某C波段收發(fā)子陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔敏張娟

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

有源相控陣?yán)走_(dá)以其探測(cè)距離遠(yuǎn)，效率高、波束指向靈活和數(shù)據(jù)率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種雷達(dá)之中，發(fā)揮了重要作用。

T/R組件是有源相控陣陣列天線最關(guān)鍵的部件，無(wú)論哪個(gè)頻段，何種用途的有源相控陣?yán)走_(dá)，其每個(gè)天線輻射單元后均接有一個(gè)固態(tài)T/R組件，它是集高頻、低頻、大信號(hào)、小信號(hào)、數(shù)字與模擬為一體的復(fù)雜電子設(shè)備［1］。一部有源相控陣?yán)走_(dá)少則需要幾百個(gè)，多則需要成千上萬(wàn)個(gè)T/R組件。因此，有源相控陣?yán)走_(dá)的性能、體積、重量、成本以及可靠性都與T/R組件息息相關(guān)。從某種意義上講，有源相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展取決于T/R組件的發(fā)展［1-5］。

收發(fā)子陣系統(tǒng)是在T/R組件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高陣面硬件設(shè)備的集成度而形成的，其中包含模擬式T/R組件，電源變換、子陣饋電網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)及波控電路等，有的還包含本振輸入和變頻輸出等更多系統(tǒng)功能，可以形成有源相控陣中的最小可更換單元，便于有源相控陣的維修、拓展和重構(gòu)［3］。采用子陣形式的收發(fā)子陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)可簡(jiǎn)化陣面、提升性能，將進(jìn)一步集成雷達(dá)功能。

1 收發(fā)子陣系統(tǒng)組成

根據(jù)雷達(dá)整機(jī)設(shè)計(jì)的要求，收發(fā)子陣系統(tǒng)工作在C波段，每個(gè)收發(fā)子陣中包括16個(gè)T/R組件、發(fā)射預(yù)放大模塊、接收下變頻處理模塊、DC/DC電源變換模塊、溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)電路和波控電路等。

圖1給出了收發(fā)子陣系統(tǒng)的原理框圖。如圖所示來(lái)自頻綜的射頻激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)入一分十六路功分合成網(wǎng)絡(luò)，功分后的16路射頻信號(hào)分別進(jìn)入16個(gè)T/R組件的集合口，這16個(gè)T/R組件的結(jié)構(gòu)與電氣性能均一樣，該設(shè)計(jì)可大大提高收發(fā)子陣通道間的一致性，特別是相位一致性。進(jìn)入每個(gè)T/R組件集合口的射頻信號(hào)通過(guò)其公共通道的收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)完成雷達(dá)發(fā)射狀態(tài)與接收狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，在雷達(dá)發(fā)射狀態(tài)下完成發(fā)射信號(hào)的功率放大并送至天線輻射單元，在雷達(dá)接收狀態(tài)下完成回波信號(hào)的低噪聲放大，其下變頻以及濾波、中頻放大是在16個(gè)天線單元構(gòu)成的子天線陣級(jí)別上實(shí)現(xiàn)的。電源變換模塊將輸入的直流48V電源經(jīng)過(guò)DC/DC模塊變換為收發(fā)子陣所需要的各種直流電源。波控電路由FPGA實(shí)現(xiàn)，主要功能是完成與實(shí)控機(jī)的數(shù)據(jù)通信以及對(duì)各個(gè)T/R組件的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。

圖1 收發(fā)子陣系統(tǒng)的原理框圖

2 收發(fā)子陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 T/R組件設(shè)計(jì)

根據(jù)T/R組件的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，在保證其性能的前提下，為了減小組件的體積、重量，降低成本，在組件發(fā)射支路和接收支路設(shè)計(jì)中盡可能多地共享功能電路，增加可靠性［2］。基于這一設(shè)計(jì)原則，T/R組件的構(gòu)成框圖如圖2所示。

圖2 T/R組件的構(gòu)成框圖

由于本收發(fā)系統(tǒng)陣列天線單元的間距固定，T/R組件的寬度和高度均受到了一定限制，而且組件間必須預(yù)留溫度監(jiān)測(cè)電路位置，因此T/R組件的寬度必須小于24mm。在如此小的空間內(nèi)傳輸大功率、高增益容易引起自激振蕩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成器件的損壞。經(jīng)過(guò)對(duì)腔體進(jìn)行HFSS本征模仿真實(shí)驗(yàn)，得到當(dāng)腔體為23mm×5.5mm時(shí)，所有諧振點(diǎn)都在工作頻帶外，可以防止組件自激，降低組件調(diào)試量，對(duì)組件間的一致性起關(guān)鍵作用。腔體仿真模型見(jiàn)圖3，腔體諧振頻率見(jiàn)圖4。

