用于下一代相控阵雷达和通信的射频互连
为主动电子扫描阵列（AESA）、5G和战术通信开发的相控阵雷达和通信系统正在遵循更高频率操作和物理致密化的趋势。随着单个相控阵天线系统中天线元件、发射/接收模块、天线处理器和其他vwin /混合/数字波束成形模块数量的增加，出现了额外的RF互连设计考虑因素。这些新设计涉及安装更多的RF连接器和电缆组件，这些连接器和电缆组件还容纳了支持模拟，数字和RF电路的更多集成PCB。还必须考虑减小RF互连的尺寸、重量、成本和安装复杂性。
本文旨在教育使用相控阵雷达天线系统的工程师和行业专业人士，以及有助于缓解与构建下一代相控阵雷达相关的挑战的新设计考虑因素和解决方案。
相控阵雷达趋势
相控阵天线以及随后的雷达和通信系统受益于电磁物理学，因为优化的RF结构的尺寸与其工作频率成反比。这意味着为更高频率制造的天线比用于低频应用的天线更小，更紧凑。对于相控阵天线等多元件天线，这意味着增加工作频率会对这些系统的尺寸、重量、成本甚至功率产生巨大影响。
射频损耗和衰减
然而，需要注意的是，各种损耗，如RF损耗和大气衰减，在较高频率下也更大。这些额外的损耗可以通过在相控阵雷达中添加额外的天线元件来补偿。此外，结合有源相位和幅度控制，使操作员或算法能够精确控制相控阵天线的天线方向图。对于AESA雷达，干扰器和战术通信，这种能力对于避免伤害敏感接收器或更有效地控制波束模式以瞄准敌方雷达或友军通信至关重要。这种能力催生了各种主动控制天线技术，允许低拦截概率/低探测概率（LPI/LPD）。
毫米波相控阵天线
此外，在较高频率下，天线的波束宽度变得更窄，从而增强了可比但频率较低的多元件天线的方向性。这些因素引起了人们的兴趣，人们开始对将毫米波（mmWave）相控阵天线用于雷达、干扰器、战术通信和即将推出的毫米波5G通信。虽然毫米波天线的紧凑特性从尺寸、重量、功率和成本（SWAP-C）的角度来看变得很有吸引力，但整体天线尺寸的减小以及天线元件的急剧增加意味着相关的RF互连也必须包含在这些缩小尺寸的模块中。高密度射频互连仍能满足严格的 MIL-SPEC 耐用性要求，对于在日益多样化的发射/接收 （TR） 模块、天线处理单元 （APU）、混合波束成形电路和/或模拟波束成形组件之间提供互连是必要的。
满足这些新型相控阵天线系统的SWAP-C要求的高质量射频互连在原型设计、测试和生产阶段至关重要，也是已部署相控阵系统的关键组件。随着毫米波 5G 的预期用例扩展到工业、汽车和基础设施应用，军事/航空航天市场使用的许多相同的加固和可靠性要求很可能会扩展到毫米波 5G。
相控阵雷达信号链
基本相控阵天线由射频互连、衰减器/放大器、移相器和天线元件组成。在这种基本情况下，需要RF互连来连接发射器、接收器、环行器/隔离器/开关、衰减器/放大器、移相器和天线元件。另一种拓扑（变得越来越普遍）是使用TR模块，它将发射器功率放大器（PA）和接收器低噪声放大器（LNA）放置在一个模块中，然后通过相同的RF路径连接到从移相器到天线元件的开关/环行器。TR模块用于实现集成和模块化的优势，进一步减小天线的整体尺寸。这种方法往往需要比基本相控阵天线更小的间距和更高密度的RF互连，因为使用更大的RF互连抵消了毫米波减小元件尺寸的许多尺寸和重量优势。
这种集成的下一个级别是使用混合或数字波束成形相控阵天线拓扑，允许使用更紧凑的组件，例如片上系统 （SoC）、系统级封装 （SiP）、集成射频前端模块、APU ASIC 和其他类型的紧凑型组件、模块或 IC。混合波束成形和数字波束成形可实现更紧凑的相控阵天线，并且可以在调制电路和RF电路之间采用高速数字通信而不是RF通信。在这些情况下，需要更窄间距和更高密度的RF互连，以在调制解调器的高速通信总线和波束成形电子设备之间提供连接。
尽管干扰器和一些低频雷达由于此类系统的功率要求而需要更大尺寸的RF组件和互连，但战术通信和毫米波5G通信都可能继续达到更高的集成度和致密化水平。对此的需求源于减少SWAP-C参数和能够部署大量毫米波基站，否则，如果通信系统的SWAP-C参数与雷达和干扰器系统相当，这些基站将受到限制。
