X波段帶幅度加權(quán)功能T/R組件設(shè)計(jì)

趙 亮,杜小輝

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210013)

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X波段帶幅度加權(quán)功能T/R組件設(shè)計(jì)

趙 亮*,杜小輝

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210013)

體積小、重量輕、高性能、高可靠性的T/R組件的研制已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)。介紹了一種具有收發(fā)幅度加權(quán)功能的X波段T/R組件的原理及設(shè)計(jì)方法,該組件基于多層低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝實(shí)現(xiàn),在一塊LTCC基板上集成了電阻、電容、ASIC、MMIC等器件,最后給出了組件的測試結(jié)果。主要性能:發(fā)射功率大于40 dBm,接收增益大于20 dB,噪聲系數(shù)小于3.5 dB,重量90 g。

相控陣?yán)走_(dá);T/R組件;X波段;幅度加權(quán);LTCC

在相控陣?yán)走_(dá)的系統(tǒng)性能中,天線波束副瓣的性能是很重要的,其決定了雷達(dá)的抗干擾、抗反輻射導(dǎo)彈及雜波抑制等戰(zhàn)術(shù)性能。為實(shí)現(xiàn)具有低副瓣電平的天線,面陣必須具有加權(quán)功能[1-2]。

T/R組件是有源相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵部件,T/R組件的研制決定了整個(gè)雷達(dá)研制的性能、價(jià)格和可靠性[3-4],因此T/R組件的設(shè)計(jì)成為各雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一種帶幅度加權(quán)功能的T/R組件,該組件采用了低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)和表面微組裝互連技術(shù),在一塊LTCC基板上集成了多種微波單片、波控單片及電阻電容等無源器件,實(shí)現(xiàn)了組件的小型化、集成化設(shè)計(jì)。

1 帶幅度加權(quán)功能T/R組件設(shè)計(jì)方案

T/R組件的具體功能隨系統(tǒng)性能要求各不相同,但其基本電路形式類似,均由收發(fā)通道組成,其基本形式見圖1,主要由移相器、微波T/R開關(guān)、功率放大器、限幅器、低噪聲放大器、環(huán)行器以及控制電路等組成[5-7]。

圖1 T/R組件的基本形式組成框圖

圖2 具有發(fā)射加權(quán)功能T/R組件原理框圖

本組件的研制充分考慮了雷達(dá)整機(jī)的設(shè)計(jì)需求,組件原理框圖如圖2所示。該組件包含4路發(fā)射通道及4路接收通道,為實(shí)現(xiàn)收發(fā)幅度加權(quán)的功能,結(jié)合組件收發(fā)分時(shí)工作的特點(diǎn),在收發(fā)通道增加共用電調(diào)衰減器,既有效減少了器件數(shù)量,又可以改善組件間的幅度一致性。為了獲得良好的性能和穩(wěn)定可靠的工作,在發(fā)射通道增加驅(qū)動(dòng)功率放大器以提高發(fā)射通道的增益,在功率放大器輸出端增加環(huán)形器以保護(hù)功率器件。同時(shí),該組件內(nèi)集成波控ASIC芯片,實(shí)現(xiàn)收發(fā)開關(guān)、移相器及衰減器的不同工作狀態(tài)切換。

該組件工作于發(fā)射狀態(tài)時(shí),波控信號控制開關(guān)1、開關(guān)2及開關(guān)3選通發(fā)射鏈路,使得由功分網(wǎng)絡(luò)饋至各通道的移相器的微波信號通過放大器2、衰減器、驅(qū)動(dòng)放大器,最后經(jīng)過功率放大器放大后,通過天線單元向空間輻射出去。接收時(shí),波控信號控制開關(guān)1、開關(guān)2及開關(guān)3選通接收鏈路,使得各天線單元接收到的微波信號通過環(huán)形器、低噪放1、低噪放2、放大器1、衰減器、放大器2、移相器,最后4路接收信號通過功分網(wǎng)絡(luò)合成后輸出供組件后級電路處理。

所有微波芯片、波控芯片及阻容器件等元器件高密度表貼在一塊多層低溫共燒陶瓷(LTCC)基板上。芯片間的互聯(lián)走線及微波通道均在多層基板內(nèi)部實(shí)現(xiàn),使得電路的尺寸、焊盤數(shù)量均大為減小,既提高了可靠性及組件幅相一致性,又節(jié)約了成本,減輕了重量。

根據(jù)這一方案,我們開展了T/R組件的研制工作,下面介紹關(guān)鍵技術(shù)研究情況和研制結(jié)果。

2 關(guān)鍵微波電路設(shè)計(jì)

2.1 功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

目前,一般采用功分器來實(shí)現(xiàn)多路收發(fā)通道信號的分配和合成。很多T/R組件設(shè)計(jì)中的功分器平面結(jié)構(gòu)的,這種平面結(jié)構(gòu)的功分器體積較大,難以滿足當(dāng)前微波組件小型化、集成化的發(fā)展趨勢[8-10]。本文設(shè)計(jì)了一種較新的微波器件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),即基于低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)的帶狀線三維結(jié)構(gòu)功分網(wǎng)絡(luò)。由于LTCC技術(shù)可以將電阻、電容和電感等無源元件埋置在多層互連基板中,因此具有高性能、低成本、高可靠性、小型化的優(yōu)點(diǎn)。

由于微波電路性能易受殼體結(jié)構(gòu)影響,因此進(jìn)行功分器仿真設(shè)計(jì)時(shí)有必要將組件結(jié)構(gòu)考慮進(jìn)來,圖3為一分四功分器的仿真模型。

