用于下一代相控陣雷達和通信的射頻互連

為主動電子掃描陣列（AESA）、5G和戰(zhàn)術(shù)通信開發(fā)的相控陣雷達和通信系統(tǒng)正在遵循更高頻率操作和物理致密化的趨勢。隨著單個相控陣天線系統(tǒng)中天線元件、發(fā)射/接收模塊、天線處理器和其他模擬/混合/數(shù)字波束成形模塊數(shù)量的增加，出現(xiàn)了額外的RF互連設(shè)計考慮因素。這些新設(shè)計涉及安裝更多的RF連接器和電纜組件，這些連接器和電纜組件還容納了支持模擬，數(shù)字和RF電路的更多集成PCB。還必須考慮減小RF互連的尺寸、重量、成本和安裝復(fù)雜性。

本文旨在教育使用相控陣雷達天線系統(tǒng)的工程師和行業(yè)專業(yè)人士，以及有助于緩解與構(gòu)建下一代相控陣雷達相關(guān)的挑戰(zhàn)的新設(shè)計考慮因素和解決方案。

相控陣雷達趨勢

相控陣天線以及隨后的雷達和通信系統(tǒng)受益于電磁物理學，因為優(yōu)化的RF結(jié)構(gòu)的尺寸與其工作頻率成反比。這意味著為更高頻率制造的天線比用于低頻應(yīng)用的天線更小，更緊湊。對于相控陣天線等多元件天線，這意味著增加工作頻率會對這些系統(tǒng)的尺寸、重量、成本甚至功率產(chǎn)生巨大影響。

射頻損耗和衰減

然而，需要注意的是，各種損耗，如RF損耗和大氣衰減，在較高頻率下也更大。這些額外的損耗可以通過在相控陣雷達中添加額外的天線元件來補償。此外，結(jié)合有源相位和幅度控制，使操作員或算法能夠精確控制相控陣天線的天線方向圖。對于AESA雷達，干擾器和戰(zhàn)術(shù)通信，這種能力對于避免傷害敏感接收器或更有效地控制波束模式以瞄準敵方雷達或友軍通信至關(guān)重要。這種能力催生了各種主動控制天線技術(shù)，允許低攔截概率/低探測概率（LPI/LPD）。

毫米波相控陣天線

此外，在較高頻率下，天線的波束寬度變得更窄，從而增強了可比但頻率較低的多元件天線的方向性。這些因素引起了人們的興趣，人們開始對將毫米波（mmWave）相控陣天線用于雷達、干擾器、戰(zhàn)術(shù)通信和即將推出的毫米波5G通信。雖然毫米波天線的緊湊特性從尺寸、重量、功率和成本（SWAP-C）的角度來看變得很有吸引力，但整體天線尺寸的減小以及天線元件的急劇增加意味著相關(guān)的RF互連也必須包含在這些縮小尺寸的模塊中。高密度射頻互連仍能滿足嚴格的 MIL-SPEC 耐用性要求，對于在日益多樣化的發(fā)射/接收 （TR） 模塊、天線處理單元 （APU）、混合波束成形電路和/或模擬波束成形組件之間提供互連是必要的。

滿足這些新型相控陣天線系統(tǒng)的SWAP-C要求的高質(zhì)量射頻互連在原型設(shè)計、測試和生產(chǎn)階段至關(guān)重要，也是已部署相控陣系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。隨著毫米波 5G 的預(yù)期用例擴展到工業(yè)、汽車和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，軍事/航空航天市場使用的許多相同的加固和可靠性要求很可能會擴展到毫米波 5G。

相控陣雷達信號鏈

基本相控陣天線由射頻互連、衰減器/放大器、移相器和天線元件組成。在這種基本情況下，需要RF互連來連接發(fā)射器、接收器、環(huán)行器/隔離器/開關(guān)、衰減器/放大器、移相器和天線元件。另一種拓撲（變得越來越普遍）是使用TR模塊，它將發(fā)射器功率放大器（PA）和接收器低噪聲放大器（LNA）放置在一個模塊中，然后通過相同的RF路徑連接到從移相器到天線元件的開關(guān)/環(huán)行器。TR模塊用于實現(xiàn)集成和模塊化的優(yōu)勢，進一步減小天線的整體尺寸。這種方法往往需要比基本相控陣天線更小的間距和更高密度的RF互連，因為使用更大的RF互連抵消了毫米波減小元件尺寸的許多尺寸和重量優(yōu)勢。

這種集成的下一個級別是使用混合或數(shù)字波束成形相控陣天線拓撲，允許使用更緊湊的組件，例如片上系統(tǒng) （SoC）、系統(tǒng)級封裝 （SiP）、集成射頻前端模塊、APU ASIC 和其他類型的緊湊型組件、模塊或 IC?；旌喜ㄊ尚魏蛿?shù)字波束成形可實現(xiàn)更緊湊的相控陣天線，并且可以在調(diào)制電路和RF電路之間采用高速數(shù)字通信而不是RF通信。在這些情況下，需要更窄間距和更高密度的RF互連，以在調(diào)制解調(diào)器的高速通信總線和波束成形電子設(shè)備之間提供連接。

