相控阵技术及产业分析

相控阵技术早在上世纪30年代就已经出现，美国于1937年开展“为外空目标监视、观测人造卫星和洲际导弹”研究，到50年代中期美国研制出两部实用型舰载相控阵雷达，到70年代，军用战术雷达成为相控阵主要应用，且越来越多应用于通信、电子对抗、气象等 ，在己装备和正在研制的防空导弹武器系统中多采用多功能相控阵雷达； 可以说相控阵突出满足了现代战争对武器系统 “态势感知、远程打击、精细打击” 等需求； 相控阵也是5G技术的核心之一，5G技术发展，将相控阵技术推向了应用的新高度，是 各国争相研发的重点；

在使用的全部电磁频段中，毫米波（通常指频段在30~300GHz，相应波长为1~10mm的电磁波)介于微波与远红外波之间，兼有二者波谱特点，具有带宽宽、波束窄、传输干扰小、多径效应小、多普勒分辨力高，高空间分辨力、抗干扰能力突出以及器件尺寸小易集成等特点，除在探测领域应用外，在卫星通信、战术热点、无线通信骨干网、移动通讯、物联网等领域具有广阔的应用前景。 总之，无论是技术推动还是需求牵引，毫米波相控阵现已成为当前微波领域内新的技术热点。

一、相控阵概述

1.1 工作原理： 相控阵即相位控制的电子扫描阵列，是使用单独控制的小型天线单元排成天线阵列，通过各个天线单元的控制开关来控制各相控阵即相位控制的电子扫描阵列个天线元件发射的时间差（相位），从而合成不同指向的主波束，主波瓣得到增强，而旁瓣则因为干涉相消而大幅降低；

相控阵从本质上解决了传统机械扫描很多问题，在相同的工作频率和雷达孔径下，相控阵的更新速率、反应速度、多目标追踪能力、分辨率、抗干扰能力、多功能性等都远优于传统技术方案。然而，其性能虽然优异，成本却居高不下，因此在实际中多用于军事用途，如雷达。

1.2 技术种类： 分为有源和无源，其中，以单片微波集成电路（MMIC）单元的有源相控阵具有突出的性能优势；

1.3 技术特点： 作为阵列天线发展起来的一种新的体制技术，和普通的阵列天线相比，增加了移相器，通过改变天线单元的馈电相位，实现了电控的波束扫描，具有高增益、高功率、低副瓣、抗干扰、波束扫描的特性，能实现多目标搜索及多目标跟踪。然而，其性能虽然优异，技术实现复杂、成本高不下，因此在很长一段时间主要用于战术军事用途 ，价格昂贵是限制其在民用领域实现大规模应用的主要障碍。

1.4 技术挑战：

1.4.1 移相器同时满足工作带宽较宽，插入损耗较小，大小尺寸合理还需进一步研究；

1.4.2天线各单元之间通过电磁耦合相互影响，这种互耦的结果往往会影响天线的性能，使天线达不到比较理想的设计效果。如何控制单元之间的间距，选择恰当的位置，消除互耦尤为关键；

1.4.3如何控制天线的电扫描，比如实现满足要求的特定角度或者特定范围的扫描还需进一步研究。

二、相控阵TR芯片

有源相控阵收发（T/R）组件芯片是有源相控阵系统的最核心部分占了整个雷达系统一半的成本，直接决定了相控阵雷达的性能。TR收发模块占了 45%的成本，有效降低相控阵部分成本的方式是降低收发模块（T/R Modules）的成本，减少射频板子（RF boards）和布线（Cabling）的成本，在微波集成电路设计领域，主要可以通过减低收发模块的成本和在单片上尽可能得集成更多的功能，减少射频板的使用量。

有源相控阵即在每个天线单元通道中设置TR组件，其典型的特征就是在每个天线单元发射通道中集成了功率放大器和在每个天线单元接收通道中集成了低噪声放大器，TR组件其一般包含接收和发射两个通道，集成了射频切换开关、功率放大器、低噪声放大器、移相器、衰减器、限幅器等功能部件。

需要完成以下几个主要功能：

1.发射信号的放大或者产生： 完成发射信号激励源的放大，主要由功率放大器来实现；

2.接收信号的放大与变频： 低噪放用于接收通道中的信号放大，当增益不够时，还可以加入额外的放大器来进行进一步的放大； 为了保护低噪放以避免发通道射的大信号进过开关泄露到接收通道造成破坏，有时会在低噪放前级加限幅器； 为了调整接收通道的增益，实现各个 T/R 组件输出信号的幅度一致性，或者为了实现幅度加权时，需要数字控制的衰减器； 变频功能一般在功率合成之后再实现；

