從薩德看相控陣?yán)走_(dá)TR前端

?2月7日中國(guó)除夕,朝鮮發(fā)射遠(yuǎn)程火箭。幾個(gè)小時(shí)后,韓國(guó)宣布將與美國(guó)磋商在朝鮮半島部署末端高空防御體系統(tǒng)(THAAD,簡(jiǎn)稱(chēng)薩德)。2月12日,中國(guó)外長(zhǎng)王毅在慕尼黑接受路透社采訪表示,中國(guó)對(duì)美國(guó)有可能在韓部署“薩德”反導(dǎo)系統(tǒng)的動(dòng)向表示嚴(yán)重關(guān)切,中國(guó)堅(jiān)決反對(duì)任何國(guó)家借用半島核問(wèn)題侵害中國(guó)的正當(dāng)權(quán)益。

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

THAAD是美國(guó)彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,目的是保衛(wèi)美國(guó)部隊(duì)、同盟部隊(duì)、人口密集地區(qū)和重要基礎(chǔ)設(shè)施不受短程、中程彈道導(dǎo)彈的襲擊。THAAD具備利用可靠的碰撞擊毀(動(dòng)能)殺傷力和在大氣層內(nèi)外摧毀威脅的獨(dú)特能力。THAAD可有效防御所有類(lèi)型的彈道導(dǎo)彈彈頭,特別是攜帶有大規(guī)模殺傷性武器(化學(xué)、核或生物)的彈頭。THAAD具備強(qiáng)勁的火力和火控性能,專(zhuān)為抵御大規(guī)模襲擊而研制。THAAD可與其他導(dǎo)彈防御系統(tǒng)組件共同運(yùn)作,與“愛(ài)國(guó)者”P(pán)AC-3型導(dǎo)彈、“宙斯盾”彈道導(dǎo)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(shí)現(xiàn)防空和導(dǎo)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(zhǎng)6.17米,最大彈徑0.37米,起飛重量900公斤,最大速度可達(dá)2500米/秒,由助推器、動(dòng)能攔截器(KKV)及整流罩組成。動(dòng)能攔截器由姿控、軌控發(fā)動(dòng)機(jī)組合提供直接控制力,采用側(cè)窗探測(cè)紅外凝視成像尋的末制導(dǎo),能夠識(shí)別、鎖定并直接碰撞摧毀彈道導(dǎo)彈彈頭。這一導(dǎo)彈防御系統(tǒng)對(duì)亞太地區(qū)尤其對(duì)中國(guó)勢(shì)必帶來(lái)諸多麻煩。

  
但大家認(rèn)為薩德系統(tǒng)對(duì)中國(guó)最大的威脅并非是攔截導(dǎo)彈,而是其二核心組件雷達(dá)系統(tǒng)。AN/TPY-2 X波段相控陣?yán)走_(dá),是世界上性能最強(qiáng)的陸基機(jī)動(dòng)反導(dǎo)探測(cè)雷達(dá)之一,其天線面積9.2平米,T/R單元25344個(gè),平均發(fā)射功率81千瓦,接近伯克級(jí)驅(qū)逐艦AN/TPY-1雷達(dá)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(dá)就可完成探測(cè)、搜索、跟蹤和目標(biāo)識(shí)別等多項(xiàng)任務(wù),其探測(cè)距離超過(guò)2000公里。

AN/TPY-2能有如此威力,其射頻前端芯片組功不可沒(méi)。

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

圖1是一個(gè)典型的X-波段雷達(dá)相控陣天線元框圖。它的發(fā)送部分包括一個(gè)專(zhuān)門(mén)為脈沖雷達(dá)設(shè)計(jì)的,輸出為10W的功率放大級(jí)(XP1006)。輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)(XP1014)是一個(gè)1W的微波單片集成電路,它被設(shè)計(jì)用來(lái)驅(qū)動(dòng)XP1006完成發(fā)送鏈路。相控陣元的接收端提供一個(gè)低噪聲放大/限幅MMIC,它具有卓越的噪聲系數(shù)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(shù),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(shù)成本更低,而這種工藝與六英寸晶元面積結(jié)合可以為用戶(hù)提供高可重復(fù)性,低成本MMIC芯片組解決方案。

所有Mimix公司的沖模產(chǎn)品都進(jìn)行了表面鈍化處理,這種處理起到了保護(hù)作用并提供了帶背面通孔的粗糙部件,便于進(jìn)行傳導(dǎo)環(huán)氧或共晶焊模連接處理。公司的大部分產(chǎn)品都符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)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(gè)8.5到11.0GHz 10W三級(jí)功率放大器,該放大器大信號(hào)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(shí)功率添加效率為30%(見(jiàn)圖3)。

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

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(duì)XP1006進(jìn)行了熱成像(見(jiàn)圖4)。與用模型進(jìn)行熱阻抗預(yù)測(cè)不同,這種成像儀使Mimix能夠測(cè)量MMIC上所有器件的信道溫度,由此得到一個(gè)更準(zhǔn)確的熱阻值。只要熱阻計(jì)算出來(lái),可靠性信息例如平均故障發(fā)生時(shí)間(MTTF)和單位時(shí)間內(nèi)故障(FIT)的就可以計(jì)算出來(lái),并能得到更準(zhǔn)確的安全工作最佳基本溫度。公司的網(wǎng)站上有更詳細(xì)的使用說(shuō)明描述XP1006的應(yīng)用。

激勵(lì)放大器

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

衰減器

如圖7所示,器件XA1000為一個(gè)DC-18GHz,5比特?cái)?shù)字衰減器。此器件擁有27dB衰減范圍(見(jiàn)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(diǎn)(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(gè)滿(mǎn)足LVCMOS 規(guī)范的二進(jìn)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(cè)。

移相器

如圖10所示,MMIC XS1000是一個(gè)7到13 GHz的6位移相器。器件LSB為5.625°(見(jiàn)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(jiàn)圖12)小于3°。器件工作電壓為7.5V,擁有6個(gè)控制輸入端。所有器件提供了100%的晶片RF、DC檢測(cè)和相位比特性能檢測(cè)。

低噪聲放大器/限幅器

最后我們來(lái)看相控陣元的限幅低噪聲放大器的功能。因?yàn)槔走_(dá)的前端容易被高輸入功率發(fā)射機(jī)損傷,低噪聲放大器需要多種措施保護(hù)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(yīng)用的最佳選擇。限幅器為前端噪聲系數(shù)提供了最小的衰減,但當(dāng)LNA需要保護(hù)時(shí)也能夠同時(shí)提供足夠等級(jí)的輸入發(fā)送功率保護(hù),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(shí)間已經(jīng)接近十年,隨著以GaN為代表的射頻半導(dǎo)體技術(shù)和以DBF為代表的新的信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用,當(dāng)前的雷達(dá)系統(tǒng)和電子對(duì)抗系統(tǒng)的能力和當(dāng)年已不可同日而語(yǔ)。只有在這些關(guān)鍵能力上多下功夫,后發(fā)先至,我們說(shuō)起那句“干擾不了算我輸”或許才能更有底氣。