盡管干擾器和一些低頻雷達由于此類系統(tǒng)的功率要求而需要更大尺寸的RF組件和互連，但戰(zhàn)術(shù)通信和毫米波5G通信都可能繼續(xù)達到更高的集成度和致密化水平。對此的需求源于減少SWAP-C參數(shù)和能夠部署大量毫米波基站，否則，如果通信系統(tǒng)的SWAP-C參數(shù)與雷達和干擾器系統(tǒng)相當，這些基站將受到限制。

毫米波相控陣天線系統(tǒng)的致密化還考慮了這種系統(tǒng)對外部和內(nèi)部干擾的敏感性，特別是考慮到通信系統(tǒng)中不可避免的高速數(shù)據(jù)線和大量低功耗毫米波射頻互連。同軸電纜組件和互連在提供屏蔽通信方面非常出色，可將插入損耗和衰減降至最低。這一概念也適用于高度復(fù)雜的雷達，它使用許多與現(xiàn)代通信相同的調(diào)制技術(shù)（擴頻）。因此，從堅固耐用的SMA電纜組件到緊湊的超微型聯(lián)動連接器模塊，對各種高密度RF互連技術(shù)的需求將不斷增長。

即使集成度更高，高速數(shù)字信號和輸出到天線元件仍然需要RF互連，盡管互連可能需要更密集。

相控陣天線的射頻互連設(shè)計注意事項

盡管雷達、干擾、戰(zhàn)術(shù)通信和毫米波 5G 通信具有非常不同的最終目標和部署場景，但許多射頻互連考慮因素是相同的。以下部分專門討論毫米波相控陣天線系統(tǒng)的主要設(shè)計考慮因素，并包括特定于應(yīng)用的詳細信息和示例。

相位穩(wěn)定性和相位匹配同軸電纜組件

相控陣天線的優(yōu)勢在于能夠精確控制天線輸出端RF信號的相位。只有當信號相位在整個相控陣天線系統(tǒng)信號鏈中穩(wěn)定且可預(yù)測時，這才有可能。該領(lǐng)域有兩個主要的射頻互連考慮因素。一個是通過同軸電纜的信號的相位穩(wěn)定性，基于沖擊、振動、彎曲、翹曲、溫度等環(huán)境因素。使用“相位穩(wěn)定”同軸電纜有助于確保將環(huán)境影響降至最低。

另一個考慮因素是所用同軸電纜之間的相位匹配。同軸電纜生產(chǎn)過程可能會引入系統(tǒng)相位誤差，導致即使相同長度的同軸電纜在相位響應(yīng)中也表現(xiàn)出差異。因此，使用相位匹配同軸電纜（即具有極其相似的相位響應(yīng)的電纜）有助于消除RF互連相位差異的擔憂，并提高相控陣天線系統(tǒng)的可預(yù)測性和性能。

機械堅固的連接

軍事/航空航天制造商需要使用 MIL-SPEC 同軸電纜、連接器和組件，這些電纜、連接器和組件必須滿足耐用性和可靠性的最低標準。這些標準包括對沖擊、振動、熱循環(huán)和環(huán)境因素損壞的彈性。特別是對于在毫米波頻率下工作的高靈敏度相控陣天線系統(tǒng)，機械可靠性對于所有關(guān)鍵任務(wù)RF通信、雷達和干擾都至關(guān)重要。即使是輕微的機械力，如果允許影響相控陣天線系統(tǒng)，也會降低整體系統(tǒng)性能，產(chǎn)生難以識別的瞬態(tài)故障，或以其他方式使系統(tǒng)無法運行。

其中許多高可靠性（Hi-Rel）標準也與汽車和航空標準重疊，這也可能會影響即將到來的毫米波5G通信考慮因素。因此，對于工業(yè)自動化、汽車和航空等關(guān)鍵應(yīng)用，即將推出的 5G 系統(tǒng)可能還需要采用 Hi-Rel 同軸互連或其他符合可靠性要求的同軸互連。

毫米波相控陣連接器和電纜

最近的戰(zhàn)術(shù)通信和毫米波5G通信正在研究使用遠高于18 GHz的頻率。在這些頻率下，由于電磁波穿過同軸結(jié)構(gòu)的方式，常見的射頻同軸互連（如N型，普通SMA，SMB等）不再可行。因此，這些感興趣的新頻率需要物理上更小的連接器，例如2.92mm，2.4mm，1.85mm，高頻SMA，SMP和SMPM，例如Cinch的Johnson?。同樣的概念也適用于同軸電纜，因為同軸傳輸線的尺寸也決定了可以保持橫向電磁（TEM）模式的上限頻率。相反，同軸連接器和電纜的尺寸也會影響同軸電纜組件的路徑損耗、功率處理和機械強度。先進的材料和制造方法可用于減輕在毫米波頻率下運行的較小同軸傳輸線的一些負面性能影響。

