相控阵雷达系统是国家电子防御战略的重要手段。从扫描远程发射导弹的大型舰载系统到安装在战斗机和无人机（UAV）上的更紧凑的阵列，电子相控阵雷达有多种尺寸和形式，提供可靠的信号检测和识别。与早期的雷达系统相比，这些现代系统具有许多优点，这些雷达系统依靠天线的物理运动来引导雷达波束以寻找目标。这种早期的方法肯定是经过验证和可靠的，已经在军事平台和商业航空中使用了70多年，但它的扫描速率受到天线机械运动的限制。相反，相控阵雷达系统使用具有移相器的许多等间隔天线元件，每个元件贡献少量电磁（EM）辐射以形成更大的光束。随着每个天线元件的相位被移位和对准，雷达波束的方向改变，并且随着每个元件的振幅变化，远场响应的模式被整形为期望的响应。因此，可以在不需要机械旋转天线的情况下操纵整个雷达天线波束。现在可以通过模拟或数字控制执行的波束形成可以以极高的速度进行，仅受电子元件的切换速度的限制。随着每个天线元件的相位被移位和对准，雷达波束的方向改变，并且随着每个元件的振幅变化，远场响应的模式被整形为期望的响应。因此，可以在不需要机械旋转天线的情况下操纵整个雷达天线波束。现在可以通过模拟或数字控制执行的波束形成可以以极高的速度进行，仅受电子元件的切换速度的限制。随着每个天线元件的相位被移位和对准，雷达波束的方向改变，并且随着每个元件的振幅变化，远场响应的模式被整形为期望的响应。因此，可以在不需要机械旋转天线的情况下操纵整个雷达天线波束。现在可以通过模拟或数字控制执行的波束形成可以以极高的速度进行，仅受电子元件的切换速度的限制。

从历史上看，相控阵雷达系统的成本和重量都很大。随着无人机和无人驾驶地面车辆（UGV）的爆炸性增长成为防御武器库的关键要素，在这些重量敏感系统中对更轻的相控阵雷达系统的需求将继续增长。此外，越来越多地使用这种雷达用于非军事应用，例如美国国家气象局（密苏里州斯普林菲尔德）的龙卷风探测，正在帮助推动对低成本系统的需求。幸运的是，借助现代RF /微波集成电路（IC）和单片微波集成电路（MMIC）技术，可以满足对相控阵雷达系统不断增长的需求。

相控阵优势和缺点
相控阵雷达系统的好处远远超过它们的限制，因此它们在许多军用电子系统和平台中的使用越来越多。由于相控阵中的波束控制可以以毫秒和更快的速度执行，因此信号可以非常快速地从一个目标跳到下一个目标，而频率捷变可以用于快速搜索扇区中的目标。相控阵天线波束的覆盖范围通常限制在120度。方位角和仰角扇形。虽然这种响应是相控阵的已知限制，但机械扫描雷达系统在可用于天线运动的物理区域中也存在限制。妨碍在许多应用中采用相控阵雷达系统的重要因素仍然是尺寸，重量，功率和成本（SWAP-C）。旨在最大限度地减少这四个属性的努力代表了一项重大的技术挑战，直到最近这一挑战似乎是一个相当艰巨的障碍。毕竟，相控阵雷达非常复杂，甚至在这方面也在增长，因为目标识别变得更加困难。如何实现SWAP-C减少？


相控阵雷达系统（图1）由大量（通常是数千个）发射/接收（T / R）模块构成，这使得阵列能够用作发射器和接收器。这些模块最初采用分立式混合元件设计，如放大器，滤波器，混频器，移相器和开关，现在更常用高频IC或MMIC技术制造。这种向IC技术的转换在减少SWAP-C方面提供了巨大的好处，但到目前为止，简单地更换组件只能让设计人员受益。在任何相控阵雷达系统中获得额外的SWaP-C优势还需要了解如何最好地将可用的IC和MMIC技术应用于系统（图2）。事实上，尺寸，重量的关键特征，

技术水平的分析首先涉及半导体材料的选择。现代商业半导体代工厂通常提供许多不同的材料技术，但其中的选择并不总是直截了当。高频T / R模块中的元件通常包括用于发送目的的高功率放大器（HPA），用于接收目的的低噪声放大器（LNA），用于信号转换的混频器和振荡器（频率上变频和下变频），以及衰减器，滤波器，以及用于信号调节的开关。为所有这些功能制造MMIC可能需要不止一种半导体技术。例如，基于碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）衬底的工艺将优于系统的更高功率部分，例如发射功能，

