从有源相控阵天线走向天线阵列微系统 （三）
3.3、天线阵列微系统与常规微系统之间关系
微系统的概念随着相关学科发展、技术推动 , 以及应用需求的牵引 , 其内涵也在不断丰富和发展 . 早期 , 微系统 (microsystem) 概念在欧洲同行中使用 , 在美国被称为 MEMS, 在日本被称为微机械 (micromachine) 。
1998 年 , 美国国防高级研究计划局 (The Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) 微系统技术办公室 (MTO) 从新的角度提出了微系统概念, 微系统是融合体系架构、算法、微电子、微光子、 MEMS 等要素 , 采用新的设计思想、设计方法和制造方法 , 将传感、处理、执行、通信、能源等功能集成在一起 , 具有多种功能的微装置 . DARPA 微系统概念超越了微机电系统 (MEMS) 的认识 ,为微系统多学科融合、微小尺度集成、军事应用创新和电子信息系统小型化及性能提升提供了空间 ,推动了微系统集成方法和技术的进步 . 2017 年 , 美国 DARPA 微系统办公室启动电子复兴计划 (ERI),分别在材料与集成、电路设计和系统构架等三大支柱领域布局六大发展项目 。
2007 年 , 欧盟在第 7 个科技框架计划下 , 设立了 “ 微推进器、可实现宇宙探索用高效和精确控制的化学微推进器 ” 等多个微系统项目 . 2014 年 , 启动了 “ 地平线 2020” 项目扶持微系统技术发展 . 日本依托其电子制造企业 , 在细分领域开展相关技术研究 , 索尼的图像传感器、东芝的 3D NAND 闪存都具有微系统产品的特征 。
我国已经陆续开展微系统相关技术的预先研究 . 国发 (2015) 28 号《中国制造 2025 》 , 将微系统技术作为提升新一代信息技术产业自主发展的重要能力 . 国发 (2016) 43 号《 “ 十三五 ” 国家科技创新规划》中明确将 “ 微纳电子与系统集成技术 ” 作为新一代信息技术重点发展 。
从当前国内外研究来看 , 微系统是以微纳尺度理论为支撑 , 以微电子、光电子、 MEMS 等为基础 ,结合体系架构和算法 , 运用微纳系统集成技术和方法 , 将传感、通信、处理、控制、微能源等功能单元 ,在微纳尺度上采用异构、异质等方法集成在一起的微型系统 。
天线阵列微系统与常规微系统共同之处是都具有微型化、集成化、智能化等特点 , 它们都区别于宏观系统的关键特征就是采用微纳尺度集成方式 , 尤其是三维异构混合集成 , 这不仅只是一个物理实现方式从平面式到立体式的变化 , 它们在体积重量大幅度缩小的同时 , 通过系统物理架构创新带来了功能 / 性能上的大幅提升 , 甚至能够实现宏观系统无法实现的功能 . 天线阵列微系统和常规微系统有一定的区别 , 常规微系统希望三维尺寸都能够缩减 , 使其达到最小体积和重量 , 而天线阵列微系统通过三维异构集成技术 , 使天线阵列孔径尺寸不变的情况下 , 尽量减小天线的厚度和重量 . 为了满足电子信息系统大功率孔径积的需求 , 天线阵列微系统重点关注性能 ( 例如降低射频损耗等 ) 提升和天线剖面厚度的降低 , 实现大孔径阵列天线可折叠或者可共形 , 在体系架构和集成方式上有一定的特殊性 。
未来电子信息系统 , 例如微波成像雷达 , 将划分为两个物理单元 , 一是数字计算机单元 , 也就是通用信号处理机 ; 二是天线阵列微系统 , 也就是由天线、收发组件、波束控制、电源、频率综合、接收机等传统分系统组成的微系统 . 天线阵列微系统的评价可以用两个因子来表述 , 效能因子 = 功率 × 孔径 × 带宽 ; 尺度因子 = 功耗 × 体积 × 重量 . 效能因子的提高和尺度因子的降低是度量天线阵列微系统性能的重要指标 。