3.实现天线波束扫描所需的相移及波束控制： 一般依靠移相器来完成各个通道的相移来实现波束控制，有时也可使用矢量调制器结构来实现相位和幅度的同时控制；

4.变极化的实现与控制： 一般利用3dB电桥和极化转换开关来实现变极化来抑制气象杂波。；

5.对T/R组件的检测功能： 一般相控阵系统中含有大量的T/R 组件，因此对T/R 组件的工作特性进行检测是保证雷达有效、可靠工作的重要条件；

T/R 收发芯片在相控阵系统很大程度上决定了相控阵系统整体的性能和成本。

三、应用市场

相控阵收发（T/R）芯片作为电子信息化技术具备典型的军民融合特征，在 5G、无人驾驶、卫星通信等领域均可被应用。但目前而言 ，相控阵TR芯（套）片主要应用仍以雷达为主，未来潜力市场主要是5G通信、卫星通信和汽车毫米波雷达等。

四、工艺路线

相控阵由于其大量用于军事雷达的特征，从二战期间以来，高性能一直是其首要追求的目标.主要从工艺上进行。 MMIC 设计是从硅工艺开始的，然而随后的用于开关、小信号放大器、低噪放、功放、混频器、振荡器等微波模块电路设计的大都是 GaAs衬底工艺。 实际上，在接下来的几十年中，实用化的相控阵收发组件芯片设计工艺也绝大部分使用III-V族半导体（Ga As、InP、GaN），这是由于III-V族半导体中的晶体管有着比较高的击穿电压，容易获得很高的输出功率，这对功率放大器的设计来讲是非常大的优势，可以在雷达应用中有效提高作用距离，直接提高雷达的性能； 其次，III-V 族半导体有着很好的噪声性能，可以在保证高频信号尽量不失真的条件下实现放大，提高雷达接收机的灵敏度； 此外，III-V 族半导体的衬底是高阻材料，而且有着良好的衬底背面接地，在微波电路设计中无源器件有着高Q值，有益于高频电路的设计。

当然，III-V 族半导体也有其缺点。 首先，III-V 族半导体的单位面积造价远远高于硅基工艺，而且在工艺生产中受限于材料的因素，其晶元不能做的比较大，造成其规模优势也不明显； 其次，III-V 族半导体的特征尺寸比较大，不能像硅基工艺一样按照摩尔定律快速地减小来降低功能芯片的尺寸； 最后，III-V 族半导体的走线层数也比较少，工艺库提供的电路基本元件选择也比较少，而且大都不能和硅基工艺兼容，其电路集成度比较低。

硅基工艺（CMOS 或者 SiGe）虽然在超大功率输出、超低噪声放大等方面性能不如传统的 III-V 族半导体，然而其具有可以大规模集成的优势，非常有益于降低成本。 因而目前世界上的相控阵技术的发展方向是利用 III-V 族半导体仅仅完成超大功率输出和超低噪声放大，而相控阵中剩下的功能控制电路则都由硅基工艺来完成，包括小信号放大、中等功率输出、相位和幅度控制、开关控制等等。 如下图所示

如上图所示，这种结构既有 III-V 族半导体的高功率输出和低噪声放大的高性能，而且结合了硅基工艺低成本、高集成度的优势，因而具有非常好的实用价值。 其中，硅基工艺设计的包含了低噪声放大、中等功率输出、相位和幅度调制以及收发控制电路。

硅基工艺是指硅衬底的半导体工艺，一般包括 CMOS 工艺和 SiGe 工艺。 标准CMOS 工艺中只提供 MOS 型的晶体管，其高频性能一般比较差，适用于大规模数字电路的设计； 而 SiGe 工艺一般称为 SiGe BiCMOS 技术，顾名思义，是 Bipolar和 CMOS 技术的结合，起源于 20 世纪 80 年代初期，其特点是在硅衬底中注入了一定比例的锗，大大提高了双极型晶体管的高频性能。 其中，SiGe 工艺中提供高性能的 SiGe HBT（Heterojuntion Bipolar Transistor）管子，它的发射区是 Si，基区是 SiGe，因而属于异质结双极型晶体管，代表着 SiGe BiCMOS 的高频性能； 同时，SiGe BiCMOS 工艺还提供标准的 CMOS 晶体管，可以用于设计开关、数字控制电路以及一些低频电路。

随着技术水平的不断进步，代表着 SiGe BiCMOS 工艺高频性能的 HBT 管子的特征频率（或者叫截止频率，fT）不断升高，其中 IBM SiGe BiCMOS、ST SiGe BiCMOS、IHP SiGe BiCMOS等工艺的 fT都已经超过了几百 GHz，性能还在不断提升中。

成本方面，SiGe BiCMOS 工艺的价格相比标准 CMOS 略高，比 III-V 族导体低很多，然而其高频性能比 CMOS 工艺好很多，而且逐步接近 III-V 族半导体 。硅基集成技术尤其是在低成本、高集成度方面具有不可替代性， 主要来源于成熟的硅基技术，是最有潜力来实施毫米波片上系统（SOC），并有望实现低成本应用。

