一種高集成多通道數(shù)字收發(fā)陣列模塊設(shè)計(jì)

周海進(jìn) 雷國(guó)忠 康 穎 王嘉煜 張思明

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有源相控陣?yán)走_(dá)向數(shù)字化方向發(fā)展的趨勢(shì)和應(yīng)用需求日益強(qiáng)烈。與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)相比，其具有動(dòng)態(tài)范圍大、多波束、系統(tǒng)工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。數(shù)字收發(fā)陣列模塊作為此型雷達(dá)的關(guān)鍵部件，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占據(jù)舉足輕重的地位，其設(shè)計(jì)研制的難點(diǎn)不僅在于需要完成雷達(dá)探測(cè)信號(hào)的數(shù)字化收發(fā)，上、下行數(shù)據(jù)的預(yù)處理及傳輸功能[5-7]，還應(yīng)具備高集成、輕量化的特點(diǎn)，以滿(mǎn)足大型數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

本文中基于數(shù)字化、集成化的設(shè)計(jì)思想，詳細(xì)介紹了一種S波段8通道數(shù)字收發(fā)陣列模塊的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)將直流電源轉(zhuǎn)換、基帶數(shù)據(jù)預(yù)處理及傳輸、數(shù)字-中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換及收發(fā)、本振功分及上下變頻、時(shí)鐘信號(hào)分配網(wǎng)絡(luò)、射頻收發(fā)等功能模塊開(kāi)展一體化設(shè)計(jì)，結(jié)合數(shù)?；旌霞杉夹g(shù)和多層微波-數(shù)字混壓PCB技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多通道數(shù)字收發(fā)模塊的高度集成，為進(jìn)一步開(kāi)展全數(shù)字收發(fā)有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的研制提供了有效支撐。

1 組成與功能

如圖1所示，多通道數(shù)字收發(fā)陣列模塊在雷達(dá)系統(tǒng)中處于信號(hào)處理機(jī)與輻射天線(xiàn)陣列之間。內(nèi)部主要由直流電源變換、光電轉(zhuǎn)換、基帶數(shù)據(jù)傳輸及預(yù)處理、系統(tǒng)時(shí)鐘/本振功分網(wǎng)絡(luò)及8路收發(fā)通道等五大部分組成。各部分的主要功能為：

1)直流電源變換：包括DC-DC轉(zhuǎn)換及線(xiàn)性穩(wěn)壓，主要功能是將外部集中式電源送入的+28V電壓轉(zhuǎn)換為各功能器件所需的電壓類(lèi)型；

2)光電轉(zhuǎn)換：完成基帶數(shù)據(jù)及控制信號(hào)在光纖與FPGA之間的傳輸轉(zhuǎn)換；

3)基帶數(shù)據(jù)傳輸及預(yù)處理：通過(guò)FPGA芯片完成信號(hào)在模塊與外部信號(hào)處理機(jī)間的傳輸及部分預(yù)處理功能；

4)系統(tǒng)時(shí)鐘/本振功分網(wǎng)絡(luò)：對(duì)外部送入模塊的系統(tǒng)時(shí)鐘/本振信號(hào)進(jìn)行多路等功率、同相位分配，并傳送至各收發(fā)通道；

5)收發(fā)通道：發(fā)射端主要完成激勵(lì)信號(hào)波形產(chǎn)生、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)、上變頻及小信號(hào)放大、大功率飽和放大及射頻濾波輸出等功能；接收端主要完成對(duì)回波信號(hào)的低噪聲放大、下變頻及濾波處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)及數(shù)字正交下變頻等處理。

2 關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)思路

2.1 收發(fā)通道設(shè)計(jì)

數(shù)字收發(fā)陣列模塊的收發(fā)通道設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的模擬收發(fā)陣列模塊通道設(shè)計(jì)稍有不同，主要區(qū)別體現(xiàn)在各通道內(nèi)部需對(duì)收發(fā)信息進(jìn)行數(shù)字化處理。若采用分立式元器件搭建鏈路，不僅成本昂貴，且不符合數(shù)字陣列模塊高集成度設(shè)計(jì)的要求。在本設(shè)計(jì)中，我們將信號(hào)數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換及上、下變頻部分集成設(shè)計(jì)為數(shù)?；旌霞赡K，與后端模擬收發(fā)放大模塊搭配構(gòu)成完整收發(fā)通道，原理組成框圖如圖2所示。發(fā)射狀態(tài)下，信號(hào)處理機(jī)發(fā)送的I/Q基帶數(shù)據(jù)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及FPGA處理后送入數(shù)?；旌霞赡K，與其內(nèi)部的NCO信號(hào)進(jìn)行數(shù)字正交上變頻，產(chǎn)生中頻激勵(lì)信號(hào)經(jīng)外部中頻濾波器濾除鏡頻和帶外雜散后，送入上變頻器與本振信號(hào)相減產(chǎn)生射頻激勵(lì)小信號(hào)，然后經(jīng)功率放大模塊進(jìn)行飽和放大，再經(jīng)環(huán)形濾波組件輸出至外部輻射天線(xiàn)。接收時(shí)，回波射頻信號(hào)經(jīng)限幅低噪放放大、下變頻、中頻濾波、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換及DDC正交下變頻處理后，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)通過(guò)FPGA及光纖傳送至外部信號(hào)處理機(jī)。

