S波段高功率T/R組件的小型化和高可靠設(shè)計

吳蘇興，耿 亮，張海兵，包 偉

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

自上世紀(jì)90年代以來，有源相控陣已成為相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展的主流，幾乎所有先進(jìn)的、新研制的雷達(dá)均采用了有源相控陣體制［1］。一維相掃有源相控陣三坐標(biāo)雷達(dá)由于性能優(yōu)異、系統(tǒng)組成相對簡單、研制成本低而得到廣泛應(yīng)用。其有源天線面陣采用一行陣元(行饋）對應(yīng)一個T/R組件的方式，因此需要的T/R組件數(shù)量相對較少。但是，為保證雷達(dá)威力就必須使用高輸出功率T/R組件，通常要求每個T/R組件能夠輸出數(shù)百瓦量級或更大的射頻功率。一維相掃相控陣三坐標(biāo)雷達(dá)的T/R組件分布在陣面的重要節(jié)點(diǎn)上［2］，一旦出現(xiàn)故障對雷達(dá)整機(jī)性能影響較大，因此該T/R組件必須具備很高的可靠性。為保證對低空目標(biāo)的探測性能，一維相掃相控陣三坐標(biāo)雷達(dá)在使用時通常由作戰(zhàn)平臺的舉升系統(tǒng)將天線面陣升到較高的位置，或者將天線面陣架設(shè)在作戰(zhàn)平臺的高處(如艦艇的桅桿）使用。這就要求天線面陣不能太重，否則過高的重心加上面陣高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭力將威脅平臺自身的安全性，這對于質(zhì)量本來就不大的中小型作戰(zhàn)平臺的影響會更為嚴(yán)重。作為有源面陣的核心部件，高輸出功率T/R組件的性能和重量直接決定了天線面陣的綜合指標(biāo)。因此，為了滿足中小型作戰(zhàn)平臺對一維相掃相控陣三坐標(biāo)雷達(dá)適裝性的要求，必須實(shí)現(xiàn)高輸出功率T/R組件的小型化以盡可能減小其體積和重量。

本文介紹了一種S波段高功率T/R組件的設(shè)計方法與技術(shù)，著重研究了其小型化和高可靠的實(shí)現(xiàn)方法。

1 組成與功能

作為一維相掃相控陣三坐標(biāo)雷達(dá)的基本接收和發(fā)射單元，該高功率T/R組件一般由射頻功率放大電路、收發(fā)轉(zhuǎn)換、接收與下變頻電路、電源變換電路、以太網(wǎng)通信接口電路、監(jiān)測與控保模塊電路等功能單元組成。其組成框圖如圖1所示。

圖1 T/R組件組成框圖

T/R組件主要功能的設(shè)計要求如下:

(1）將上行射頻激勵信號經(jīng)功率放大電路放大至一定功率后傳送給天線單元向外輻射;

(2）將天線單元接收的射頻回波信號經(jīng)收發(fā)轉(zhuǎn)換與限幅LNA、下變頻電路變換成系統(tǒng)所需的下行中頻信號后輸出給綜合信號處理機(jī)ADC后進(jìn)行脈壓、DBF等后端信號處理;

(3）對組件各功能單元的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并施加必要的控制和保護(hù);

(4）通過以太網(wǎng)接口電路與系統(tǒng)終端進(jìn)行通信，實(shí)時發(fā)送組件狀態(tài)信息同時響應(yīng)終端的操控。

(5）DC/DC 電源變換模塊為組件內(nèi)部各組成部分提供所需要的不同電壓和功率的直流供電。

2 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 組件電路的結(jié)構(gòu)形式

本T/R組件(以下簡稱組件）電路的設(shè)計嘗試使用了一種“三明治”式的結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相比具有體積小、重量輕、高可靠、電磁兼容性好的優(yōu)點(diǎn)。下面將對該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行簡要描述。如圖2所示，將兩塊相似的具有多個空腔結(jié)構(gòu)的金屬殼體上下夾住中間的一整塊多層微波復(fù)合介質(zhì)基板，使預(yù)先設(shè)計的基板表面鍍金條形地平面和相對應(yīng)的組件殼體結(jié)構(gòu)筋條相接觸，從而構(gòu)成多個相互獨(dú)立的腔體。如圖3所示，在各腔體區(qū)域，多層微波復(fù)合介質(zhì)基板的上下表面則布有包括微帶電路在內(nèi)的多種類型電路，并高密度電裝各種有源和無源表貼器件，對于散熱要求高的大功率器件如功放單元等則通過在基板上挖槽將大功率器件埋入并與底部金屬殼體直接接觸的安裝方式實(shí)現(xiàn)熱量的快速導(dǎo)出。

圖2 組件的結(jié)構(gòu)形式三維圖

圖3 組件的結(jié)構(gòu)形式及器件安裝方式示意圖

該結(jié)構(gòu)形式的好處主要體現(xiàn)在3個方面:首先，由于多層微波復(fù)合介質(zhì)基板的雙面都能安裝器件，大幅提高了組裝密度，使得集成度較單面安裝器件基板高出一倍，這顯著縮小了組件基板的面積，相應(yīng)的組件殼體尺寸也得以同步減小，從而有效減輕了組件的重量。此外，由于整個組件所有功能單元都制作在一整塊多層復(fù)合介質(zhì)基板上，通過基板內(nèi)部走線即可完成各功能單元間的互連，無須使用飛線跨接，從而大幅減少了接續(xù)和焊點(diǎn)的數(shù)量，使得組件的可靠性顯著提高。另外，由于功能電路都位于相互獨(dú)立的腔體內(nèi)，避免了互相之間的輻射干擾，從而改善了電磁兼容性能并提高了電路的穩(wěn)定性與可靠性。