跨頻率的約翰遜?連接器產(chǎn)品

扁平和小間距互連

毫米波同軸連接器更小的物理尺寸可實現(xiàn)更高頻率的操作和更高密度的互連。較大的同軸連接器需要螺紋體以實現(xiàn)良好的機械/電氣接觸，而較小的連接器可以從滑入式/卡入式接口中受益。這一因素消除了為螺母擰緊工具（如扭矩扳手）保持額外節(jié)距的需要，并允許更快速地組裝/拆卸和故障排除。盲插連接器還有助于減少軸向和徑向未對準問題，這在緊湊和密集互連場景中很常見。此外，這些類型的連接器還可以集成到多連接器或聯(lián)動配置中，允許同時對多個連接器進行盲插連接，例如 Cinch's Johnson? 的 SMP、聯(lián)動 4 端口 SMP 和 SMPM 解決方案。這些聯(lián)動連接器可以大大減少幾個類似連接器的整體間距，簡化組裝，降低BOM復(fù)雜性，甚至用于板對板互連。

高密度板對板和元件對板互連

許多原型和未來的相控陣天線系統(tǒng)正在利用更高的集成度，這需要使用PCB和表面貼裝元件。使用PCB代替連接器組件限制了相控陣天線模塊上用于連接器的空間量，因此需要能夠更小間距的同軸連接器、表面貼裝連接器、成組連接器，甚至是高密度夾層式和堆疊式連接器。對于板對板和組件對板互連，端部發(fā)射或表面貼裝RF連接器可實現(xiàn)更緊密的電路板和元件間距，并減少與不必要的互連長度相關(guān)的RF路徑損耗。

雖然在許多情況下焊接末端發(fā)射或表面貼裝RF連接器是可以接受的，但在某些情況下，這在邏輯上是困難的（或不可能的）。在極高密度互連（常見于高速數(shù)字和復(fù)雜的混合/數(shù)字波束成形天線系統(tǒng)）中，必須考慮數(shù)百（甚至數(shù)千）個焊接點可能會導致制造和質(zhì)量挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的RF板安裝和組件互連需要焊接或焊接粘合。

幸運的是，有無焊接表面貼裝連接器，它們使用壓縮力為板對板和組件對板連接建立可靠而牢固的機械和電氣連接。例如，Cinch 的 CIN：：APSE? 堆疊連接器可用于剛性到柔性或剛性到剛性夾層堆疊 PCB 配置，具有多個到數(shù)十個觸點。這種類型的互連可用于代替多個單獨的連接器，可以減少射頻路徑、干擾、互連故障模式和安裝故障模式，同時提高整體可靠性并簡化測試夾具。

供應(yīng)挑戰(zhàn)

在許多情況下，為相控陣天線系統(tǒng)采購射頻互連可能需要數(shù)百家供應(yīng)商和周轉(zhuǎn)時間來跟蹤。對于軍事應(yīng)用以及汽車和工業(yè)應(yīng)用，采購射頻互連需要仔細考慮。在許多情況下，供應(yīng)商可能只提供幾個組件，但從該供應(yīng)商采購所需的工作量與為項目提供更多種類零件的供應(yīng)商一樣多。此外，作為MIL-SPEC的一部分，軍事/航空航天應(yīng)用需要一種特定的材料和零件采購方法，以強制執(zhí)行質(zhì)量控制功能以及材料和零件采購功能。因此，與熟悉軍事/航空航天客戶采購的供應(yīng)商合作，以及為即將推出的可能需要類似認證流程的5G毫米波汽車和工業(yè)系統(tǒng)提供幫助，可以使制造商受益。

下一代相控陣雷達和通信

毫米波AESA雷達、干擾器、戰(zhàn)術(shù)通信，甚至毫米波5G系統(tǒng)都可能依賴于高性能相控陣天線系統(tǒng)。這種類型的天線給已經(jīng)復(fù)雜的射頻和數(shù)字系統(tǒng)帶來了許多層次的復(fù)雜性，包括大量信號路徑和組件方面對射頻互連的大量增加。這些新應(yīng)用需要更小的間距，以及超越傳統(tǒng)螺紋同軸連接器的各種匹配式射頻互連。隨著軍事、航空航天、汽車、工業(yè)和消費類通信的不斷發(fā)展和頻率的增加，對創(chuàng)新射頻互連的需求也將隨之增加，尤其是隨著集成趨勢的加速以及數(shù)字、模擬和射頻設(shè)備之間的界限模糊。

審核編輯：郭婷