五、市场规模

5.1 面向军用雷达应用的毫米波T/R芯片

雷达研制单位主要集中在各大军工集团,规模排名前两位的是中电科集团的14所和38所，14所是我国最大的雷达研究所，涵盖陆海空天各类平台的雷达装备，综合实力最强。其余还包括航天科工的23所、25所和35所，航天科技的704所、802 所，中航工业的607所，中船重工724所以及兵工206所、724所等。

近年随着军方装备升级，相控阵雷达市场空间持续扩大。 相控阵雷达主要产品用在卫星、导弹、火箭上，涉及到多款国家在研的重大型号，服务于国家航天、航空、武器装备领域的核心国家级单位，已经形成较好的客户基础，市场发展前景广阔。目前国家新一代雷达、通信、侦察等系统立项一般都会采用相控阵体制。因此未来相控阵芯片的市场空间非常广阔，目前国内主要是中电科 13和55所提供， 合计市场市占率超过80%， 其他如铖昌科技、雷电微力、瑞迪威等民营企业也能提供一些相控阵产品 。

5.2 面向汽车雷达应用的毫米波T/R芯片/套片

ADAS的普及是未来无人驾驶实现的先行条件，毫米波雷达凭借体积小、易集成和空间分辨率高等特点将率先成为ADAS系统的主力传感器； 全球汽车雷达芯片在2017年市场规模为2.3亿美元，预计到2022年将达到5.68亿美金，复合增长为22.9%，而现有雷达芯片完全被三大欧洲芯片公司（NXP、STM、Infineon）垄断，市场占有率达95%，价格昂贵，在技术路径上，新一代硅基CMOS工艺正逐渐取代SiGe/GaAs工艺。

5.3 面向5G通信的毫米波T/R芯片/套片

高频段毫米波技术是解决5G通信中数据高速传输的关键途径，5G时代将主要采用“宏基站为主，小基站为辅”的组网方式； 根据小基站技术论坛预测，到 2025 年，小基站部署和升级将达到 1025 万无线电，其中 840万为非住宅部署，企业部署达 550 万台，其次是城市部署。

5G通信基站射频市场在2017年仅4亿美金，预计到2022年将达到16亿， 尤其是毫米波，更将给射频带来巨大的成长机遇。 然而，毫米波射频前端技术难度更大，军转民企业具有更大技术优势。

5.4 面向卫通应用的低成本毫米波T/R套片

市场概述：NSR预测到2028年，商业卫星地面部分的全球年收入将增长到每年144亿美元，未来十年的累计收入为1,450亿美元，美国占据超过42%，中国约10%，从收入结构来看，卫星电视用的机顶盒和天线占据最大的收入份额，合计超过70%。 而5G与卫通融合将成为卫星地面段下一波增长的关键影响因素；

竞争概述：卫星地面网络设备（Vsat、主站）几乎被国外所垄断,全球领先的企业主要为欧美和以色列，如商业地面设备Idirect、Hughes、Viasat、Gilat、Comtec、Newtec等均为欧美厂商，国内厂商多以天线和系统集成为主。

5.5 射频功放是相控阵TR芯片核心器件，民用主要以国外为主，军用则13和55所为主

LDMOS是当前4G宏基站PA市场主导技术，市场主要被NXP、 Ampleon、 Sumitomo所垄断，其中， Ampleon已被中国建广资产全资收购；

GaAs主要面向终端市场，主要被国际巨头垄断，市场以IDM模式为主，主要被美国Skyworks、Qorvo、Broadcom所占据，三大厂商合计市占率超过60%；

GaN被国外厂商占据，包括SUMITOMO、CREE、Qorvo等厂商占据了绝大多数的市场份额，其中， SUMITOMO通过绑定华为大客户，拥有最大的市场份额。

六、发展现状

美国、日本，以及欧洲的法国、德国、英国等都将 MMIC 作为国防中重点发展的核心技术。目前，美国的 MMIC 技术水平仍然在世界中领先。其从事 MMIC 研发和生产的公司代表有雷神、洛克希勒马丁、诺斯鲁普格鲁曼等军工企业，其中，民用方面Anokiwave已量产，产品稳定、IDT、ADI等预计年中推出其相控阵产品，从事研发和技术探索的有 MIT、Caltech、Stanford、Berkeley、UCSD、USC等世界一流大学和研究机构。在学术界，UCSD、Caltech 和 USC 在相控阵收发MMIC 方面的研发较为领先；

我国国内主要从事 MMIC 技术的主要研究机构是石家庄13所和南京 55所，其研究的范围包括了 Ka 波段以下的各种低噪声放大器、混频器、频率源、移相器、衰减器以及系统 T/R 组件等。 此外，南京14 所，合肥 38 所也在开展 T/R 组件芯片方面的研究。也有一些民营企业在开展相关研究，主要集中在成都、上海等地。国内从事 MMIC 研究的高校主要有电子科技大学、东南大学、西安电子科技大学、浙江大学、中科院等。

整体而言，目前国内 MMIC 的整体水平距离国外发达国家还有相当大的差距，远远不能满足现代有源相控阵雷达中需要的大量高性能、低成本的收发芯片的需求。