從薩德看相控陣雷達TR前端

?2月7日中國除夕,朝鮮發(fā)射遠程火箭。幾個小時后,韓國宣布將與美國磋商在朝鮮半島部署末端高空防御體系統(tǒng)(THAAD,簡稱薩德)。2月12日,中國外長王毅在慕尼黑接受路透社采訪表示,中國對美國有可能在韓部署“薩德”反導系統(tǒng)的動向表示嚴重關切,中國堅決反對任何國家借用半島核問題侵害中國的正當權益。

事情就在除夕之夜悄然發(fā)生,薩德究竟是何方神圣,導致事件一直發(fā)酵至今?

THAAD是美國彈道導彈防御系統(tǒng)的關鍵組成部分,目的是保衛(wèi)美國部隊、同盟部隊、人口密集地區(qū)和重要基礎設施不受短程、中程彈道導彈的襲擊。THAAD具備利用可靠的碰撞擊毀(動能)殺傷力和在大氣層內外摧毀威脅的獨特能力。THAAD可有效防御所有類型的彈道導彈彈頭,特別是攜帶有大規(guī)模殺傷性武器(化學、核或生物)的彈頭。THAAD具備強勁的火力和火控性能,專為抵御大規(guī)模襲擊而研制。THAAD可與其他導彈防御系統(tǒng)組件共同運作,與“愛國者”PAC-3型導彈、“宙斯盾”彈道導彈防御系統(tǒng)、前沿配置的傳感器以及C2BMC(指揮、控制、作戰(zhàn)管理和通信系統(tǒng))配合使用,實現(xiàn)防空和導彈防御性能集成最大化。

“薩德”系統(tǒng)(THAAD)有兩套核心組件,其一是攔截彈,長6.17米,最大彈徑0.37米,起飛重量900公斤,最大速度可達2500米/秒,由助推器、動能攔截器(KKV)及整流罩組成。動能攔截器由姿控、軌控發(fā)動機組合提供直接控制力,采用側窗探測紅外凝視成像尋的末制導,能夠識別、鎖定并直接碰撞摧毀彈道導彈彈頭。這一導彈防御系統(tǒng)對亞太地區(qū)尤其對中國勢必帶來諸多麻煩。

  
但大家認為薩德系統(tǒng)對中國最大的威脅并非是攔截導彈,而是其二核心組件雷達系統(tǒng)。AN/TPY-2 X波段相控陣雷達,是世界上性能最強的陸基機動反導探測雷達之一,其天線面積9.2平米,T/R單元25344個,平均發(fā)射功率81千瓦,接近伯克級驅逐艦AN/TPY-1雷達的一倍半。AN/TPY-2的X波段有源多功能相控陣體制,一部雷達就可完成探測、搜索、跟蹤和目標識別等多項任務,其探測距離超過2000公里。

AN/TPY-2能有如此威力,其射頻前端芯片組功不可沒。

AN/TPY-2的射頻前端芯片組來自于Mimix Broadband公司,那么其性能究竟如何呢?我們從Mimix Broadband公開的一款射頻前端芯片組可以一窺端倪。

圖1是一個典型的X-波段雷達相控陣天線元框圖。它的發(fā)送部分包括一個專門為脈沖雷達設計的,輸出為10W的功率放大級(XP1006)。輸出驅動級(XP1014)是一個1W的微波單片集成電路,它被設計用來驅動XP1006完成發(fā)送鏈路。相控陣元的接收端提供一個低噪聲放大/限幅MMIC,它具有卓越的噪聲系數和高超的功率限制能力。最后,要完成相控陣元控制鏈路,有寬帶衰減器(XA1000)和移相MMIC器件(XS1000)可供使用。

X-波段MMIC芯片組采用Mimix Broadband公司的6英寸0.5 μm的砷化鎵偽形態(tài)高電子遷移率晶體管(PHEMT)器件模型技術,并利用光閘印刷保證高可重用性和一致性。利用0.5μm工藝可以使用于器件淀積的光印刷技術成本更低,而這種工藝與六英寸晶元面積結合可以為用戶提供高可重復性,低成本MMIC芯片組解決方案。