系统和电路级别的分析应紧密相连，因为系统只能与其组件的总和一样好。不幸的是，绝大多数IC和MMIC电路供应商没有充分考虑任何特定系统，而是选择创建可用于广泛应用的通用组件。这种方法虽然在IC和MMIC开发方面具有成本效益，但在降低SWaP-C方面并不总是最佳的，因为这些组件不能轻易地定制用于相控阵系统。

具有前瞻性思维的MMIC供应商，如Custom MMIC，致力于将技术，系统和电路分析相结合的方法，以创建解决相控阵系统中SWaP-C挑战的组件。在技术层面，他们与几乎所有的全球商用III-V半导体代工厂合作，并对一些最新工艺（包括光学pHEMT和高频GaN）有深入了解。在系统层面，他们与众多相控阵设计人员进行了接触，并亲自了解昨天的组件如何阻碍下一代低成本，低重量，高性能系统的开发。在电路级，

例如，他们关注重点发展的一个地方是传输HPA，这是几乎每个应用程序都需要的通用组件。在微波和毫米波频率下，发射放大器通常由耗尽模式pHEMT工艺制造，这是一种高效且成熟的技术。然而，耗尽模式pHEMT并非没有缺点，最值得注意的是需要负栅极电压和测序程序以确保在漏极电压之前施加栅极电压，以免FET器件遭受不可挽回的损害。就其本质而言，HPA的负电压和排序电路在复杂性，电路板空间和额外组件的成本方面是昂贵的。在相控阵中，尤其是具有数千个元素的阵列，这样的HPA对整个系统造成巨大压力，并为SWaP-C的减少提供了重大障碍。因此，作为美国陆军小企业创新研究基金（SBIR）的一部分，他们针对X波段相控阵系统的发射部分攻击了这个问题。他们没有利用耗尽模式pHEMT，而是转向HPA的增强模式pHEMT，这种技术通常被降级到其他应用，如高速逻辑电路或开关。在增强模式中，pHEMT通常是关闭的，直到向栅极施加正电压。不再需要负电压，也不再需要电压定序器，因为可以先施加控制或漏极电压; 放大器在两者都存在之前不会打开。到底，他们能够用增强模式设计取代现有的耗尽模式PA，增益提高5 dB，功率提高1 dB，线性度提高2 dB，同时耗散25％的直流功率。就SWaP-C而言，增强型功率放大器的优势是巨大的，并为微波系统设计人员提供了重大突破。

他们考虑的第二个问题是X波段相控阵系统中的接收器LNA，作为单独SBIR合同的一部分。这里，它们还从耗尽模式切换到增强模式过程，从而消除了现有解决方案的负电压和定序器。它们的最终设计噪声系数降低了1 dB，增益提高了8 dB，直流功耗降低了8倍，现有耗尽型解决方案的单位成本降低了一半。然而，他们很快遇到了一个应用程序，它要求一对相对匹配良好的LNA，一个用于返回信号中的两个极化中的每一个。从他们的增强模式LNA开始，他们在一个MMIC芯片上创建了双版本，从而保证匹配对。他们还与他们的封装供应商合作开发了一种低成本的矩形QFN塑料封装，以最大限度地匹配最终的芯片尺寸。最终的结果是一个“标准”产品，它不是普通的，因为它结合了电路，系统和技术水平的创新，以提供对SWaP-C产生重大影响的组件。

展望未来，他们将继续开发相控阵雷达系统的组件，并同样挑战5G无线系统。利用其他技术，如高频GaN，以及多芯片模块中不同半导体器件的组合，他们希望在数字控制功能必须与更高频率功能集成时帮助设计人员。

“我们每天都在了解相控阵雷达和天线系统设计挑战，”Custom MMIC CSO，Charles Trantanella说。“我们的产品设计方法始终是倾听和反应，我们非常高兴能够不仅提供设计师所寻求的相位阵列系统的高频性能规格，而且还能提供诸如积极的事物的附加价值偏向和正增益斜率特性在他们寻求满足SWaP-C目标方面证明是非常宝贵的。“