大功率T/R組件的研究與設計

陳曉青

（中國電子科技集團公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

有源相控陣雷達近年來得到了飛速的發展，對其核心部件T/R組件提出了更高的要求，對功率、效率、噪聲等關鍵指標要求不斷提升。單個微波GaAs芯片的功率由于功率密度、芯片面積的限制，發展到一定階段就很難獲得快速的提高，目前國際主流的X波段功率芯片的輸出功率典型值為10W，Ka波段的功率芯片典型值為4W。此時單個T/R組件若想獲得更大的輸出功率，就只能通過功率合成的方式，本文總結了一些可以用于T/R組件的功率合成方式，同時針對大功率T/R組件如何有效保護接收通道的難點進行分析。

2 大功率組件設計方案

圖1是大功率T/R組件的功能框圖，從圖中我們可以看出相比于傳統的T/R組件，大功率T/R組件的區別在于以合成功放網絡來替代單只功放芯片[1]，同時在接收支路的限幅器前加入了一級大功率開關，用來反射發射支路的大功率信號，有效保護接收通道的器件。大功率T/R組件設計的難點在于高效率的功率合成網絡、如何通過合理的開關時序嵌套來保證接收通道的安全工作及合成波導的機加工。下面將針對這三個難點來逐一分析。

圖1 大功率T/R組件的功能框圖

3 T/R組件功率合成方案介紹

圖2 T/R組件功率合成方案

圖2所示為大功率T/R組件功率合成方案，我們可以看出，此方案由兩級合成，第一級為平面電路合成，主要方式為微帶威爾金森合成或Lange橋合成，將兩只或三只芯片合成一個功率模塊，獲得20W～30W的功率。圖3為通過微帶威爾金森合成的功率模塊實物照片。

圖3 微帶合成功率模塊

平面電路合成的優點在于實現簡單、插損小、駐波好，但隨著級數的增加和功率的變大，合成效率和損耗急劇增加，不適合較大功率的合成；這個時候我們就需要進行空間合成來獲得百瓦級的功率。

矩形波導合成是大功率T/R組件最常用的空間合成方式[2]，分為E面波導合成和H面波導合成[3]。圖4為E面波導合成和H面波導合成的示意圖。

圖4 E面波導合成和H面波導合成示意圖

E面合成結構利用波導的寬邊進行功率合成，具有相對較寬的帶寬，機械結構上更容易實現，對裝配的要求較低，是大功率合成的首選。但構成相控陣雷達的TR組件單元間距往往有嚴格的限制，如X波段TR組件單元間距一般要求為10mm～15mm，而X波段標準波導寬邊尺寸為22.86mm，遠遠大于組件的厚度，這使得E面波導合成方案無法應用于大功率TR組件的合成。

H面功率合成結構利用波導的窄邊進行合成，且波導的窄邊可以減高使用，這種用法僅影響波導的功率容量，不影響合成效率。所以H面波導合成方案具有厚度薄的優點，能夠滿足相控陣雷達的TR組件單元間距小的要求，可廣泛應用于大功率TR組件的功率合成。

圖5為利用H面波導合成總體設計圖，4路微帶線輸入信號通過雙探針耦合的方式進入波導腔進行合成[4]，經仿真該結構在X波段的帶寬達2GHz[5], 駐波小于1.3，插入損耗小于0.3dB，合成效率大于90%。

圖5 4路雙探針H面波導合成圖

此結構的優點在于厚度薄、合成效率高、結構簡單、便于金加工，與前級功率模塊對接方便，缺點是無負載端口，輸出兩端口隔離差，T/R組件的環形器可以在一定程度上彌補這個缺點，我們利用這個結構可以在X波段獲得100W左右的輸出功率。

4 大功率組件接收通道設計

T/R組件接收通道的限幅器的作用是當有大功率信號從天線端口注入時，能保護接收通道的后級芯片，但是限幅器能夠承受的輸入功率也是有限的，X波段限幅芯片承受功率的典型值為10W左右，當注入接收通道的功率達到百瓦級時，限幅芯片會被輕易擊毀，造成系統失效。這個時候我們就需要對電路進行改進，在限幅器前面增加一級大功率開關電路。大功率開關的時序需要與組件的時序合理嵌套以保證組件的安全工作，時序嵌套如圖6所示。

