X波段雙波束多通道收發組件設計

王樹慶, 唐 濤, 鄒 林, 雍 政

(1.四川斯艾普電子科技有限公司,四川 成都 610051;2.成都信息工程大學電子工程學院,四川 成都 610225;3.電子科技大學電子科學與工程學院,四川 成都 611731)

0 引言

T/R 組件廣泛應用于有源相控陣雷達及通信系統中,其作用是將輸入的發射信號經過功分、移相、放大再饋至天線發射出去,經過空間合成后形成特定的波束特性。接收時剛好相反,將天線接收的信號經過低噪放放大、移相,然后功率合成。其指標對系統的性能有直接的影響,功率和噪聲影響系統的最大作用距離,移相精度影響系統的波束指向誤差,電源調制時間則影響系統的最小作用距離,具有較高的研究價值。

本文設計的T/R 組件為雙波束多通道架構,可以實現兩個發射波束納秒級別的快速切換,而接收則設計成兩個獨立的波束,在系統應用中不會丟失需要接收的信息,既滿足了功能要求,又節省了成本。

1 工作原理

雙波束T/R 組件是雙波束相控陣天線中的重要組成部分,其完成兩個發射波束信號的分時移相放大和兩個接收波束信號的同時放大移相衰減。該組件每個通道包含用于收發信號分離的環形隔離器組件及限幅放大芯片、接收兩路移相衰減芯片、發射移相芯片、串并轉換芯片、功率放大芯片、電源調制芯片。發射時激勵信號從饋電網絡輸入,功分成8 路后分別進入每個通道的移相器,移相后放大再經環形器輸出到天線；該移相器搭配串并轉換電路,串并轉換電路可以預先存儲兩套移相碼,根據控制信號兩套移相碼可以快速切換,每套移相碼對應一個波束,因此發射可以完成兩個波束的快速切換。

接收時兩個波束的回波信號可以同時進入組件,放大后功分兩路分別進行移相衰減,然后8 路相同波束的信號進行合成,最后形成兩個獨立的波束輸出,其工作原理如圖1 所示。

圖1 雙波束TR 組件原理框圖

2 電路設計

2.1 發射通道設計

天線口的收發切換器件可以使用開關或者環形器,相控陣天線在大掃描時有源駐波較大,如果使用開關,可能會引起功放不穩定或者輸出功率降低。在T/R 組件中,環形器一般會搭配隔離器組件,或者在接收支路搭配吸收式限幅放大,使功率輸出端形成良好的匹配。

組件中功放后級的無源插損對T/R 組件非常重要,該損耗將直接減少系統的輸出功率和效率,增加功耗和發熱,因此設計時應對這部分電路進行優化。功放后級器件主要是環形器,帶狀線環形器通常比微帶環形器插損小、功率容量高,但其體積更大。由于組件體積小,并且需要使用環形隔離組件,因此本文選擇使用微帶環形器,該微帶環形器在X 波段插損為0.5 dB。環形器由于結構特點,通常使用焊料燒結在殼體上。多通道設計中電路部分使用多層板設計具有顯著的優勢,因此需要解決多層板微帶線到環形器的過渡問題。同時發射使用超小型推入式射頻同軸連接器SMP 從組件底面輸出,該垂直過渡需要專門仿真優化,避免出現駐波大甚至諧振問題。垂直過渡模型如圖2 所示,仿真結果如圖3 所示,其電壓駐波比在8 ～12 GHz頻帶范圍內小于1.2,滿足使用要求。

圖2 垂直過渡仿真模型

圖3 垂直過渡仿真結果

組件單通道輸出功率需要達到2 W,由于該頻段微帶環形器的插損為0.5 dB,連接器損耗、線損及失配損耗為0.3 dB,因此功放輸出功率需要大于2.5 W,該功率量級使用GaAs 芯片即可。發射移相器需要在兩個波束間快速切換,使用27 位串并轉換芯片,具有二選一開關功能及上電控制位,可以預存兩組移相碼,配合電源調制芯片可以對每個通道進行獨立上下電,發射串并轉換芯片框圖如圖4 所示。