圖3 腔體仿真模型

圖4 腔體諧振頻率

仿真結(jié)果表明優(yōu)化后腔體的最低諧振頻率約為6.8GHz，在工作頻率之外，而且在激勵(lì)模式下末級(jí)功放輸出端輻射的場(chǎng)強(qiáng)較小，并被限制在較小的范圍內(nèi)，不會(huì)形成反饋。

要在有限的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)T/R組件功能及要求，其中要考慮的因素很多，例如各微波功能電路之間的合理布局，收發(fā)支路的高隔離設(shè)計(jì)，小體積高增益引起的自激問(wèn)題，微波電路、電源調(diào)制電路及控制驅(qū)動(dòng)電路之間高效、可靠地互連，組件內(nèi)的電磁兼容設(shè)計(jì)以及散熱問(wèn)題，外部接口要選擇超小型、可燒結(jié)的射頻接頭與控制電源接頭等一系列問(wèn)題［4］。

在T/R組件微波電路設(shè)計(jì)中，由于發(fā)射支路的兩級(jí)功率放大器級(jí)聯(lián)的增益很高，若處理不當(dāng)極容易引起自激振蕩現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)我們反復(fù)優(yōu)化仿真和驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將連接發(fā)射支路的兩級(jí)功率放大器之間的50Ω微帶線電長(zhǎng)度定為λ/4，可有效改善兩級(jí)功率放大器級(jí)聯(lián)引起的自激振蕩現(xiàn)象，解決了發(fā)射支路增益高難布局的問(wèn)題，提高了發(fā)射支路工作的穩(wěn)定性。T/R組件和陣面天線單元之間端口連接我們采用了“drop-in”結(jié)構(gòu)形式的鐵氧體微帶隔離器環(huán)行器組件，給發(fā)射支路提供了一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)載，進(jìn)一步保證了發(fā)射支路的穩(wěn)定工作和輸出功率的恒定。

在T/R組件控制電路設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)引線鍵合導(dǎo)致微波傳輸結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和SMP接頭連接微帶線的同軸微帶過(guò)渡進(jìn)行了分析和建模仿真設(shè)計(jì)，引線鍵合模型見(jiàn)圖5，同軸微帶過(guò)渡模型見(jiàn)圖6。

圖5 引線鍵合模型

圖6 同軸微帶過(guò)渡模型

引線鍵合引入微波傳輸結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，其寄生參量更是導(dǎo)致MMIC芯片與外部電路失配的主導(dǎo)因素，從而導(dǎo)致回波損耗增大，引起MMIC芯片，尤其是功率放大器的工作狀態(tài)的改變，其鍵合的絲長(zhǎng)、附著程度和壓點(diǎn)等不一致性也是導(dǎo)致各個(gè)發(fā)射組件的幅相一致性變差的主要因素之一［5］。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明引線鍵合在工藝允許范圍內(nèi)，應(yīng)該盡量減小鍵合跨距，一般芯片焊區(qū)到基板微帶線的最佳距離為20mil～30mil，絲長(zhǎng)控制在10mil左右較好。

T/R組件為保證密封性，其外部接口選用了超小型、可燒結(jié)的SMP射頻接頭，內(nèi)部轉(zhuǎn)換為微帶結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮轉(zhuǎn)換接頭的駐波和插入損耗。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)采用空氣介質(zhì)同軸過(guò)渡結(jié)構(gòu)可以明顯改善傳輸效果。

T/R組件中控制信號(hào)復(fù)雜，芯片引腳多，電源和地的品種多，大量信號(hào)線交叉?zhèn)鲗?dǎo)，在布線設(shè)計(jì)時(shí)必須合理設(shè)置接地點(diǎn)，以使電路的環(huán)路電流、接地阻抗和轉(zhuǎn)移阻抗最小。多層板布線設(shè)計(jì)中采用電源網(wǎng)絡(luò)層、信號(hào)布線層與地線層交替排布的設(shè)計(jì)方法，其示意圖見(jiàn)圖7。如圖所示多層板中間層傳輸控制和電源信號(hào)，頂層傳輸微波信號(hào)。頂層微帶線的射頻參考面不在基板背面，而是位于中間層，通過(guò)若干接地通孔與基板背面金屬層相連，然后與系統(tǒng)殼體連接。該微帶結(jié)構(gòu)的地實(shí)際上已經(jīng)不是理想的射頻地，傳輸線的傳輸模式發(fā)生了改變。隨著頻率的升高，會(huì)出現(xiàn)高次模，表現(xiàn)出諧振特性等一系列問(wèn)題。所以必須通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)合理設(shè)置接地通孔，有效地抑制高次模，將高次模出現(xiàn)的最低頻率移出的工作頻率范圍。接地孔模型見(jiàn)圖8。

