一種寬帶多通道R組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王心力

摘要：在寬帶被動(dòng)相控陣系統(tǒng)中，寬帶接收組件對(duì)系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響。組件的噪聲系數(shù)影響著面陣的靈敏度，組件的外形尺寸和重量決定著面陣的重量。文章設(shè)計(jì)了一種工作在6 GHz～18 GHz的寬帶16通道接收組件，通過(guò)電磁仿真軟件進(jìn)行寬帶匹配設(shè)計(jì)，并制作出了實(shí)物。該組件噪聲系數(shù)小于4.5 dB，單通道增益44±2.5 dB，外形尺寸145.7 mm×65 mm×7.6 mm，重量163 g。

關(guān)鍵詞：寬帶；接收組件；相控陣

中圖分類(lèi)號(hào)：TN957.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在寬帶被動(dòng)相控陣系統(tǒng)中，寬帶接收組件對(duì)系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響［1］。組件的噪聲系數(shù)影響有源面陣的靈敏度，組件的外形尺寸和重量決定有源面陣的重量。因此，相控陣系統(tǒng)對(duì)R組件的體積和指標(biāo)有著極為苛刻的要求［2］。如何提高組件的性能、減小體積和重量、降低制造成本是組件設(shè)計(jì)不斷追求的目標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)了一款工作在6 GHz～18 GHz的16通道寬帶接收組件，介紹了其工作原理和設(shè)計(jì)過(guò)程，并制作出組件實(shí)物。組件具有小型化和輕量化的特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。

1 接收組件工作原理簡(jiǎn)介

本文設(shè)計(jì)的16通道寬帶接收組件工作于6 GHz～18 GHz，主要由帶通濾波器、限幅器、低噪聲放大器、功分器、固定衰減器、均衡器、數(shù)控衰減器、驅(qū)動(dòng)放大器、電源穩(wěn)壓電路組成。與組件互聯(lián)的天線(xiàn)單元在俯仰方向?yàn)閷挷ㄊ采w，不進(jìn)行掃描。因此從成本角度考慮，每個(gè)通道沒(méi)有設(shè)計(jì)移相器。射頻電路的原理如圖1所示。

6 GHz～18 GHz微波信號(hào)經(jīng)天線(xiàn)進(jìn)入組件，首先通過(guò)預(yù)選濾波器對(duì)帶外干擾進(jìn)行抑制，再經(jīng)過(guò)限幅器對(duì)微波信號(hào)限幅，限幅器抗燒毀功率5W（連續(xù)波）。隨后信號(hào)進(jìn)入低噪聲放大器進(jìn)行放大、再通過(guò)功分器將十六路信號(hào)列向合成。十六路合成通過(guò)二功分器芯片逐級(jí)合成。由于寬帶功分器在高頻段插損增大，通過(guò)4次合成級(jí)聯(lián)之后插損在高頻段下降明顯，因此在電路中設(shè)計(jì)反斜率均衡減小帶內(nèi)起伏。經(jīng)均衡后的信號(hào)最后通過(guò)兩級(jí)放大后功分兩路輸出。在兩級(jí)放大之間加入數(shù)控衰減器進(jìn)行增益控制。數(shù)控衰減器為6位，步進(jìn)0.5 dB。

鏈路增益分配和指標(biāo)計(jì)算如圖2所示。整個(gè)鏈路理論噪聲系數(shù)3.7 dB，增益44.1 dB，輸出P1dB為17 dBm。

2 組件設(shè)計(jì)

2.1 R組件場(chǎng)路仿真設(shè)計(jì)

超寬帶接收組件的工作頻率為6 GHz～18 GHz，為了保證各芯片級(jí)聯(lián)之后的性能，需要做好多級(jí)芯片之間的寬帶匹配。單通道的寬帶匹配性能對(duì)整個(gè)電路性能影響最大。利用HFSS高頻仿真軟件對(duì)單個(gè)通道的射頻電路建模，進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真并提取各段微帶線(xiàn)的S參數(shù)。隨后在ADS軟件中建立電路模型，將HFSS提取到的微帶線(xiàn)S參數(shù)和各芯片的S參數(shù)級(jí)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行電路仿真，得到單通道的S參數(shù)曲線(xiàn)。最后，在ADS中將單通道S參數(shù)以及功分器、數(shù)控衰減器、放大器等芯片參數(shù)帶入并進(jìn)行級(jí)聯(lián)電路仿真。

