利用集成射频模块提升 X 波段 AESA 雷达性能并降低 SWaP

近年来，空中威胁在迅速演变。无人机、低成本导弹和类似系统体积小、造价低，足以实现大规模部署，推动了市场对具有更远探测距离、更高目标辨别能力以及更小尺寸、重量和功耗 (SWaP) 的平台的需求。

X 波段有源电子扫描阵列 (AESA) 雷达是满足这些要求的核心技术。X 波段的工作频率为 8 至 12 吉赫兹 (GHz)，短波长使其非常适合通过小孔径天线分辨小型目标；更与电子波束扫描高度契合，无需依赖任何移动部件即可跟踪多个目标。

难点在于，高度集成的 AESA 架构必须在有限的阵列空间内，为每个阵元或阵元组容纳发射/接收电路，因此紧凑性比以往任何时候都更为重要。此外，设计人员仍然会面临传统的权衡取舍，例如功率与灵敏度之间的取舍。

为了满足这些需求，设计人员需要复杂的的射频 (RF) 组件，且这些组件应基于 Qorvo X 波段雷达解决方案中采用的技术（图 1）。这些产品仅是 Qorvo 广泛的国防和航空航天技术产品组合中的一部分，此外还包括 S 波段雷达、电子战以及其他射频和微波应用。

图 1：X 波段雷达需要基于现代技术的复杂射频解决方案，其中一些解决方案在图中以蓝色标出。（图片来源：Qorvo）

X 波段雷达的集成前端

Qorvo 前端模块 (FEM) 封装紧凑小巧，集成了多种射频功能。在 QPF5012 模块中，功率放大器 (PA) 和发射/接收 (T/R) 开关采用碳化硅上氮化镓 (GaN-on-SiC)，而限幅器和低噪声放大器 (LNA) 则采用砷化镓 (GaAs)，针对每个功能模块进行了技术优化。将多颗裸片封装在一起还可以减少分立元件的数量，从而改善 SWaP 性能，简化射频布局和匹配。

QPF5012 采用 QFN 封装，尺寸为 7 × 5 毫米 (mm)，可在 8.5 至 10.5 GHz 频率范围内提供 10 瓦的饱和发射功率。该模块在各种负载条件下保持稳定的性能，因此适用于相控阵系统。

从历史上看，在 FEM 选型时需要在输出功率、主功率和灵敏度之间进行权衡取舍。QPF5012 在脉冲工作模式下，可以 1 毫瓦 (dBm) 为参考的 20 分贝输入功率实现 40% 的典型功率附加效率 (PAE)（图 2），且接收噪声系数为 2.1 分贝 (dB)，接收增益为 23 dB，从而有效地解决了这种权衡问题。低噪声系数有助于提高接收灵敏度，而高 PAE 则有助于降低一次电源功率和热负荷。

图 2：在规定的温度条件下，QPF5012 在 8.5 至 10.5 GHz 的工作频率范围内可保持较高的功率附加效率 (PAE)。（图片来源：Qorvo）

X 波段频率转换面临着自身的挑战。

另一类常见设计挑战源自射频到中频的变换。在现代 X 波段雷达典型的高密度板卡上，本振 (LO) 泄漏会产生不必要的响应，而镜像抑制不足会导致镜像频率信号与所需的信号出现在同一中频 (IF) 上。

Qorvo 的双平衡混频器 (DBM) 和同相/正交 (I/Q) 混频器具有出色的本振至射频隔离性能和低变频损耗，有效地解决了这个问题。全系列产品兼具镜像抑制与单边带两种架构，同时简化了外围电路的布线与滤波设计。

CMD183C4 就是一个很好的例子。这款 7.5 至 13 GHz I/Q 混频器可配置为镜像抑制混频器或单边带上变频器，其内部集成了两个双平衡混频器单元和一个 90° 混合电桥，而完整的镜像抑制功能则需要外接一个中频混合电桥。这款单片微波集成电路 (MMIC) 采用紧凑的 3.9 × 3.9 mm、24 引脚表面贴装封装。相比传统上用于实现这些功能的混合集成电路组件，这是一种体积更小的替代方案。

CMD183C4 的主要特点包括低变频损耗、高隔离度以及在整个 X 波段 20 dB 或更好的镜像抑制，且温度漂移极小（图 3）。这些特性可实现干净的频率变换，同时保留目标鉴别所需的信息。

图 3：CMD183C4 在 X 波段可提供 20 dB 或更优的镜像抑制性能，且温度漂移极小。（图片来源：Qorvo）

用于下一代 X 波段雷达设计的评估板

如果你想利用最新的 X 波段技术，可以通过 Qorvo 丰富的评估板产品线来探索各种可能性。CMD183C4-EVB 便是一款典型产品（图 4）。该评估板将 CMD183C4 安装在印刷电路板 (PCB) 上，板上配有四个 SMA 型端接式连接器，以及用于连接顶层和底层接地平面的过孔。

图 4：CMD183C4-EVB 将 CMD183C4 与四个端接式 SMA 连接器集成在一块电路板上。（图片来源：Qorvo）

采用 SMA 端接式连接器体现了对设计细节的精心考量。传统直角型 PCB 连接器会迫使信号走线弯折 90°，而端接式连接器与板上走线直接对齐，有助于最大限度地减少信号反射。

结语

空中威胁的快速演变，推动了对高性能 X 波段雷达系统的需求，这类系统需要高效地完成开发与部署。Qorvo 丰富的国防与航空航天解决方案产品组合，可提升性能、优化 SWaP 性能（尺寸、重量和功耗）以及简化射频集成，有助于设计人员满足上述需求。