毫米波相控阵天线系统的致密化还考虑了这种系统对外部和内部干扰的敏感性，特别是考虑到通信系统中不可避免的高速数据线和大量低功耗毫米波射频互连。同轴电缆组件和互连在提供屏蔽通信方面非常出色，可将插入损耗和衰减降至最低。这一概念也适用于高度复杂的雷达，它使用许多与现代通信相同的调制技术（扩频）。因此，从坚固耐用的SMA电缆组件到紧凑的超微型联动连接器模块，对各种高密度RF互连技术的需求将不断增长。
即使集成度更高，高速数字信号和输出到天线元件仍然需要RF互连，尽管互连可能需要更密集。
相控阵天线的射频互连设计注意事项
尽管雷达、干扰、战术通信和毫米波 5G 通信具有非常不同的最终目标和部署场景，但许多射频互连考虑因素是相同的。以下部分专门讨论毫米波相控阵天线系统的主要设计考虑因素，并包括特定于应用的详细信息和示例。
相位稳定性和相位匹配同轴电缆组件
相控阵天线的优势在于能够精确控制天线输出端RF信号的相位。只有当信号相位在整个相控阵天线系统信号链中稳定且可预测时，这才有可能。该领域有两个主要的射频互连考虑因素。一个是通过同轴电缆的信号的相位稳定性，基于冲击、振动、弯曲、翘曲、温度等环境因素。使用“相位稳定”同轴电缆有助于确保将环境影响降至最低。
另一个考虑因素是所用同轴电缆之间的相位匹配。同轴电缆生产过程可能会引入系统相位误差，导致即使相同长度的同轴电缆在相位响应中也表现出差异。因此，使用相位匹配同轴电缆（即具有极其相似的相位响应的电缆）有助于消除RF互连相位差异的担忧，并提高相控阵天线系统的可预测性和性能。
机械坚固的连接
军事/航空航天制造商需要使用 MIL-SPEC 同轴电缆、连接器和组件，这些电缆、连接器和组件必须满足耐用性和可靠性的最低标准。这些标准包括对冲击、振动、热循环和环境因素损坏的弹性。特别是对于在毫米波频率下工作的高灵敏度相控阵天线系统，机械可靠性对于所有关键任务RF通信、雷达和干扰都至关重要。即使是轻微的机械力，如果允许影响相控阵天线系统，也会降低整体系统性能，产生难以识别的瞬态故障，或以其他方式使系统无法运行。
其中许多高可靠性（Hi-Rel）标准也与汽车和航空标准重叠，这也可能会影响即将到来的毫米波5G通信考虑因素。因此，对于工业自动化、汽车和航空等关键应用，即将推出的 5G 系统可能还需要采用 Hi-Rel 同轴互连或其他符合可靠性要求的同轴互连。
毫米波相控阵连接器和电缆
最近的战术通信和毫米波5G通信正在研究使用远高于18 GHz的频率。在这些频率下，由于电磁波穿过同轴结构的方式，常见的射频同轴互连（如N型，普通SMA，SMB等）不再可行。因此，这些感兴趣的新频率需要物理上更小的连接器，例如2.92mm，2.4mm，1.85mm，高频SMA，SMP和SMPM，例如Cinch的Johnson™。同样的概念也适用于同轴电缆，因为同轴传输线的尺寸也决定了可以保持横向电磁（TEM）模式的上限频率。相反，同轴连接器和电缆的尺寸也会影响同轴电缆组件的路径损耗、功率处理和机械强度。先进的材料和制造方法可用于减轻在毫米波频率下运行的较小同轴传输线的一些负面性能影响。
跨频率的约翰逊™连接器产品
| 连接器类型 | 频率范围 | 耦合 | 家庭 |
| 1.85 毫米* | 直流至 65 GHz | 螺纹 | 超微型 |
| SMPM / GPPO* | 直流至 65 GHz | 卡扣 - 盲人伴侣 | 微型 |
| 2.4 毫米 | 直流至 50 GHz | 螺纹 | 超微型 |
| 2.92 毫米/贴模* | 直流至 40 GHz | 螺纹 | 超微型 |
| SMA / GPO* | 直流至 40 GHz | 卡扣 - 盲人伴侣 | 微型 |
| SMA | 直流至 18 / 26.5 GHz | 螺纹 | 超微型 |
| KqiQMAte / QMA | 直流至 12.4 GHz | 卡扣式 | 超微型 |