HFSS單通道模型如圖3所示，第一級(jí)為帶通濾波器，第二級(jí)為限幅器，第三級(jí)為低噪聲放大器。3種芯片之間的微帶線(xiàn)參數(shù)（線(xiàn)寬和線(xiàn)長(zhǎng)）為變量，通過(guò)調(diào)整參數(shù)可達(dá)到最優(yōu)的寬帶匹配。

在ADS軟件中建立完整的電路模型，將芯片的S2P文件和HFSS仿真得到的微帶線(xiàn)SNP文件帶入模型，進(jìn)行電路級(jí)聯(lián)仿真。ADS電路模型如圖4所示。

優(yōu)化后的最終電路級(jí)聯(lián)仿真結(jié)果如圖5所示。電路單通道增益44±2 dB，輸入回波損耗全頻段小于10 dB，輸出回波損耗小于15 dB，仿真結(jié)果可以滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

2.2 PCB設(shè)計(jì)

由于組件的工作頻帶較寬，工作頻率高，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)需要考慮電磁兼容性［3］。PCB設(shè)計(jì)應(yīng)保證良好的接地，降低寄生效應(yīng)對(duì)射頻電路性能的影響［3］。印制板選用射頻板材ROGERS 3003C，板厚0.254mm，介電常數(shù)3.0。

組件包含16個(gè)獨(dú)立的接收通道，從印制板的可加工性考慮，將射頻電路分為3塊印制板。合理的印制板長(zhǎng)寬比例，可以降低制板難度，減少形變，提高印制板成品率。PCB板圖如圖6所示。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組件內(nèi)選用的微波芯片為GaAs裸芯片，采用微組裝工藝進(jìn)行印制板和芯片裝配。結(jié)構(gòu)件包括上蓋板、內(nèi)蓋板、殼體、下蓋板。殼體內(nèi)部腔體按照仿真參數(shù)設(shè)計(jì)，內(nèi)腔鍍金。印制板包括3塊微波板和1塊電源板，3塊微波板燒焊在殼體內(nèi)部，電源板燒焊在殼體背面。電源板上的供電及控制信號(hào)通過(guò)金絲穿過(guò)殼體的通孔鍵合到微波印制板上。上蓋板和下蓋板通過(guò)激光封焊到殼體上，保證氣密。在上蓋板下方設(shè)計(jì)內(nèi)蓋板，通過(guò)螺釘固定，方便調(diào)試和維修。在組件外形中設(shè)計(jì)導(dǎo)向銷(xiāo)和安裝螺釘，便于組件安裝到面陣框架內(nèi)。結(jié)構(gòu)如圖7所示。接收組件的外形尺寸（不包含導(dǎo)向銷(xiāo)）為145.7mm ×65mm×7.6mm（L×W×H），預(yù)估重量150g。

3 測(cè)試驗(yàn)證

依據(jù)微組裝工藝流程，裝配組件并進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。寬帶接收組件打開(kāi)蓋板后的正面俯視圖如圖8所示，調(diào)試過(guò)程中在內(nèi)蓋板貼吸波材料，組件重量163g。

組件單通道增益測(cè)試結(jié)果（S21）如圖9所示。S21和S11實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)趨勢(shì)基本吻合。在高頻部分實(shí)測(cè)增益有略微的下降，這是微帶線(xiàn)損耗以及高頻段駐波惡化引起的。裝配過(guò)程產(chǎn)生的寄生參數(shù)也影響了高頻段的駐波。

組件噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖10所示，全頻段噪聲系數(shù)小于4.5 dB。16 GHz和17 GHz兩個(gè)點(diǎn)的噪聲系數(shù)實(shí)測(cè)值偏大，這是輸入駐波偏大引起的，其余頻率噪聲系數(shù)小于4 dB。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款用于被動(dòng)相控陣系統(tǒng)的寬帶接收組件，介紹了具體設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證。該組件噪聲系數(shù)低于4.5 dB，單通道增益44 dB，帶內(nèi)起伏±2.5 dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)預(yù)期。組件外形尺寸145.7mm×65mm×7.6mm（L×W×H），重量163g，具有低成本、體積小和重量輕的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

［1］余雷，吳昌勇，揭海，等.寬帶瓦片式T/R組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2020（1）：68-71.

［2］肖勇，鄧勇.一種新型瓦片式多通道R組件的設(shè)計(jì)［J］.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2019（5）：82-87.

［3］張帥，楊志保，吳天陽(yáng)，等.基于復(fù)合基板微波電路設(shè)計(jì)的小型化TR組件［J］.電子與封裝，2020（3）：12-14.

（編輯 李春燕）