相控陣大功率T/R模塊關鍵技術分析

蘇　斌，朱建立，王　建

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽　471009； 2.中國人民解放軍95899部隊，北京　100076)

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相控陣大功率T/R模塊關鍵技術分析

蘇斌1，朱建立1，王建2

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009； 2.中國人民解放軍95899部隊，北京100076)

摘 要:本文介紹了大功率T/R模塊的功能和原理。針對大功率T/R模塊自身的特點,結合工程經(jīng)驗,詳細分析了在設計和應用中功放調制電路設計、功放芯片殘余能量釋放、接收支路設計和儲能電容計算等關鍵技術。

關鍵詞:多通道;相控陣;T/R模塊;氮化鎵;大功率

0引言

彈載有源相控陣雷達能滿足雷達的探測距離、數(shù)據(jù)更新率、多目標跟蹤及測量精度等眾多需求。T/R模塊是有源固態(tài)相控陣雷達中的基本組成部分，朝著小、輕、短、薄以及低成本、高可靠、高性能方向迅速發(fā)展。為了更有效地探測和捕獲快速、機動、隱身目標，大功率T/R模塊應運而生，其發(fā)射支路采用GaN功放芯片，單通道輸出功率可達十瓦以上，同時接收支路還要具備低噪聲、大動態(tài)范圍的特點。

1大功率T/R模塊功能及組成

T/R模塊單通道電原理如圖1所示。

圖1單通道大功率T/R模塊電原理圖

在發(fā)射狀態(tài)下，發(fā)射信號由數(shù)控移相器按外部波控機傳送的波控數(shù)據(jù)進行移相，信號由低功率T/R開關進入發(fā)射通道，經(jīng)驅動級功率放大器進行放大，最后由GaN功率放大器進行功率放大，使輸出功率達到要求，經(jīng)過環(huán)形器由天線向空間輻射。

在接收狀態(tài)，天線接收的信號由環(huán)形器輸入到接收通道，經(jīng)限幅保護電路、低噪聲放大器和數(shù)控衰減器進行放大和幅度調整，然后由低功率T/R開關送數(shù)控移相器進行移相，最后輸出到饋電網(wǎng)絡。

2關鍵技術

2.1GaN功放芯片

目前國內GaN功放芯片日益成熟，與GaAs功放芯片相比，具有漏壓高、功率大、結溫高、效率高的特點。

在T/R模塊中使用時，GaN功放芯片與GaAs功放芯片相比，除了要考慮自激、散熱等問題，還要解決調制電路、芯片能量釋放等問題。

2.1.1調制電路設計

GaN功放芯片調制電路原理圖如圖2所示。

圖2GaN功放芯片調制電路原理圖

大功率T/R模塊功放調制電路設計中，開關管的驅動器是關鍵。開關管用+28 V和驅動器輸出T1信號控制開關管的通斷，常用驅動器輸出的控制信號低電平對地電壓為0 V，但是開關管無法承受28 V的壓差。T信號為TTL信號，經(jīng)過驅動器后T1脈沖信號的低電平需要抬高十幾伏，使得T1在高電平時，開關管處在關斷狀態(tài)；T1在低電平時，開關管處在打開狀態(tài)。

抬高T1信號低電平的原理是采用上拉電阻分壓、多個PN結串聯(lián)導通累計壓差、穩(wěn)壓二極管等方式。利用上拉電阻分壓方式的優(yōu)點是電路簡單，缺點是若所選分壓電阻大，驅動器內LC電路充放電時間加長，T1的上升沿、下降沿時間加長，能達到150 ns；若分壓電阻小，則電阻耗電多，發(fā)熱多。用多個PN結串聯(lián)的方式可以用N個PN結串聯(lián)正導通，每個PN結的壓降為0.7 V，則N個PN結可以使低電平抬高(0.7×N) V，優(yōu)點是PN結導通時阻抗很小，不會對驅動器端口阻抗造成影響，反應速度快，缺點是所占體積大。可以用穩(wěn)壓二極管來替代串聯(lián)PN結，解決上面兩種方式的缺點。

由于控制GaN功放芯片調制電路與GaAs驅動放大器的調制電路原理不同，造成相對于同一個時間基準時間延時不同，前者要比后者延遲180 ns左右，即驅動放大器工作180 ns后功放才開始工作，因此在模塊設計、使用時要對時序進行考慮，保證GaN功放和GaAs驅放在工作時合理的時序嵌套。GaN功放的漏壓典型值為+28 V，當功放工作或關斷時，電壓變化范圍為28 V，造成功放在脈沖條件下工作的上升沿或者下降沿大約在80 ns左右。GaAs驅放漏壓典型值為+8 V，上升下降沿可以控制在30 ns以內。為了得到比較小的上升下降沿，可以通過控制圖1中微波開關的關斷把上升下降沿不需要的部分去掉。

2.1.2芯片殘余能量釋放

GaN功放芯片輸出功率大，通過控制漏壓關斷后在芯片內還殘留一部分的能量，這部分能量若無特殊處理會通過芯片的地釋放掉，通過示波器測功放的檢波包絡發(fā)現(xiàn)下降沿會有拖尾，若不加處理，在這段時間內模塊的噪底會抬高10 dB左右，造成系統(tǒng)靈敏度下降。在圖1中微波開關和調制器的控制信號可能存在時序嵌套的關系，導致在示波器上無法看見檢波包絡的拖尾現(xiàn)象，造成假象，可以通過頻譜儀觀察噪底抬高情況加以判斷。

