一種新型小型化收發組件的設計

張國強 楊 莉 崔 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

毫米波制導兼有微波制導和紅外制導的優點，毫米波天線的旁瓣可以做得很低，敵方難以截獲，這就增加了集中干擾的難度。同時毫米波制導系統受導彈飛行中形成的等離子體影響較小，國外許多導彈的末制導均采用了毫米波制導系統［1］。

隨著現代制導技術的發展，對精度和距離的要求越來越高，相應對雷達導引頭提出新的要求，特別是導引頭的關鍵部件，收發組件必須滿足高功率、小體積、輕重量的要求。

基于以上分析，需要對精確制導系統中的核心部件毫米波收發組件，進行重點研究。文獻［2-3］對毫米波收發組件小型化技術進行重點研究，提出了一些組件小型化的設計方法。針對本組件的小型化要求，在兩路接收支路之間引入選通開關，將傳統的雙路接收并為一路，同時，對組件內部的過渡形式進行小型化處理，這樣可以最大化的減小體積。結合導引頭對毫米波收發組件的要求，設計出了一種高功率、小體積、輕重量的毫米波三收一發集成組件，其輸出功率達到2W，接收增益達到23dB，體積Φ 40mm×15mm，重量為95g。

1 設計分析

毫米波收發組件主要完成對發射激勵信號的功率進行放大，然后送至天線輻射單元;以及完成對接收回波信號的低噪聲放大、下變頻處理后送至中頻接收機。

基于以上功能分析形成如下原理框圖:

圖1 收發組件原理框圖

此外，由于應用在復雜工作環境，在滿足系統電性能技術指標的前提下，應重點考慮以下3 個方面:一是采用成熟技術和電路設計，壓縮元器件種類和品種，保證設計的可靠性和繼承性;二是盡量簡化方案設計，不以追求高指標為目標，降低系統的復雜度;三是采用主/備設計，通過設置冗余電路降低設備的失效率。根據如上的原理框圖設計，形成如下的技術指標要求:

工作頻率:f1～f9GHz;

和口發射功率:≥+33dBm;

和口接收增益:≥23dB;

差口接收增益:≥23dB;

接收噪聲系數:≤6dB;

體積:≤Φ 40mm×15mm;

重量:≤100g。

1.1 傳輸波導的設計

一般情況下，在Ka 波段的傳輸系統中均采用BJ320 的標準波導，其尺寸為3.56mm ×7.12mm，而在本文設計中，由于體積和尺寸的苛刻要求，采用標準波導，已經不能滿足布局要求，有必要選擇合適的非標波導作為傳輸媒介。這種選擇主要基于以下幾方面的考慮:

a 單模傳輸條件

在一般情況下，為了避免在波導中同時存在多個模式引起的干擾，比如不均勻性引起模式間的耦合使波導元件的設計復雜化，在不同模式下因相速不同引起信號失真等等，實用的波導系統都盡可能的采用單模波導。在矩形波導中，由于TE10波的λc最大，與它最接近的是TE20或TE01波的λc，因而只要傳輸波的工作波長介于它們之間，TE10波的單模傳輸就有可能，單模傳輸條件可以寫成:

上面給出了單模工作λ 的范圍，亦即頻率范圍。對于a≥2b的波導來說，上述條件可以簡化為:2a＞λ＞a。

b 功率容量考慮

根據烏莫夫-坡印亭定理［4］，通過規則波導的傳輸功率為:

對于TE模

根據上述單模傳輸條件及功率容量分析，最終確定選擇a=6mm，b=2mm 的非標波導作為輸出傳輸波導。

1.2 輸出微帶－波導轉換設計

微帶-波導轉換作為一種傳統的轉換形式，在高頻段應用比較多。微帶-波導過渡，類似于同軸到波導的轉接，也就是將微帶插入波導形成探針。由電磁理論可知:任意一個沿探針方向的具有非零電場的波導模在探針的表面激勵起電流，根據互易定理，當微帶線上準TEM 模向波導入射時產生的電流也同樣激勵起波導模。為了與矩形波導的主模TE10模耦合最強，根據微帶與波導模式電場場分布的特點，微帶線作為探針從波導的寬邊中心插入，置入TE10模電場強度的最大處［5-6］，這樣就保證了能量最大效率耦合到波導腔。

如下圖是微帶-波導轉換的仿真建模及尺寸圖:

圖2 垂直過渡仿真建模

設計中采用Rogers5880 作為微帶探針，基片厚度為0.127mm，介電常數為2.2，根據圖4 的尺寸進行仿真優化，優化結果表明該微帶-波導過渡插損可以達到0.1dB，端口駐波可以達到1.2，在后期的微帶和波導的加工中嚴格控制誤差，可以滿足設計要求。

1.3 垂直過渡的設計

垂直過渡作為微波信號不同層之間的互聯形式，在組件的設計中被經常使用，常見的有微帶-帶狀線的過渡［7-8］。為了滿足信號的饋入要求，需要設計垂直過渡進行轉換。該過渡位于射頻信號輸入端及中頻信號輸出端，設計的目的一方面要保證發射激勵信號及本振基準信號通過垂直過渡饋入發射鏈路，另一方面要滿足中頻信號良好的傳輸要求。

設計中考慮空氣過渡對微波信號傳輸的影響，如下圖在HFSS 中仿真建模:

圖3 垂直過渡仿真曲線

圖4 微帶-波導轉換仿真建模及尺寸

圖5 微帶-波導過渡仿真曲線

設計中充分考慮裝配誤差對性能的影響，同時加工尺寸留有冗余，仿真結果表明該垂直過渡插入損耗達到了0.1dB，端口駐波滿足1.2 的要求，可以保證信號的良好傳輸。

1.4 組件實物

根據如上設計分析，最終形成如下收發組件三維圖及加工實物圖:

圖6 收發組件三維圖和實物圖

圖7 實物測試曲線

由上述測試結果可知，在頻帶內，輸出功率和接收增益滿足設計要求，接收噪聲系數有惡化的現象，初步估計是由于接收支路傳輸路徑過長及器件本身的插損過大造成，可以在后續的設計中加以改進，從而使技術指標更加優化。

2 結 論

采用HFSS 仿真設計軟件，設計出了一種小型化的的毫米波收發組件，設計指標與工程實測基本一致，從而印證了該設計方法在組件小型化設計中的可行性。

［1］呂海濤.毫米波精確制導技術及其發展概況［J］.飛航導彈，2010，5:58-61.

［2］劉源.Ka 頻段收發組件小型化技術研究［D］.成都:電子科技大學.2009.

［3］王衛華，周章洪，江元俊.一種高功率小型化T/R 組件發射通道的設計［J］.現代雷達，2005，27(7):54-57.

［4］王文祥.微波工程技術［M］.成都:電子科技大學出版社，2006:38-40.

［5］朱大紅，齊鋒.Ka 波段波導-微帶轉接器的設計［J］.微波學報，2008(10):140-144.

［6］Joe Purden，David Zimmerman and Mike Miller.A New Vertical Transition for FR-4 Based Millimeter-wave MCMs［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2012，12:333-335.

［7］Mario Leib，Michael Mirbach，and Wolfgang Menzel.An Ultra-Wideband Vertical Transition from Microstrip to Stripline in PCB Technology［J］.IEEE International Conference on Ultra-Wideband，2011，3:267-273.

［8］Qingchou Huang，Shu Zhang，Wanshun Jiang.A Shielded Microstrip-to-Stripline Vertical Transition for Multilayer Printed Circuit Board［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2012，12:2267-2273.