天线阵列微系统与传统有源相控阵天线在科学理论、仿真分析和设计制造等方法有很大区别 , 两者间的比较如表 2 所示 . 实现天线阵列微系统 , 需要解决两个方面的瓶颈问题 , 一是无源和有源电路芯片化或小型化 ; 二是无源辐射天线单元 , 或者多个辐射天线单元组成小型天线子阵列 , 与多种无源 / 有源电路三维异构混合高密度集成 , 形成为一个独立功能天线微系统封装体 。
表 2 天线阵列微系统与有源相控阵天线的比较
4、天线阵列微系统的若干前沿科学技术问题
电磁现象和天线科学技术的进步是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性技术 , 承载着军事装备系统发展变革、信息系统智能化小型化、微电子技术革命性创新的发展使命 .天线阵列微系统是有源阵列天线和微系统等科学技术的高度融合 , 面临的主要科学技术挑战如图 7所示 。
图 7 (网络版彩图) 天线阵列微系统面临的科学技术挑战
4.1、多物理场约束下架构与拓扑技术
天线阵列微系统的架构突破了微电子技术范畴 , 无法在功能、性能上分割成简单单元 , 在力、光、材料、电子、信息等学科均有布局 , 实现了光、机、电、磁、声等各系统要素间的紧密关联 . 天线阵列微系统架构既有系统级的架构、性能、功能、算法等特征 , 又有元件级电、热、材料参数特性 . 天线阵列微系统架构在多物理场约束下跨学科、跨专业 , 学科、功能和性能界面的模糊性和交叉性 , 给天线阵列微系统研究带来很大困难 , 需要研究多物理场约束下架构与拓扑技术 , 重点是多物理场相互之间耦合机理、电磁特性模型 , 以及多维度参数容差分析与评价 。
4.1.1、多物理场耦合机理
大尺度天线与微小尺度芯片集成在同一封装体内 , 存在着大尺度天线辐射的电磁场与不同小尺度芯片微观的纠缠效应 ; 射频信号与模拟、数字信号在封装体内的串扰效应 ; 射频信号在微观尺度下的趋肤效应等 , 需要研究多物理场耦合机理 . 以多物理场耦合为切入点 , 分析微小尺度下的射频集成、高密度异构、高精度变换、高速信号传输互连等的时域和频率耦合机理 , 指导系统指标的分解与优化 , 为构建合理有效天线阵列微系统架构和拓扑提供科学保证 。
通过提取天线阵列微系统架构中的光、机、电、磁、声等多元参量特征 , 结合热、流体、力学、电磁学等 , 开展多物理场在微小尺度下的耦合和互扰研究 , 以解决因多参量间的作用而相互约束问题 。
围绕射频、模拟和数字等复杂信号在三维微小尺度下的传输特征 , 从天线阵列微系统的可靠性、可制造性 (design for manufacturing, DFM) 解析 , 并不断迭代改进 , 重点解决天线阵列微系统的长期稳定性与可靠性 , 建立标准模型库 , 同时梳理机电热多物理场仿真标准流程 。
4.1.2、异构体电磁特性模型
在天线阵列微系统封装体内 , 三维微小尺度互连产生电磁场不连续性 , 造成了电磁场互扰、有害模式寄生辐射 , 引起天线极化失配、工作频带内 / 外隔离特性的变化 . 为了获得天线较好的工作带宽、高效率和低交叉极化等性能 , 需要在特定边界下 , 尤其是在宽带宽扫描角条件下 , 研究天线口径场模式匹配技术、阵列天线辐射单元之间的互耦特性 。
在微小尺度下 , 通过开展异构体电磁特性的研究分析 , 建立天线阵列微系统中各功能单元的电磁分布模型 , 并将模型应用于复杂的系统设计中 , 构建系统的多端口特性模型 。
通过分析内部复杂信号的传导变换、空间辐射及阻抗匹配等问题 , 开展三维电磁场提参建模与时频域分析 , 研究系统级功能单元、互连单元、封装单元模型 , 得到信号在异构体内传输变换时 , 三维多变量函数和超高速信号电磁特性模型库 , 构建等效模型 , 解决电磁干扰、串扰误码等关键问题 , 并在此基础上优化天线阵列微系统中异质材料和功能异构体的分布 , 进一步得到电磁性能最优化的特性模型 。