2.2 多層微波復(fù)合介質(zhì)基板

多層微波復(fù)合介質(zhì)基板與普通的用于數(shù)字電路的多層互連基板相比有本質(zhì)的不同。如圖4所示，為提高布線密度和器件的組裝密度，多層微波復(fù)合介質(zhì)基板中的微帶線地平面不設(shè)在基板背面，而是位于基板中間層。由于與系統(tǒng)的微波信號地之間沒有電氣互連，該微帶傳輸結(jié)構(gòu)實(shí)際上已不是典型的微帶線結(jié)構(gòu)，傳輸線的傳輸模式發(fā)生了改變，所以其傳輸性能如反射、損耗等會出現(xiàn)明顯惡化。為了解決上述問題，本設(shè)計中采用了設(shè)置接地通孔將位于中間層的地平面與基板底面的條形鍍金接地面相連接使位于中間層的微帶地平面與殼體(系統(tǒng)的微波信號地）相連的方法，重建一條信號返回電流低阻抗通道，達(dá)到了恢復(fù)上述非典型微帶線結(jié)構(gòu)傳輸性能的目的。為得到最佳傳輸性能，信號環(huán)路面積必須最小，所以設(shè)置的接地孔與基板邊緣間距應(yīng)越小越好［3］，同時還需通過電磁仿真軟件對過孔直徑和間距參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以得到效果最佳的孔徑與間距值。

本設(shè)計的多層微波復(fù)合介質(zhì)基板共6 層，表層主要為微帶電路與電源電路，在第2 層和第5 層設(shè)置地平面。底層主要為控制電路和少量微帶電路。其余層為電源線、控制線、數(shù)據(jù)線的布線。層間用金屬填充孔實(shí)現(xiàn)信號之間的互連。

圖4 組件多層微波復(fù)合介質(zhì)基板分層布局示意圖

2.3 高功率密度功放

本T/R組件發(fā)射通道需要達(dá)到數(shù)百瓦的射頻功率和很高的增益，為此不得不進(jìn)行多級放大及復(fù)雜的功率分配與合成，使功放電路成為整個組件中面積最大、重量最重、功耗最大、失效概率最高的功能電路。因此，功放電路設(shè)計的是否緊湊小巧、是否穩(wěn)定可靠是關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)組件小型化和高可靠性的關(guān)鍵。

為盡可能提高功率密度以減小功放電路的面積，使用一種高增益功放MCM(多芯模塊）作為第一級推動。該MCM 采用微組裝工藝將多級功放裸片在內(nèi)部進(jìn)行高度混合集成，并封裝在一塊很小的管殼內(nèi)，從而在很小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)47 dB的高增益。功放末級采用四個輕巧型的200 W 功放單元合成輸出800 W 功率。該功放單元將兩只100 W 功率管直接并排燒結(jié)在一小塊薄銅襯底上，低阻抗匹配條件下合成出約200 W功率。其尺寸較常規(guī)單管功放單元要小得多，厚度也很薄，因而重量很輕。末級功率的分配/合成器采用層壓串饋形功率分配/合成技術(shù)，由于層壓串饋具有體積小、重量輕、端口位置設(shè)計靈活非常便于布局的優(yōu)勢(如圖5所示），因此提高了末級功放的緊湊程度和功率密度，進(jìn)一步減小了組件的體積和重量。

圖5 采用串饋分配/合成器的末級功放示意圖

電路振蕩的有效防止是功放設(shè)計尤其是高增益功放設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)，它直接決定了功放電路能否穩(wěn)定可靠地工作。本設(shè)計采取級間安裝隔離器，在直流饋電線路上設(shè)置濾波器抑制傳導(dǎo)通路的反饋，用基板接地條與殼體筋條配合在級間形成完全獨(dú)立隔腔的方式杜絕空間耦合反饋，通過仿真分析合理設(shè)置隔腔的尺寸使諧振點(diǎn)遠(yuǎn)離功放的工作頻率等方式防止電路產(chǎn)生振蕩，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有很好的效果。

3 研制結(jié)果

應(yīng)用上述小型化與高可靠的設(shè)計實(shí)現(xiàn)方法，本文成功研制了一種S波段高功率T/R組件。該T/R組件在脈寬200 μs，占空比10%的條件下輸出功率可達(dá)800 W，其凈尺寸為300 mm×192 mm×26 mm(不含散熱器），重量僅為3 kg，與傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)的高功率T/R組件相比，其體積重量明顯減小，可靠性更高。

4 結(jié)束語

本文研究的小型化與高可靠設(shè)計方法的應(yīng)用顯著縮減了S波段高功率T/R組件的體積重量，降低了故障率，為適裝于高機(jī)動野戰(zhàn)防空系統(tǒng)、輕型護(hù)衛(wèi)艦等中小型作戰(zhàn)平臺的輕巧型一維相掃有源相控陣三坐標(biāo)雷達(dá)的成功研制奠定了基礎(chǔ)。本文的工作也可為其他類型T/R組件、微波組件的小型化、高可靠性能的研究提供參考和幫助。

［1］張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1994:171-174.

［2］胡明春，周志鵬，嚴(yán)偉.相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010:17-18.

［3］姜偉卓，符鵬，王峰.LTCC 多層微波傳輸線的性能優(yōu)化研究［J］.電子機(jī)械工程，2006，22(6）:46-47.