圖7 多層板布線示意圖

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)在微波傳輸線兩側(cè)采用兩排接地過(guò)孔的方式，并盡量減小地孔的間距，可以有效減小回波損耗，傳輸效果較好，而且較好地解決了高速信號(hào)中的延遲、互擾等問(wèn)題。

2.2 一分十六路功分合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本功分合成網(wǎng)絡(luò)與16個(gè)T/R組件直接盲配相連，所以要求功分合成網(wǎng)絡(luò)與T/R組件的接口相匹配，要求輸出端口等幅同相，同時(shí)滿足端口隔離和匹配的要求，采用了Wilkinson形式的功分器，并且對(duì)其進(jìn)行了建模仿真，仿真模型見(jiàn)圖9，仿真結(jié)果見(jiàn)圖1

圖8 接地孔模型

圖9 一分十六路功分合成網(wǎng)絡(luò)仿真模型

仿真結(jié)果表明一分十六路功分合成網(wǎng)絡(luò)16路插入損耗小于1.3dB，輸入輸出駐波小于1.3，隔離度大于25 dB。

圖10 一分十六功分合成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

2.3 熱設(shè)計(jì)

本收發(fā)子陣的橫截面尺寸和縱向長(zhǎng)度限制比較嚴(yán)格，其輸出功率較大，這里選擇液冷的方式。T/R組件中的功率放大器采用金/錫共晶焊工藝燒結(jié)到較大的CuW載體上，然后直接燒結(jié)到殼體底部，保證了GaAs芯片與載體良好的熱匹配［6］，同時(shí)用大面積焊接的方式最大程度的降低了T/R組件中的熱阻。T/R組件的發(fā)熱面直接貼在冷板上，冷卻液管道設(shè)計(jì)在冷板內(nèi)，正對(duì)著T/R組件的發(fā)熱面，冷卻效率高。冷板的功能是冷卻T/R組件的功率放大器，同時(shí)它又是收發(fā)子陣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要支撐件。其結(jié)構(gòu)布局圖見(jiàn)圖11。根據(jù)收發(fā)子陣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局圖，對(duì)其散熱冷板內(nèi)的液冷管道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，散熱冷板內(nèi)的水冷管道設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖12。

液冷系統(tǒng)的輸入輸出接口均采用自密封接頭，利用FLOTHERM軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真建模及熱分析。散熱冷板內(nèi)水冷管道熱分析見(jiàn)圖13。

圖11 收發(fā)子陣結(jié)構(gòu)布局圖

熱分析結(jié)果表明當(dāng)該系統(tǒng)處于環(huán)境溫度為50℃的條件下，液體入口溫度50℃，水冷管道通徑為5mm×8mm，水道內(nèi)液體流量2.5 L/min的條件下，熱源集中處的最高溫度低于65℃，滿足該系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)要求。

3 收發(fā)子陣測(cè)試

最終設(shè)計(jì)出的T/R組件的實(shí)物照片見(jiàn)圖14，體積為80mm×23mm×9mm，重量約為32.0g。

圖12 散熱冷板內(nèi)的水冷管道設(shè)計(jì)圖

圖13 散熱冷板內(nèi)水冷管道熱分析

圖14 T/R組件實(shí)物照片

實(shí)測(cè)結(jié)果為:發(fā)射通道單個(gè)組件的輸出功率均大于10W，接收通道單個(gè)組件的噪聲系數(shù)均小于3.0，移相精度小于4°(RMS)，接收總增益72dB，線性動(dòng)態(tài)范圍42dB，鏡像抑制度25dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

本收發(fā)子陣系統(tǒng)中的T/R組件由于采用了MMIC芯片器件和MCM微組裝工藝技術(shù)，組件的尺寸、重量?jī)H為使用傳統(tǒng)的混合集成電路為主的或使用封裝MMIC的同類產(chǎn)品的三分之一左右，充分驗(yàn)證了提高集成度的可行性。同時(shí)系統(tǒng)中有效集成了電源變換、子陣饋電網(wǎng)絡(luò)、溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)電路、接收變頻輸出以及驅(qū)動(dòng)和波控電路等系統(tǒng)功能，進(jìn)一步驗(yàn)證了采用子陣形式的收發(fā)子陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

［1］張光義、趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］張德斌、周志鵬、朱兆麒.雷達(dá)饋線技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［3］胡明春、周志鵬、嚴(yán)偉.相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［4］崔敏.C波段收發(fā)子陣有源系統(tǒng)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2009.

［5］廖原.X波段相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射子陣有源系統(tǒng)研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2012.

［6］何海丹、何慶強(qiáng).毫米波相控陣天線高密度集成設(shè)計(jì)技術(shù)［C］.2013年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集(上冊(cè))，2013，2-7.