2.2 本振功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

多通道數(shù)字收發(fā)模塊外部輸入的射頻信號(hào)主要包括本振信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。如圖1所示，兩種信號(hào)均需通過(guò)一分八功分網(wǎng)絡(luò)分配至各收發(fā)通道，硬件實(shí)現(xiàn)則以微帶功分網(wǎng)絡(luò)形式在多層混壓印制板的頂面和底面分別排布以避免交叉?zhèn)鬏敗？紤]電磁兼容因素，本振分配網(wǎng)絡(luò)分布于印制板底面，并借助底部結(jié)構(gòu)件殼體開(kāi)槽形成本振功分網(wǎng)絡(luò)傳輸封閉腔。信號(hào)經(jīng)一分二功分器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)多路分配后，通過(guò)貫穿多層混壓印制板的低損耗金屬化過(guò)孔傳輸至頂面數(shù)模混合集成模塊相應(yīng)管腳。圖3和圖4分別給出了本振功分網(wǎng)絡(luò)及低損耗穿層傳輸過(guò)孔的仿真模型和計(jì)算結(jié)果。

2.3 電源變換設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)送入數(shù)字收發(fā)陣列模塊、供電信號(hào)為單一直流+28V電源。模塊內(nèi)部各器件所需電壓如+5V、-5V、模擬/數(shù)字+3.3V、+1.8V等近10種類(lèi)型均是由+28V通過(guò)DC-DC電源變換芯片和線(xiàn)性穩(wěn)壓器(LDO)轉(zhuǎn)換而來(lái)，所有電源芯片按就近原則在功能器件周?chē)挪?，以避免遠(yuǎn)距離傳輸帶來(lái)其他信號(hào)串?dāng)_。

2.4 光電轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸

光電轉(zhuǎn)換在本設(shè)計(jì)中是數(shù)字收發(fā)陣列模塊與信號(hào)處理機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的唯一接口。發(fā)射時(shí)，將信號(hào)處理機(jī)通過(guò)光纖送入的各通道幅相控制字、工作模式等信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后送入FPGA，完成預(yù)處理及時(shí)序控制后發(fā)送至各收發(fā)通道；接收時(shí)，各單元通道回波信號(hào)經(jīng)FPGA預(yù)處理后送入光電轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行電-光信號(hào)轉(zhuǎn)換后經(jīng)光纖送入系統(tǒng)信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2.5 熱設(shè)計(jì)

多通道數(shù)字收發(fā)陣列模塊的功能復(fù)雜，內(nèi)部發(fā)熱器件數(shù)量較多，因此散熱設(shè)計(jì)是不容忽視的一個(gè)方面。在本設(shè)計(jì)中，我們采用液冷散熱的方式，將8個(gè)收發(fā)通道并行排布，并對(duì)功率放大模塊、電源變換模塊、數(shù)模混合集成模塊、FPGA等主要器件的熱耗進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)合熱學(xué)仿真軟件優(yōu)化液冷管道設(shè)計(jì)，確保模塊在高溫環(huán)境下可以正常工作。圖5給出了8通道數(shù)字收發(fā)陣列模塊內(nèi)部液冷管道示意圖。

通過(guò)上述各關(guān)鍵部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的多通道數(shù)字收發(fā)陣列模塊樣機(jī)尺寸為460mm×300mm×40mm，重量小于6kg。

3 測(cè)試結(jié)果

多通道數(shù)字收發(fā)陣列的測(cè)試通道數(shù)量較多，且涵蓋數(shù)字和模擬兩部分內(nèi)容，參照傳統(tǒng)收發(fā)陣列采用常規(guī)測(cè)試方式難以滿(mǎn)足大型相控陣系統(tǒng)對(duì)多通道數(shù)字收發(fā)陣列的指標(biāo)評(píng)估要求，引入自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及相關(guān)控制軟件是一種比較可行的方式。測(cè)試過(guò)程中，借助外部標(biāo)準(zhǔn)電源進(jìn)行集中式供電，模擬信號(hào)源產(chǎn)生時(shí)鐘/本振兩種信號(hào)，利用功率計(jì)和頻譜儀測(cè)試模塊輸出峰值功率及頻譜特性，利用標(biāo)準(zhǔn)電源讀取工作電流計(jì)算得出工作效率，采用Y因子法將輸入的噪聲功率等效為噪聲源的溫度變化，輸出端通過(guò)測(cè)量噪聲功率變化計(jì)算得到接收通道噪聲系數(shù)。圖6、圖7分別給出了帶內(nèi)雜散和偏離主頻1kHz處相位噪聲的測(cè)試結(jié)果。模塊可實(shí)現(xiàn)的主要的電氣特性指標(biāo)如下：

工作頻段：S波段；

單通道發(fā)射峰值功率：≥100W；

通道間發(fā)射功率不一致性：≤0.8dB；

最大占空比：20%；

工作效率：≥25%；

發(fā)射信號(hào)相位噪聲：≤-105dBc/Hz@1kHz；

帶內(nèi)雜散：≤-65dBc；

接收通道噪聲系數(shù)：≤3.5dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了一種S波段8通道數(shù)字收發(fā)陣列模塊的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)闡述了模塊內(nèi)部各組成部分的工作原理及組成方式，制作了實(shí)物樣機(jī)并開(kāi)展相關(guān)測(cè)試，評(píng)估結(jié)果表明該模塊可以滿(mǎn)足數(shù)字有源相控陣?yán)走_(dá)的使用要求，同時(shí)也為后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)工作奠定了基礎(chǔ)。