為了避免噪底抬高問題，可以采用兩種解決方法。第一種方法是增加發(fā)射與接收脈沖之間的保護時間，即在一個周期內發(fā)射脈沖控制功放工作結束后，使得芯片內能量釋放掉，再開始接收狀態(tài)。這樣在芯片釋放殘余能量的時間內接收狀態(tài)未工作，避開了噪底抬高對接收狀態(tài)的影響。雷達系統(tǒng)工作在重頻較高的情況下，拖尾時間對系統(tǒng)占空比影響較大，可以采用第二種方法。該方法是通過給功放芯片提供一個對地回路，使得芯片內殘留能量能夠快速釋放掉，時間可以控制在100 ns以內，從而減少了接收發(fā)射之間保護時間。常用的方法如圖3所示，當功放工作結束時，殘留的電壓與控制邏輯共同作用使MOS管導通，殘留能量得以釋放。

圖3功放放電電路原理圖

2.2接收支路設計

T/R模塊在輸出口需要能夠進行收發(fā)切換，但是目前國內可以用于T/R模塊的開關耐功率無法達到10 W量級，同時為了避免由于隔離度不夠從發(fā)射支路泄漏到接收支路的微波信號造成對低噪放的損壞，采用雙節(jié)環(huán)形器配合限幅器的方法。收發(fā)切換電路原理圖見圖4。連接功放和天線的環(huán)形器作為收發(fā)轉換開關，發(fā)射支路工作時，功放輸出的信號經(jīng)過環(huán)形器傳輸?shù)教炀€，與接收支路的隔離度在20 dB左右； 接收支路工作時，天線把接收到的信號通過環(huán)形器傳輸?shù)浇邮罩罚c發(fā)射支路的隔離也在20 dB左右。另外一個環(huán)形器作為隔離器使用，由于它不是靠內部的吸收片來吸收反射功率，而是將反射波在另一端口輸出，再用大功率負載吸收掉反射功率，因而可以承受較大的功率。

圖4收發(fā)切換電路原理圖

由于天線單元在不同工作條件下有源駐波不同，可能有較大能量反射回接收支路，經(jīng)過第二級環(huán)形器后傳輸?shù)较薹魃希薹鲿瓷湟徊糠纸o第二級環(huán)形器，通過環(huán)形器另一個端口的吸收負載把能量消耗掉，從而保護了低噪放。若只用一級環(huán)形器，限幅器反射回來的能量會引起環(huán)形器端口失配，破壞了電路的穩(wěn)定性，可能引起功放或者限幅器燒毀。

2.3儲能電容

在彈載相控陣系統(tǒng)中，對T/R模塊提供能量的天線電源帶載能力要求很高。為了提高相控陣系統(tǒng)的性能，盡可能地提高T/R模塊的峰值功率和發(fā)射占空比，造成數(shù)以百計的T/R通道累積起來的平均電流和峰值電流很大。

由于受體積的限制，天線電源帶載能力未必十分充裕。若儲能電容過少，天線電源在大負載的情況下不能提供足夠的電流，造成在一個調制周期內電壓波動過大，會對天線電源和功放芯片造成傷害；若儲能電容過多，天線電源容性負載過大，會導致天線電源燒毀。同時天線電源自身性能測試時，由于電子負載或假負載不能真實模擬T/R模塊的容性和阻性負載，增加了天線電源和T/R模塊聯(lián)試的風險。因此選擇合適的T/R模塊儲能電容顯得尤為重要。

在極端情況下，T/R模塊儲能電容能夠滿足一個周期內T/R模塊在發(fā)射狀態(tài)正常工作所需要的能量即可。

若T/R模塊正常工作時的峰值功率為P，一個周期內的工作時間為t，則正常工作需要能量為

W=Pt

儲能電容的容量為C，其兩端的電壓為U1，則電容儲存的能量為

W1=C(U12)/2

T/R模塊能夠正常工作的最低輸入電壓為U2，則此時儲能電容剩余的能量為

W2=C(U22)/2

在這個過程中儲能電容釋放的能量為

W=W1-W2=C(U12-U22)/2

應該等于電路維持正常工作所需的能量W=Pt，所以

C(U12-U22)/2=Pt

由此得出電路維持時間t所需的電容量為

C=2Pt/(U12-U22)

3結論

經(jīng)過技術進步和大量工程經(jīng)驗積累，制約GaN大功率芯片應用于T/R模塊的技術問題已經(jīng)得到了解決，小型化、大功率、高集成度T/R模塊在彈載相控陣系統(tǒng)上已經(jīng)開始應用。目前其模塊效率可以超過30%，單通道發(fā)射功率大于15 W。由大功率T/R模塊組成的相控陣天線將大幅度提高導引頭的探測距離和反隱身能力。

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Analysis on Key Technologies of High Power T/R Module Used for Phased Array

Su Bin1, Zhu Jianli1，Wang Jian2

(1.China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China； 2.Unit 95899 of PLA，Beijing 100076，China)

Abstract:The function and principle of high power T/R module are introduced. According to its own characteristics, combined with engineering experience, the design and application of key technology such as power amplifier modulation circuit design, power amplifier chip residual energy release, receiving channel design and storage capacitance calculation are analyzed.

Key words:multi-channel; phased array; T/R module; GaN; high power

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.01.004

收稿日期：2015-07-29

作者簡介：蘇斌(1981-)，男，河南南陽人，碩士，研究方向為微波電路系統(tǒng)與器件。

中圖分類號:TJ765.2+2;TN958.92

文獻標識碼:A

文章編號:1673-5048(2016)01-0025-03