| N型 | 直流至 11 GHz | 螺纹 | 标准 |
| 中马峨 | 直流至 10 GHz | 螺纹 | 超微型 |
| 单克星 | 直流至 6 GHz | 卡扣式 | 超微型 |
| MMCX | 直流至 6 GHz | 卡扣式 | 微型 |
| UMX / u.FL | 直流至 6 GHz | 卡入式 - 插入工具 | 超微型 |
| 中小企业 | 直流至 4 GHz | 卡扣式 | 超微型 |
| 中小企业 - 迷你 - 75 欧姆 | 直流至 2 GHz | 卡扣式 | 超微型 |
扁平和小间距互连
毫米波同轴连接器更小的物理尺寸可实现更高频率的操作和更高密度的互连。较大的同轴连接器需要螺纹体以实现良好的机械/电气接触，而较小的连接器可以从滑入式/卡入式接口中受益。这一因素消除了为螺母拧紧工具（如扭矩扳手）保持额外节距的需要，并允许更快速地组装/拆卸和故障排除。盲插连接器还有助于减少轴向和径向未对准问题，这在紧凑和密集互连场景中很常见。此外，这些类型的连接器还可以集成到多连接器或联动配置中，允许同时对多个连接器进行盲插连接，例如 Cinch's Johnson™ 的 SMP、联动 4 端口 SMP 和 SMPM 解决方案。这些联动连接器可以大大减少几个类似连接器的整体间距，简化组装，降低BOM复杂性，甚至用于板对板互连。
高密度板对板和元件对板互连
许多原型和未来的相控阵天线系统正在利用更高的集成度，这需要使用PCB和表面贴装元件。使用PCB代替连接器组件限制了相控阵天线模块上用于连接器的空间量，因此需要能够更小间距的同轴连接器、表面贴装连接器、成组连接器，甚至是高密度夹层式和堆叠式连接器。对于板对板和组件对板互连，端部发射或表面贴装RF连接器可实现更紧密的电路板和元件间距，并减少与不必要的互连长度相关的RF路径损耗。
虽然在许多情况下焊接末端发射或表面贴装RF连接器是可以接受的，但在某些情况下，这在逻辑上是困难的（或不可能的）。在极高密度互连（常见于高速数字和复杂的混合/数字波束成形天线系统）中，必须考虑数百（甚至数千）个焊接点可能会导致制造和质量挑战。传统的RF板安装和组件互连需要焊接或焊接粘合。
幸运的是，有无焊接表面贴装连接器，它们使用压缩力为板对板和组件对板连接建立可靠而牢固的机械和电气连接。例如，Cinch 的 CIN：：APSE® 堆叠连接器可用于刚性到柔性或刚性到刚性夹层堆叠 PCB 配置，具有多个到数十个触点。这种类型的互连可用于代替多个单独的连接器，可以减少射频路径、干扰、互连故障模式和安装故障模式，同时提高整体可靠性并简化测试夹具。
供应挑战
在许多情况下，为相控阵天线系统采购射频互连可能需要数百家供应商和周转时间来跟踪。对于军事应用以及汽车和工业应用，采购射频互连需要仔细考虑。在许多情况下，供应商可能只提供几个组件，但从该供应商采购所需的工作量与为项目提供更多种类零件的供应商一样多。此外，作为MIL-SPEC的一部分，军事/航空航天应用需要一种特定的材料和零件采购方法，以强制执行质量控制功能以及材料和零件采购功能。因此，与熟悉军事/航空航天客户采购的供应商合作，以及为即将推出的可能需要类似认证流程的5G毫米波汽车和工业系统提供帮助，可以使制造商受益。
下一代相控阵雷达和通信
毫米波AESA雷达、干扰器、战术通信，甚至毫米波5G系统都可能依赖于高性能相控阵天线系统。这种类型的天线给已经复杂的射频和数字系统带来了许多层次的复杂性，包括大量信号路径和组件方面对射频互连的大量增加。这些新应用需要更小的间距，以及超越传统螺纹同轴连接器的各种匹配式射频互连。随着军事、航空航天、汽车、工业和消费类通信的不断发展和频率的增加，对创新射频互连的需求也将随之增加，尤其是随着集成趋势的加速以及数字、模拟和射频设备之间的界限模糊。
审核编辑：郭婷
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