4.1.3、多维度匹配容差适应性
大尺度情况下 , 微波传输线的不连续将产生高次模 , 高次模需要一定长度的传输线来衰减和消除 .在微小尺度下 , 微波芯片与传输线互连、传输线与传输线互连等 , 既有平面的 , 也有立体的 , 使微波传输线的不连续点的数量大幅度增加 , 本征模的特性发生了变化 , 传输线上的工作模式将是主模和寄生效应产生的高次模并存 . 因此需要研究边界条件强约束下的激励模式匹配理论 , 仿真分析微小尺度互连产生寄生效应 。
针对微系统高密度封装中机、电、热等匹配带来的功能和性能适应性问题 , 以及工艺制造精度对器件和系统的影响问题 , 开展异质异构体多维度匹配适应性的研究 , 在此基础上形成天线阵列微系统异质异构体中 , 复杂信号传输和变换在多个维度 ( 包括机、电、热等 ) 上的容差评价 。
针对微系统多个维度上的参数偏差范围和寄生参数变量 , 进一步分析功能电路受其影响的机理、环节和效应 . 着重分析由于天线阵列微系统剖面厚度减小带来的功率密度加大 , 以及因热而产生的机械精度的变化 , 这些物理量进而又影响性能和功能 . 在兼容工艺条件下 , 建立影响复杂信号品质、多物理场耦合的多维度函数 , 实现基于不同功能的有源电路 / 无源元件 / 封装的系统集成 . 以此来指导微系统中三维异质异构体鲁棒性设计 。
4.2、微波集成电路技术
天线阵列微系统中包括了大量微波有源集成电路 , 并向着数字化方向发展 . 对于天线阵列微系统来说 , 低剖面、高效率和轻量化是非常重要的 , 必须有一个强大的微波集成电路技术为后盾 。
微波集成电路是指采用先进半导体工艺 , 以放大、变换、校准、比较和传输等手段处理微波 / 模拟信号的集成电路 . 随着微波集成电路和数字化技术的发展 , 微波芯片的集成度越来越高 , 集成电路将多个单功能芯片集成在一块芯片上 , 提高了芯片的性能并降低成本 . 微波单片可集成小信号接收链路和发射链路部分电路 , 接收链路包括低噪声放大器、混频、增益控制等 , 甚至包括高性能模拟 – 数字转换器 (analog-to-digital converter, ADC) 等 , 发射链路包括信号产生、混频、功率放大器等 . 不同的半导体材料具有不同的本征参数 , 有着不同的用途 . 几种半导体材料特征参数如表 3 所示 . Si 通常用于数字 / 模拟控制或低波段功率芯片的基础材料 , GaAs 常用于 Ka 波段以下微波射频芯片基础材料 .SiC, GaN 和金刚石 (diamond) 是第 3 代半导体材料 , 可以具有宽禁带 (WBG) 特点 。
表 3 几种半导体材料特征参数
摩尔定律正逼近物理极限, 芯片性能提升的放缓和数据需求几何级数式的增长之间矛盾将日益凸显 , 5 nm 技术的推进中 , 面临着来自晶体管的结构、掩模版的制造等方面的技术瓶颈 . 这也意味着 5 nm 技术节点的突破 , 将会使得集成电路技术发展面临一系列的新技术挑战 . 在 SoC 减少特征尺寸 ( 比例缩小 ) 已经越来越难 , 而且成本很高. 半导体集成电路重要的发展趋势是新型微波、低功耗和智能控制等异质多功能集成电路 。
4.2.1、第 3 代半导体集成电路技术
在微波单片集成电路技术中 , 以氮化镓 (GaN) 为代表的第 3 代半导体技术 , 因其宽禁带特性 , 具有高功率密度、高功率附加效率、高增益、大带宽和小尺寸 , 及较高的可靠性和工作温度 , 已用于相控阵雷达 , 将会对天线阵列中的射频前端产生革命性的影响 . 硅基 GaN 异质集成可以取得新的、以前无法实现的新的集成电路架构 , 以达到提高性能、提高可靠性 , 以及降低成本.第 3 代半导体集成电路技术的发展 , 将促进天线阵列微系统单通道发射功率和效率的提高 。