圖3 T/R組件功分器仿真模型

仿真結(jié)果如圖4所示,可見,在整個(gè)波段內(nèi),傳輸損耗小于8 dB,4個(gè)輸出端口間隔離度大于24 dB,輸入端口駐波小于1.26,4個(gè)輸出端口駐波小于1.12。

圖4 功分器仿真結(jié)果

2.2 收發(fā)鏈路的設(shè)計(jì)

發(fā)射鏈路主要完成發(fā)射輸入信號的放大,對于X波段的工作頻率,組件通常采用GaAs FET或PHEMT有源器件來實(shí)現(xiàn)其高頻特性,在目前的器件水平下,砷化鎵PHEMT芯片可實(shí)現(xiàn)大于10 W的功率輸出。前級驅(qū)動(dòng)選用了2級MMIC實(shí)現(xiàn),第1級放大器進(jìn)行小信號的高增益放大,用以補(bǔ)償移相器、衰減器及開關(guān)所造成的增益損失,第2級驅(qū)放對信號進(jìn)一步放大,提供功率放大器所需的驅(qū)動(dòng)功率電平。

接收鏈路主要包含限幅器、低噪放、移相器、衰減器、開關(guān)等電路,由于組件接收增益較高,為保證組件的穩(wěn)定性,將增益進(jìn)行了分配,采用了多級放大器級聯(lián)的形式實(shí)現(xiàn)。

由于收發(fā)鏈路中包含大量微波芯片,芯片間的互聯(lián)一般采用金絲鍵合,金絲互聯(lián)模型見圖5。如果采用三維電磁場仿真對金絲的拱高、長度進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化則能夠提高組件整體駐波以及平坦度等指標(biāo),提高組件性能。

圖5 金絲互聯(lián)模型

圖6 T/R組件內(nèi)波控驅(qū)動(dòng)電路

2.3 波控驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

T/R組件的移相、衰減、收發(fā)切換等邏輯控制功能通過波控驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn),它對雷達(dá)波束形成起著重要作用。

當(dāng)需要改變雷達(dá)波束指向時(shí),每個(gè)T/R組件的波控電路即按照波控運(yùn)算產(chǎn)生的移相碼改變移相器的控制電平,達(dá)到移相要求。本設(shè)計(jì)中移相控制的位數(shù)為6位,相應(yīng)的控制精度為5.625°。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波束賦形和幅度補(bǔ)償時(shí),波控電路即控制衰減器工作,衰減器的控制位數(shù)也為6位,衰減精度為0.5 dB。T/R組件內(nèi)控制驅(qū)動(dòng)電路的框圖如圖6所示[2]。

3 電磁兼容設(shè)計(jì)

由于T/R組件的4路收發(fā)通道全部集成在一個(gè)很小的LTCC基板內(nèi),微波及控制信號布線極為密集,組件的電磁兼容設(shè)計(jì)顯得極為重要[11-12]。考慮到組件接收通道和發(fā)射通道可能相互影響,形成增益環(huán)路,因此將組件設(shè)計(jì)為分時(shí)工作模式,即在發(fā)射通道工作時(shí),接收通道斷電,在接收通道工作時(shí),發(fā)射通道斷電。同時(shí),為防止收發(fā)開關(guān)可能存在開關(guān)延滯導(dǎo)致收發(fā)通道同時(shí)打開形成增益回路的隱患,在波控收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)序中間插入一個(gè)中間狀態(tài),從而使得收發(fā)時(shí)序不會(huì)交叉,保證了收發(fā)通道間良好的隔離度。組件內(nèi)部微波傳輸通道使用了大量帶狀線和微帶線,傳輸線間會(huì)在空間內(nèi)相互耦合影響,同時(shí)由于組件內(nèi)部空間狹小復(fù)雜,微波信號在腔體內(nèi)會(huì)由于腔體效應(yīng)形成諧振,從而影響微波性能,因此必須采取合適措施消除危害。在本設(shè)計(jì)中通過采用金屬隔墻、微波電路分腔等方法對通道進(jìn)行空間隔離。

4 研制結(jié)果

利用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)和表面微組裝互連技術(shù)設(shè)計(jì)的4通道T/R組件實(shí)物照片如圖7所示。

圖7 T/R組件外形照片

對組件收發(fā)通道的性能指標(biāo)進(jìn)行了測試,主要測試結(jié)果見表1所示。

表1 T/R組件主要技術(shù)指標(biāo)測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

該組件具有收發(fā)幅度加權(quán)的功能,能夠有效提高陣面天線性能,同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、微波性能好、可靠性高的特點(diǎn),在艦載、機(jī)載、星載相控陣?yán)走_(dá)和通信領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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趙亮(1985-),男,碩士,主要從事微波T/R組件研制工作;

杜小輝(1977-),男,碩士,主要從事微波T/R組件研制工作。

ADesignofXBandT/RModulewiththeFunctionofAmplitudeWeighted

ZHAOLiang*,DUXiaohui

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China)

It is a research hotspot on the design of small size,low weight,high performance and high reliability microwave T/R module. The principle and design method of a kind of X-band T/R module is presented with the fuction of weighted Amplitude. The T/R module is based on LTCC multiplayer substrate technology,the T/R module is constructed on one base board and integrates resistance,capacitor,ASIC and MMIC,etc. Finally the test results are given. The T/R module provides over 40 dBm output power,23dB receive gain and less than 3.5 dB noise figure,weighs only 90 g.

phased array radar;T/R modue;X-band;amplitude weighted;LTCC

2014-05-06修改日期:2014-05-27

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.013

:TN882.4;TN958.92

:A

:1005-9490(2014)06-1072-04