所有Mimix公司的沖模產品都進行了表面鈍化處理,這種處理起到了保護作用并提供了帶背面通孔的粗糙部件,便于進行傳導環(huán)氧或共晶焊模連接處理。公司的大部分產品都符合RoHS標準的表面貼裝,兼容大量焊裝。.法蘭瓷和表面貼裝放大器都可以提供優(yōu)良的射頻性能和熱性能。

功率放大器XP1006,如圖2所示,是一個8.5到11.0GHz 10W三級功率放大器,該放大器大信號增益為21dB,能夠提供極好的輸入/輸出回波損耗。飽和輸出功

率為+40 dBm時功率添加效率為30%(見圖3)。

這種器件不僅包括片上偏置電路只需用戶提供一個-5V的偏置輸入,還提供了附加的柵偏置輸入進行分離式柵偏置控制。所有設備提供了100%的晶片RF、DC檢測和輸出功率性能檢測。

位于休斯敦的公司研究室使用熱成像儀器在不同偏置條件下對XP1006進行了熱成像(見圖4)。與用模型進行熱阻抗預測不同,這種成像儀使Mimix能夠測量MMIC上所有器件的信道溫度,由此得到一個更準確的熱阻值。只要熱阻計算出來,可靠性信息例如平均故障發(fā)生時間(MTTF)和單位時間內故障(FIT)的就可以計算出來,并能得到更準確的安全工作最佳基本溫度。公司的網站上有更詳細的使用說明描述XP1006的應用。

激勵放大器

如圖5所示,XP1014 MMIC是一個8.5至11.0GHz,1W二級功率放大器,小信號增益為18dB。其飽和輸出功率為+31dBm時的PAE為35%(見圖6)。這種器件包括片上偏置電路使用戶只需提供一個-5V的偏置輸入。與前面的功率放大器類似,這些器件提供了100%的晶片RF、DC和輸出功率性能檢測。

衰減器

如圖7所示,器件XA1000為一個DC-18GHz,5比特數字衰減器。此器件擁有27dB衰減范圍(見圖8),插入損耗5.5 dB。在各種狀態(tài)下其輸入輸出回波損耗性能優(yōu)良,輸入的1dB 壓縮點(P1dB)為 +24 dBm。如圖9所示,其衰減誤差小于1dB,相位誤差小于20°。器件工作電壓-7.5V ,5個滿足LVCMOS 規(guī)范的二進制輸入端口。這些器件提供了100%的晶片RF、DC和輸出功率性能檢測。

移相器

如圖10所示,MMIC XS1000是一個7到13 GHz的6位移相器。器件LSB為5.625°(見圖11),插入損耗為6.5 dB。在各種狀態(tài)下它的輸入輸出回波損耗性能優(yōu)秀,輸入P1dB為 +25dBm。衰減誤差小于1dB,RMS相位誤差(見圖12)小于3°。器件工作電壓為7.5V,擁有6個控制輸入端。所有器件提供了100%的晶片RF、DC檢測和相位比特性能檢測。

低噪聲放大器/限幅器

最后我們來看相控陣元的限幅低噪聲放大器的功能。因為雷達的前端容易被高輸入功率發(fā)射機損傷,低噪聲放大器需要多種措施保護其較低電平的輸入器件免受損傷。雖然存在很多備選措施,但通常低損耗限幅器是這一應用的最佳選擇。限幅器為前端噪聲系數提供了最小的衰減,但當LNA需要保護時也能夠同時提供足夠等級的輸入發(fā)送功率保護,因此限幅器能夠提供低插入損耗解決方案。

這款芯片的發(fā)布時間已經接近十年,隨著以GaN為代表的射頻半導體技術和以DBF為代表的新的信號處理技術的進一步發(fā)展和應用,當前的雷達系統(tǒng)和電子對抗系統(tǒng)的能力和當年已不可同日而語。只有在這些關鍵能力上多下功夫,后發(fā)先至,我們說起那句“干擾不了算我輸”或許才能更有底氣。