同盟部队、人口密集地区和重要基础设施不受短程、中程弹道导弹的袭击。THAAD具备利用可靠的碰撞击毁(动能)杀伤力和在大气层内外摧毁威胁的独特能力。THAAD可有效防御所有类型的弹道导弹弹头,特别是携带有大规模杀伤性武器(化学、核或生物)的弹头。THAAD具备强劲的火力和火控性能,专为抵御大规模袭击而研制。THAAD可与其他导弹防御系统组件共同运作,与“爱国者”PAC-3型导弹、“宙斯盾”弹道导弹防御系统、前沿配置的传感器以及C2BMC(指挥、控制、作战管理和通信系统)配合使用,实现防空和导弹防御性能集成最大化。

“萨德”系统(THAAD)有两套核心组件,其一是拦截弹,长6.17米,最大弹径0.37米,起飞重量900公斤,最大速度可达2500米/秒,由助推器、动能拦截器(KKV)及整流罩组成。动能拦截器由姿控、轨控发动机组合提供直接控制力,采用侧窗探测红外凝视成像寻的末制导,能够识别、锁定并直接碰撞摧毁弹道导弹弹头。这一导弹防御系统对亚太地区尤其对中国势必带来诸多麻烦。

  
但大家认为萨德系统对中国最大的威胁并非是拦截导弹,而是其二核心组件雷达系统。AN/TPY-2 X波段相控阵雷达,是世界上性能最强的陆基机动反导探测雷达之一,其天线面积9.2平米,T/R单元25344个,平均发射功率81千瓦,接近伯克级驱逐舰AN/TPY-1雷达的一倍半。AN/TPY-2的X波段有源多功能相控阵体制,一部雷达就可完成探测、搜索、跟踪和目标识别等多项任务,其探测距离超过2000公里。

AN/TPY-2能有如此威力,其射频前端芯片组功不可没。

AN/TPY-2的射频前端芯片组来自于Mimix Broadband公司,那么其性能究竟如何呢?我们从Mimix Broadband公开的一款射频前端芯片组可以一窥端倪。

图1是一个典型的X-波段雷达相控阵天线元框图。它的发送部分包括一个专门为脉冲雷达设计的,输出为10W的功率放大级(XP1006)。输出驱动级(XP1014)是一个1W的微波单片集成电路,它被设计用来驱动XP1006完成发送链路。相控阵元的接收端提供一个低噪声放大/限幅MMIC,它具有卓越的噪声系数和高超的功率限制能力。最后,要完成相控阵元控制链路,有宽带衰减器(XA1000)和移相MMIC器件(XS1000)可供使用。

X-波段MMIC芯片组采用Mimix Broadband公司的6英寸0.5 μm的砷化镓伪形态高电子迁移率晶体管(PHEMT)器件模型技术,并利用光闸印刷保证高可重用性和一致性。利用0.5μm工艺可以使用于器件淀积的光印刷技术成本更低,而这种工艺与六英寸晶元面积结合可以为用户提供高可重复性,低成本MMIC芯片组解决方案。

所有Mimix公司的冲模产品都进行了表面钝化处理,这种处理起到了保护作用并提供了带背面通孔的粗糙部件,便于进行传导环氧或共晶焊模连接处理。公司的大部分产品都符合RoHS标准的表面贴装,兼容大量焊装。.法兰瓷和表面贴装放大器都可以提供优良的射频性能和热性能。

功率放大器XP1006,如图2所示,是一个8.5到11.0GHz 10W三级功率放大器,该放大器大信号增益为21dB,能够提供极好的输入/输出回波损耗。饱和输出功

率为+40 dBm时功率添加效率为30%(见图3)。

这种器件不仅包括片上偏置电路只需用户提供一个-5V的偏置输入,还提供了附加的栅偏置输入进行分离式栅偏置控制。所有设备提供了100%的晶片RF、DC检测和输出功率性能检测。

位于休斯敦的公司研究室使用热成像仪器在不同偏置条件下对XP1006进行了热成像(见图4)。与用模型进行热阻抗预测不同,这种成像仪使Mimix能够测量MMIC上所有器件的信道温度,由此得到一个更准确的热阻值。只要热阻计算出来,可靠性信息例如平均故障发生时间(MTTF)和单位时间内故障(FIT)的就可以计算出来,并能得到更准确的安全工作最佳基本温度。公司的网站上有更详细的使用说明描述XP1006的应用。

激励放大器

如图5所示,XP1014 MMIC是一个8.5至11.0GHz,1W二级功率放大器,小信号增益为18dB。其饱和输出功率为+31dBm时的PAE为35%(见图6)。这种器件包括片上偏置电路使用户只需提供一个-5V的偏置输入。与前面的功率放大器类似,这些器件提供了100%的晶片RF、DC和输出功率性能检测。

衰减器

如图7所示,器件XA1000为一个DC-18GHz,5比特数字衰减器。此器件拥有27dB衰减范围(见图8),插入损耗5.5 dB。在各种状态下其输入输出回波损耗性能优良,输入的1dB 压缩点(P1dB)为 +24 dBm。如图9所示,其衰减误差小于1dB,相位误差小于20°。器件工作电压-7.5V ,5个满足LVCMOS 规范的二进制输入端口。这些器件提供了100%的晶片RF、DC和输出功率性能检测。

移相器

如图10所示,MMIC XS1000是一个7到13 GHz的6位移相器。器件LSB为5.625°(见图11),插入损耗为6.5 dB。在各种状态下它的输入输出回波损耗性能优秀,输入P1dB为 +25dBm。衰减误差小于1dB,RMS相位误差(见图12)小于3°。器件工作电压为7.5V,拥有6个控制输入端。所有器件提供了100%的晶片RF、DC检测和相位比特性能检测。

低噪声放大器/限幅器

最后我们来看相控阵元的限幅低噪声放大器的功能。因为雷达的前端容易被高输入功率发射机损伤,低噪声放大器需要多种措施保护其较低电平的输入器件免受损伤。虽然存在很多备选措施,但通常低损耗限幅器是这一应用的最佳选择。限幅器为前端噪声系数提供了最小的衰减,但当LNA需要保护时也能够同时提供足够等级的输入发送功率保护,因此限幅器能够提供低插入损耗解决方案。

这款芯片的发布时间已经接近十年,随着以GaN为代表的射频半导体技术和以DBF为代表的新的信号处理技术的进一步发展和应用,当前的雷达系统和电子对抗系统的能力和当年已不可同日而语。只有在这些关键能力上多下功夫,后发先至,我们说起那句“干扰不了算我输”或许才能更有底气。