一種四通道X波段T/R組件的設計

張紅英 雒寒冰 楊晶晶 周蓓 張鑫裴

摘要：本文描述了一種四通道X波段T/R組件的設計，組件由微波電路、控制電路等構成，適應高速率工作，集成了負壓保護、溫度檢測等功能，可應用于有源相控陣雷達中。該T/R組件經過測試及各項考核試驗，性能良好，工作穩定。

關鍵詞：四通道；多功能芯片；T/R組件

中圖分類號：TN722 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0141-02

有源相控陣雷達具有功率高、作用距離遠、分辨率高、通用化等優勢。近年來，有源相控陣雷達發展迅速。T/R組件是有源相控陣雷達的關鍵部分，典型有源相控陣中每個陣元后都會接一個T/R組件。T/R組件是根據雷達總體的設計方案，考慮電性能、外形、重量、散熱等指標進行具體設計。

1 功能要求與主要技術指標

1.1 功能要求

4通道X波段T/R組件用于有源相控陣天線。組件有1個射頻輸入激勵口，經1/4功分后由4個射頻輸出口，1個25芯接插件（控制及電源）。

X波段T/R組件為一個集成了多個功能電路單元的MMCM（微波多芯片組件）產品。主要包括T通道、R通道、電源控制電路、安裝殼體和相應的接插件。其主要功能如下：（1）接收饋入的射頻發射脈沖信號，經移相放大后，通過環行器輸出至外接的天線輻射單元；（2）從天線輻射單元接收輸入的射頻信號，由環隔器輸入，經限幅、放大、移相和衰減后輸出，輸出至激勵口；（3）可以實現單通道控制，即每個通道可以單獨控制處于關閉、待機狀態；（4）可以實現接收、發射分別控制，即接收與發射待機位分開；（5）T/R通道具有溫度監測功能，輸出溫度檢測信號至BIT端口。

1.2 主要技術指標

（1）工作頻段：f0±500MHz；（2）發射指標：輸出功率≥33.5dBm；發射效率≥35%；（3）接收指標：接收增益≥25dB；噪聲系數≤2.5dB；數控移相、衰減指標；（4）移相精度≤3°（RMS）；衰減精度≤0.5dB（RMS）；（5）其他指標：各端口駐波≤2；組件長×寬×高≤66mm×60mm×8mm。

2 方案設計

2.1 微波電路設計

（1）發射通道性能指標分配及核算，如圖1所示。

經計算，發射通道的性能參數如下：1）飽和輸出峰值功率：Pout=+33.5dBm；2）典型功率增益：Gp=31.5dB；3）發射效率：≥35%。

（2）接收通道性能指標分配及核算，如圖2所示。

經計算，接收支路的性能參數如下：1）噪聲系數：NF=2.5dB；2）增益：G=25.2dB；3）耐功率：≥40dBm（連續波）。

2.2 控制電路設計（圖3）

2.2.1 控制信號處理單元

在組件的低頻通訊端口，輸入控制信號（時鐘、數據、鎖存）為差分對形式。差分對形式可抗串擾、干擾、地彈等，在較高碼速率下，能實現較遠距離的信號傳輸。組件內部，一方面，差分對布線占用較多印制板資源；另一方面，組件內部尺寸較小，相較于外部傳輸線，可忽略。故在組件內部，采用DS26LV32AT模塊將差分信號轉換成單端信號。DS26LV32AT具有高時鐘頻率（32MHz）、低功耗（30mW）的特點。

2.2.2 地址選通單元

組件為4通道，需實現每個通道單獨控制。組件的低頻通訊端口輸入兩個地址選擇信號S2、S1。本組件通過譯碼器，實現4通道的單獨控制。

2.2.3 負壓保護單元

組件中的末級功放，采用雙電源工作，加電順序應為先加柵極電壓（負壓），后加漏級電壓（正電）。若非正常順序加電，會導致末級功放燒毀。故在組件中引入負壓保護電路。其作用為，檢測輸入負電源是否在正常范圍，若正常，正電可加在功放漏級，若不正常，正電不能加在功放漏級。負壓保護單元，可實現組件的無次序加電，保護關鍵器件—功放芯片不因加電失誤而燒毀。

2.2.4 發射調制單元

發射調制單元，主要功能是將低頻通訊端口輸入的發射指令信號，驅動輸出較大電流，調制功放漏級，實現漏級電流的導通和關斷。該電路由MOS管驅動器和MOS管組成。該單元有功耗低、速度快、上升沿下降沿好等優點。

2.2.5 溫度傳感單元

T/R組件是一個高度集成的多功能模塊，同時也是一個功率耗散高度密集的模塊，考慮到一個大的陣列需要成千上萬個單元的背景。我們需要對組件的溫度進行實時監控。本單元采用數字溫度傳感器，精度高，體積小，轉換速率快、測溫范圍大。傳感器與上位機之間用單線連接，可雙向通訊。

2.3 結構設計

組件結構設計，是組件設計的關鍵環節，組件的結構直接關系著組件的外形、重量，還會影響組件的電性能、電磁兼容性、散熱等性能。工程化階段，還涉及到成本、周期等因素。兼顧各方因素，組件的結構設計應考慮以下方面：（1）材料的選擇：主要考慮材料的加工性能、熱脹和熱導性能、密度、以及電鍍和三防性能等。（2）加工精度：為了實現結構件之間的熱脹匹配以及電磁傳輸性能，必須對蓋板與盒體、接插件與盒體、器件與盒體間的加工精度和公差配合進行合理設計。（3）腔體設計：為了減小腔體空間較大對微波信號的空間影響，在設計時對多余的空間進行了壓縮，保證腔體盡可能的窄小，同時為了減輕組件重量，將一些位置銑掉多余部分。同時為了減少組件四路之間的相互干擾，在設計中盡量壓縮公共部分的空間，使四路之間盡量隔斷，減少干擾。

2.4 熱設計

組件散熱形式為通過冷板散熱。盒體底面緊貼冷板，盒體內熱功耗最大的芯片為末級功放芯片，功耗分析如下：

末級功放輸出功率最大為2.5W，熱功耗為3.75W（連續波）。由功放至冷板的熱阻預估為6.8℃/W。考慮組件實際工作環境下，冷板溫度+80℃，則功放溝道溫度為105.5℃，低于150℃的安全工作溫度。

3 性能參數測試

如表1。

4 結語

本文介紹了一種四通道X波段TR組件的設計，包含微波電路、控制電路等內容，給出了產品的測試結果，結果滿足各項指標要求。產品經過各項考核試驗，工作穩定，性能良好，驗證了設計的合理性。

參考文獻

[1]胡明春，周志鵬，嚴偉.相控陣雷達收發組件技術[M].國防工業出版社，2010.

[2]（美）路德維格.射頻電路設計——理論與應用[M].科學出版社，2008.

[3]丁武偉，趙文普，穆仕博.有源相控陣雷達T/R組件技術研究[J].飛航導彈，2016，（12）：77-83.