圖6 大功率開關時序嵌套圖

利用T/R組件分時工作的原理，組件工作于發射狀態時，開關處于反射狀態，將大功率信號發射至環形器的負載端；組件工作于接收狀態時，開關處于通過狀態，極小的開關插損可以保證組件的噪聲指標。

微波開關采用并聯結構。影響開關承受功率的因素主要是管芯的熱阻和耐壓。當PIN管處于正向偏置狀態，PIN管呈現短路可等效為小電阻，其射頻阻值通常為2Ω或更小一些。在射頻電流的作用下該電阻會產生熱耗散，當耗散功率造成的溫升達到引起PIN管金相變化時，就會導致失效。這其中較常見的失效機理是在高溫下硅與金的接觸面形成共晶體。如果長時間停留在該溫度，金-硅絲狀導電合金體將會在PIN管內生長，當細絲最終穿透I區，PIN管永久短路[6]。

為滿足低噪聲和增益要求，放大器采取兩級放大。采用平衡式放大電路加單片放大電路。第一級采用電抗匹配，確保噪聲系數滿足要求。在級間采用匹配網絡，進行帶寬拓展并使帶內增益平坦。為了達到良好的輸入、輸出駐波特性，放大器采用了有耗匹配和負反饋設計。

5 機械加工設計

功率模塊的輸出采用波導合成，因此波導合路器的性能直接決定了功率合成效率。為了使實際性能和仿真性能盡可能吻合，優化時將加工過程中因工藝產生的圓角帶入仿真，力求仿真結果便于加工。

機械加工的精度決定了功放波導合路器的實際性能，包括駐波、插損、相位等。波導復雜結構的加工是一個難點，既要保證加工的精度又要保證可靠性。由于雙探針H面波導合路器的結構特殊，以及X波段波導尺寸較大，考慮到小直徑銑刀加工深腔的難度和精度以及寬邊大尺寸倒角對性能的重要性，經過反復細致的分析，整個波導合路器分成3塊進行加工，合股面位置如圖7所示。另外，為了不影響波導性能，合股必須具有較高的精度，設計上采用在合股面加銷釘孔、裝配時用銷釘對準的方法。這種方式的優點在于既不破壞波導腔中磁場的分布，又可以用銑刀加工的方式保證波導腔的光潔度。然而用銑刀加工的方法不可避免會帶來圓角，由于頻帶較寬，為了保證帶寬，盡量采用直徑小的銑刀來進行加工，同時斜面的加工也必須保證精度。

圖7 波導合路器合股面示意圖

6 總結

綜合以上的設計結果，我們制成了X波段的大功率收發組件，如圖8所示。

圖8 X波段大功率收發組件外形圖

組件峰值輸出功率大于100W，組件總效率高于25%，噪聲小于2.6dB，增益大于3dB，具有移相、衰減功能，可靠性滿足裝備要求，測試結果如圖9所示。

本文介紹了一種通過功率合成的方法來大幅提高單個組件輸出功率的設計方法，可將單個組件的輸出功率提高到百瓦級，同時針對大功率組件設計中的難點進行了重點分析。將設計結果應用于實際產品，制作出大功率、低噪聲的T/R組件，應用于某重點型號雷達系統的研制。

圖9 X波段大功率收發組件測試結果

[1] 王芳. Ka 頻段功率合成放大技術研究[D]. 成都：電子科技大學，2004.

[2] Huiwen Yao. Analysis and design of microstrip-towaveguide transitions[J].IEEE trans MTT,1994,42(12).

[3] P Khan,L Epp, A Silva. A Ka-Band Wide-Bandgap Solid-State Power Amplifier: Architecture Performance Estimates[J]. IPN Progress Report,2005, November 15:42-163.

[4] Yoke-choy leng, sander weinreb. Full band waveguide-tomicrostrip probe transition[C].MTT-S int microwave symp.dig.1999.

[5] 謝勇軍，王鵬，李磊. Ansoft HFSS基礎及應用[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[6] 池保勇，余志平，石秉學. CMOS射頻集成電路分析與設計[M]. 北京：清華大學出社，2006.