一種緊湊型毫米波收發組件的設計

張國強 李 銳 華根瑞 謝 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

毫米波雷達具有工作頻帶寬、跟蹤精度高、可穿透性強、全天候工作的特點,近年來受到人們越來越多的重視[1]。作為雷達的核心部件,收發組件也逐步向高功率、小體積、輕重量發展,所以有必要對收發組件進行重點研究。

隨著以GaN為代表的第三代半導體器件的發展,毫米波收發組件的性能也得到了極大的提升。文獻[3]提出了一種自混頻模式的收發組件,發射功率達到了30dBm,收發隔離度優于90dB;文獻[4]介紹了一種Ka波段的變頻收發模塊,四倍頻后上行輸出1dB壓縮點大于18dBm,增益達到了45dB,下行帶內平坦度為4dB;文獻[5]設計了一種基于多層混壓形式的瓦片式T組件,利用毛紐扣實現了組件的三維垂直互聯,單通道發射功率達到了21dBm,增益大于20dB。

本文采用多芯片組件(MCM)技術,實現毫米波信號三路接收,一路發射的功能,設計中對小型化波導功率合成、微帶-波導過渡、微帶-同軸過渡進行重點研究。組件的發射功率達到40W,接收增益達到23dB,噪聲系數小于7dB。

1 組件的原理

毫米波收發組件包括一路發射通道,三路接收通道,其中,發射通道通過環行器與接收通道共用一個端口收發。圖1是組件的基本原理框圖。

圖1 收發組件原理框圖

由外部送過來的C波段本振基準信號4倍頻后,功分四路放大,分別作為發射支路、接收支路的本振信號,發射激勵信號與本振信號混頻后得到發射信號,經過功率放大合成后,形成組件的發射信號輸出;接收支路1、2、3信號,經過限幅器、耦合開關、低噪放、濾波器與本振信號混頻放大后,作為組件的中頻信號輸出。其中,限幅器的作用是在接收大信號的情況下對接收通道的有源低噪放進行保護。

2 組件的設計分析

組件的核心部分為四路波導合成結構,該結構基于“H”面“T”型節的等幅同相功率合成的基本原理[6]。組件的布局采用正面射頻微波電路,背面電源調制電路,中間通過絕緣子的方式實現微波有源電路的饋電要求,同時,絕緣子的引入也實現了上下層間的密封性。下面對其中的關鍵電路進行仿真設計:包括四路波導合成結構、微帶-同軸過渡結構、微帶-波導過渡結構。

2.1 Ka波段功率合成設計

該合成部分位于收發組件的末級,主要實現信號的功率合成。設計中采用“H”面“T”型節形式的四路波導合成結構,合理設計波導的“鍥”型切口尺寸,使微波電路前后良好匹配。圖2、圖3是波導功率合成結構及仿真曲線。

圖2 波導功率合成建模圖

圖3 波導功率合成仿真曲線

2.2 微帶-波導轉換設計

該轉換結構位于內部信號的輸入端,主要實現信號的多層傳輸?；驹硎窃诰匦尾▽У膶掃呏行奈恢?插入微帶探針,與矩形波導的主模TE10模實現最強耦合[7],這樣就保證了能量最大效率耦合到波導腔內。圖4、圖5是微帶-波導過渡結構及仿真曲線。

圖4 微帶-波導過渡仿真建模圖

圖5 微帶-波導過渡仿真曲線圖

2.3 中頻微帶-同軸過渡設計

在組件的信號布局走向中,不可避免會存在信號交叉的問題,這時就需要設計專門的過渡結構,實現信號的垂直互聯。微帶-同軸過渡通常應用于低頻信號傳輸,該過渡結構位于組件的輸出端,主要實現中頻信號的垂直傳輸要求,微帶線采用Roggse 5880,介電常數為2.2,厚度為0.254mm。圖6、圖7是微帶-同軸過渡結構及仿真曲線。

圖6 中頻微帶-同軸過渡仿真建模圖

圖7 微帶-同軸過渡仿真曲線圖

3 實物及數據分析

圖8是收發組件實物圖,在Ka頻段,對組件的電氣指標進行測試,圖9、圖10、圖11是組件的主要電氣指標測試曲線。

圖8 組件實物圖

圖9 組件發射功率測試曲線

圖10 組件噪聲系數測試曲線

由圖11測試曲線可知,在工作頻帶內,組件發射通道輸出功率達到了40W,三路接收通道噪聲系數小于7dB,接收增益大于23dB。

4 結束語

本文介紹了一種毫米波收發組件的基本原理,研制出一款高功率、緊湊型的毫米波收發組件,并在Ka波段對組件進行了測試,實測數據與設計方案基本吻合,從而驗證了該設計方案在毫米波收發組件設計中具有很好的參考意義。