正在为主动电子扫描阵列 (AESA)、5G 和战术通信开发的最新相控阵雷达和通信系统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的天线元件、发射/接收模块、天线处理器和其他模拟/混合/数字波束成形模块数量的增加，需要考虑额外的射频互连设计要素。这些新设计涉及安装更多的射频连接器与电缆组件，这些连接器和电缆组件还容纳更多支持模拟、数字和射频电路的集成 PCB。还必须考虑减小射频互连的尺寸、重量、成本及安装复杂性。
本文旨在为使用雷达相控阵天线系统的工程师和行业专业人员提供培训，并提供新的设计考虑因素和解决方案，帮助解决与创建下一代相控阵雷达相关的问题。
相控阵雷达趋势
相控阵天线以及后续的雷达和通信系统受益于电磁物理学，原因是优化的射频结构的尺寸与其工作频率成反比。这意味着，较高频率用途的天线比较低频率用途的天线更小且更紧凑。对于诸如相控阵天线等多元件天线，这意味着提高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。
射频损耗与衰减
但是，需要注意的是，在较高频率下，射频损耗和大气衰减等各种损耗也更大。这些额外的损耗可通过在相控阵雷达中添加额外天线元件来补偿。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、干扰机和战术通信，这种能力对于避免敏感接收器伤害至关重要，对更有效地控制波束模式以瞄准敌方雷达或友方通信也至关重要。这种能力催生了多种主动控制天线技术，这些技术可实现低概率拦截/低概率检测（LPI/LPD）。
Johnson 射频 (RF) 互连解决方案
Discover the Possibilities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，从而增强了与类似但较低频率多元件天线相比的方向性。这些因素使人们有兴趣将毫米波 (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。尽管从尺寸、重量、功率和成本 (SWAP-C) 的角度来看，毫米波天线的紧凑性变得很有吸引力，但整体天线尺寸的减小以及天线元件数量的急剧增加，意味着相关的射频互连技术也必须包含在这些缩小尺寸的模块中。仍然满足严格的 MIL-SPEC 耐用性要求的高密度射频互连，对于在不断增长的发射/接收 (TR) 模块、天线处理单元 (APU)、混合波束成形电路和/或模拟波束形成元件至关重要。
满足这些新相控阵天线系统 SWAP-C 要求的高质量射频互连技术在原型设计、测试和生产阶段必不可少，也是部署相控阵系统的关键组件。随着毫米波 5G 的预期用途扩展到工业、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耐用性和可靠性要求很可能会扩展至毫米波 5G。
相控阵雷达信号链
基本的相控阵天线由射频互连、衰减器/放大器、移相器和天线元件构成和。在这种基本情况下，需要通过射频互连技术连接发射器、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。另一种拓扑结构（越来越普遍使用）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) 置于同一模块内，然后通过相同的射频路径将开关/循环器从移相器连接至天线元件。TR 模块用于实现集成和模块化的优点，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间距和更高密度的射频互连，因为使用更大的射频互连会抵消因毫米波减小元件尺寸而带来的尺寸和重量优势。
这种集成的下一个层次是使用混合或数字波束成形相控阵天线拓扑，实现更紧凑的元件，例如片上系统 (SoC)、系统级封装 (SiP)、集成射频前端模块、APU ASIC 和其他类型的紧凑组件、模块或 IC。混合和数字波束成形可实现更紧凑的相控阵天线，并在可在调制电路和射频电路之间使用高速数字通信，而非射频通信。在上述情况下，需要更紧密的间距和更高密度的射频互连技术，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。
尽管由于此类系统的功率要求，干扰机和部分低频雷达将需要更大尺寸的射频元件和互连技术，但战术通信和毫米波 5G 通信可能会继续实现更高水平的集成和致密化。对此的需求源于 SWAP-C 参数的减少和启用部署大量毫米波基站，如果通信系统的 SWAP-C 参数可与雷达和干扰系统相媲美，那么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到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率毫米波射频互连时的情况。同轴电缆组件和互连在提供屏蔽通信方面非常出色，同时最大限度地减少插入损耗和衰减。这一概念也适用于高度复杂的雷达，它使用许多与现代化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小型联动连接器模块，对各种高密度射频互连技术的需求量将日益增长。
Figure 1.Discrete phased array (left) and hybrid beam forming (right) block diagrams.
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 通信具有极其不同的最终目标和部署场景，但许多射频互连的考虑因素是相同的。以下部分专门探讨毫米波相控阵天线系统的主要设计考虑因素，并包括指定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射频信号相位。只有当信号的相位在整个相控阵天线系统信号链中稳定且可预测时，才有可能实现这些优势。该领域包含两种主要的射频互联考虑要素。一种是通过同轴电缆信号的相位稳定性，基于冲击、振动、弯曲、翘曲、温度等环境因素。使用“相位稳定”同轴电缆有助于将环境影响降至最低。
另一项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导致系统相位误差，导致即使是相同长度的同轴电缆也会出现相位响应的差异。因此，使用相位匹配同轴电缆（这些电缆具有非常相似的相位响应）可以帮助消除射频互连对相位变化的担忧，并提高相控阵天线系统的可预测性与性能。
坚固的机械连接
军事/航空航天制造商必须使用 MIL-SPEC 同轴电缆、连接器和组件，且必须满足最低的耐用性和可靠性标准。这些标准包括对冲击、振动、热循环和环境因素损坏的恢复能力。特别是在毫米波频率下运行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射频通信、雷达和干扰都至关重要。即使是轻微的机械力，只要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推出的毫米波 5G 通信考虑要素。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技术。
Image 1.Cinch JohnsonTM test cable assemblies.