圖4 發射串并轉換芯片框圖

2.2 接收通道設計

接收通道主要完成信號的低噪聲放大及移相衰減。由于前端使用了環形器,天線阻抗失配時反射信號較大,為了保護低噪放,在低噪放前加入限幅器。接收有兩個波束,放大后功分為兩路分別移相衰減,常規移相衰減器體積大,由于通道間距受限,選擇使用兩通道的幅相多功能芯片,該芯片集成兩個通道的移相衰減和串轉并,簡化了電路設計,其原理框圖如圖5 所示。

圖5 接收雙通道幅相多功能芯片原理框圖

2.3 饋電網絡設計

該組件有兩個波束,接收時兩個波束同時工作,因此需要兩套獨立的8 合1 合成網絡；而發射為分時雙波束,可以使用同一個套網絡,因此需要三套網絡。但是三套網絡在電路布局難度較大,且增加成本,由于收發分時工作,因此考慮將其中一套接收網絡與發射共用,通過開關切換,簡化設計。

2.4 保護電路設計

保護電路單元有接收限幅保護和發射負電、掉電保護和超溫保護三部分。

(1)限幅保護電路

由于發射通道多,在測試時可能存在誤操作,功放打開時輸出端沒有負載,引起信號全反射到接收支路,而且波束掃描時天線駐波增加也會引起強反射,反射信號對放大器造成損傷。因此在放大器前設置限幅器,使大信號經過限幅器后被限制在低噪放可以承受的功率電平以下。

(2)負電、掉電保護電路

柵極電壓需要保持在一定的范圍內功放才能安全工作,由于誤操作或者負電開路導致在柵壓沒有加上的情況下打開功放漏壓,會引起功放燒壞。因此在電路設計了負電、掉電保護電路,對負電進行檢測。當負電電壓超出安全范圍時,檢測電路輸出低電平,該檢測信號與電源調制相與,使功放漏極電壓不被打開。

(3)超溫保護電路

使用溫度檢測電路對組件殼體溫度進行采集,并反饋至整機控制電路,當溫度超出安全范圍時,控制電路將電源調制信號置低,關閉功放和低噪放,組件不再發熱,溫度降到安全范圍時,繼續工作。

2.5 電路布局

電路使用射頻多層板設計,如圖6 所示。元器件及主要射頻走線布置在頂層,其中一個波束的網絡布局在底層,避免微帶線交叉,提高隔離度；通道間使用隔條進行隔離,控制線及電源線設計在中間層,通過地層進行隔離,組件電路布局如圖7 所示。

圖6 多層板疊層示意圖

圖7 組件電路布局圖

3 加工與測試

組件射頻接口使用SMP,控制和電源接口使用聯排絕緣子,用錫銀銅合金焊料將多層板和連接器燒結在封裝腔體上,環形隔離組件使用鉛錫合金焊料燒結在腔體內,芯片則采用導電膠粘接在多層板上。芯片壓焊點與多層板間使用金絲和金帶鍵合,實物樣品如圖8 所示。

圖8 組件實物照片

對T/R 組件進行測試,如圖9 和圖10 所示,輸出功率達到33 dBm以上,噪聲系數小于3.2 dB。另外測試顯示,通道隔離度大于45 dB。

圖9 輸出功率測試曲線

圖10 噪聲系數測試曲線

圖11 通道隔離度測試曲線

4 結論

設計了一種X 波段雙波束多通道T/R 組件,設計過程中優化了原理圖,將其中一套接收網絡與發射共用,通過開關切換,降低了電路復雜度。使用微組裝工藝,最終加工的樣品組件輸出功率＞33 dBm,噪聲系數＜3.2 dB,通道隔離度＞45 dB。整個組件在一張多層板上完成設計,減小了裝配難度,提高了一致性,具有較高的工程應用價值。