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超 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，普通射频同轴互连（如 N 型、普通 SMA、SMB 等）不再适用。因此，这些新的感兴趣频率需要外形更小的连接器，例如 2.92 毫米、2.4 毫米、1.85 毫米、高频 SMA、SMP、以及SMPM，例如来自 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维持横向电磁 (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、功率处理与机械强度。通过先进的材料和制造方法，可以减轻毫米波频率运行的较小同轴传输线的部分负面性能影响。
Figure 2.High-frequency Cinch Johnson™ connectors.
Image 2.Cinch Johnson™ sample board.
Johnson™ 跨频率连接器产品
| 连接器类型 | 频率范围 | 耦合 | 系列 |
| 1.85 毫米* | 65 GHz 直流 | 螺纹 | 超小型 |
| SMPM/GPPO* | 65 GHz 直流 | 卡扣式 - 盲插 | Micro - 微型 |
| 2.4 毫米 | 50 GHz 直流 | 螺纹 | 超小型 |
| 2.92 毫米/ SMK* | 40 GHz 直流 | 螺纹 | 超小型 |
| SMA/GPO* | 40 GHz 直流 | 卡扣式 - 盲插 | Micro - 微型 |
| SMA | 18/26.5 GHz 直流 | 螺纹 | 超小型 |
| KqiQMAte/QMA | 12.4 GHz 直流 | 卡扣式 | 超小型 |
| 类型 N | 11 GHz 直流 | 螺纹 | 标准 |
| SMC | 10 GHz 直流 | 螺纹 | 超小型 |
| MCX | 6 GHz 直流 | 卡扣式 | 超小型 |
| MMCX | 6 GHz 直流 | 卡扣式 | Micro - 微型 |
| UMX/u.FL | 6 GHz 直流 | 卡扣式 - 插入工具 | Ultra - 微型 |
| SMB | 4 GHz 直流 | 卡扣式 | 超小型 |
| SMB - 迷你 - 75 欧姆 | 2 GHz 直流 | 卡扣式 | 超小型 |
薄型与小间距互连
毫米波同轴连接器的外形尺寸更小，可实现更高频率的操作和更高密度的互连。在较大的同轴连接器需要螺纹件，以实现良好的机械/电气接触，滑动式/卡扣式接口可为较小的连接器带来益处。由于该因素，不再需要为螺母拧紧工具（例如扭矩扳手）保持额外节距，实现更快速的组装/拆卸和故障排除。盲插连接器还可以帮助减少轴向和径向错位问题，这些问题在紧凑和密集的互连场景中非常常见。此外，这些类型的连接器还可以集成至多连接器或组合配置中，从而允许同时盲插连接多个连接器，例如 SMP、Ganged 4 端口 SMP 以及 Cinch 的 Johnson™ SMPM 解决方案上述联动连接器可以大大减少多个类似连接器的整体间距，简化组装，降低 BOM 复杂性，甚至可以用于板对板互连。
Figure 3.Cinch JohnsonTM mmWave connectors.
高密度板材间和“元件转板材”互联
许多原型和未来的相控阵天线系统正在利用更高水平的集成，需要使用 PCB 和表面安装元件。使用 PCB 代替连接器组件会限制相控阵天线模块上的连接器空间量，因此需要能够实现更小间距的同轴连接器、表面贴装连接器、组合连接器，甚至是高密度夹层式和堆叠式连接器。对于板材间和“元件转板材”互联技术，端部发射或表面贴装射频连接器可实现更紧密的板材和元件间距，并减少与不必要的互连长度相关的射频路径损耗。
虽然在许多情况下，焊接端接或表面贴装射频连接器可以接受的，但在某些情况下，在逻辑上被证明很难实现（或无法实现）。在极高密度的互连中（常见于高速数字和复杂的混合/数字波束成形天线系统），必须考虑数百（甚至数千）个焊点可能会导致的生产和质量挑战。传统的射频板载和元件互连需要焊合或焊接接合。
幸运的是，可通过使用压缩力地无焊表面贴装连接器，为板材间和“元件转板材”连接创造可靠、强大的机械和电气连接。例如，Cinch 的 CIN::APSE® 堆叠连接器 可用于具有几个到几十个触点的刚性到柔性或刚性到刚性夹层堆叠 PCB 配置。这种类型的互连可用于代替多个单独连接器，并且可以减少射频路径、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。
Image 3.CIN::APSE® compression interconnects
供应挑战
在很多情况下，为相控阵天线系统采购射频互连元件可能需要数百家供应商，以及较长的周转时间进行追踪。对于军事、汽车和工业应用，射频互连产品的采购需要仔细考虑。在许多情况下，供应商可能只提供少数元件，但是从供应商处采购所需的工作量与“供应商为项目供应大量零件”所需的工作量差不多。此外，根据 MIL-SPEC，军事/航空航天应用需要特定的材料和零件采购方法，以执行质量控制功能以及材料和零件采购功能。因此，制造商与熟悉为军事/航空客户采购的供应商合作，并拥有完善的、符合 MIL-SPEC 标准的制造设施，并且有助于即将推出的、可能需要类似 5G 毫米波的汽车和工业系统供应商获得类似认证。
下一代相控阵雷达和通信
即将推出的毫米波 AESA 雷达、干扰器、战术通信，甚至毫米波 5G 系统都可能会依赖高性能相控阵天线系统。此类天线为已经很复杂的射频和数字系统引入了多层复杂性，包括在大量信号路径和元件方面大量增加射频互连技术。这些新应用需要比传统螺纹同轴连接器更小的间距，以及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提高，对创新射频互连的需求也将会增加，特别是随着集成趋势加速以及数字、模拟和射频设备之间的界限变得模糊。
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