X波段帶幅度加權功能T/R組件設計

趙 亮,杜小輝

(南京電子技術研究所,南京 210013)

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X波段帶幅度加權功能T/R組件設計

趙 亮*,杜小輝

(南京電子技術研究所,南京 210013)

體積小、重量輕、高性能、高可靠性的T/R組件的研制已經成為目前的研究熱點。介紹了一種具有收發幅度加權功能的X波段T/R組件的原理及設計方法,該組件基于多層低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝實現,在一塊LTCC基板上集成了電阻、電容、ASIC、MMIC等器件,最后給出了組件的測試結果。主要性能:發射功率大于40 dBm,接收增益大于20 dB,噪聲系數小于3.5 dB,重量90 g。

相控陣雷達;T/R組件;X波段;幅度加權;LTCC

在相控陣雷達的系統性能中,天線波束副瓣的性能是很重要的,其決定了雷達的抗干擾、抗反輻射導彈及雜波抑制等戰術性能。為實現具有低副瓣電平的天線,面陣必須具有加權功能[1-2]。

T/R組件是有源相控陣雷達的關鍵部件,T/R組件的研制決定了整個雷達研制的性能、價格和可靠性[3-4],因此T/R組件的設計成為各雷達系統設計師關注的焦點。

本文設計了一種帶幅度加權功能的T/R組件,該組件采用了低溫共燒陶瓷(LTCC)技術和表面微組裝互連技術,在一塊LTCC基板上集成了多種微波單片、波控單片及電阻電容等無源器件,實現了組件的小型化、集成化設計。

1 帶幅度加權功能T/R組件設計方案

T/R組件的具體功能隨系統性能要求各不相同,但其基本電路形式類似,均由收發通道組成,其基本形式見圖1,主要由移相器、微波T/R開關、功率放大器、限幅器、低噪聲放大器、環行器以及控制電路等組成[5-7]。

圖1 T/R組件的基本形式組成框圖

圖2 具有發射加權功能T/R組件原理框圖

本組件的研制充分考慮了雷達整機的設計需求,組件原理框圖如圖2所示。該組件包含4路發射通道及4路接收通道,為實現收發幅度加權的功能,結合組件收發分時工作的特點,在收發通道增加共用電調衰減器,既有效減少了器件數量,又可以改善組件間的幅度一致性。為了獲得良好的性能和穩定可靠的工作,在發射通道增加驅動功率放大器以提高發射通道的增益,在功率放大器輸出端增加環形器以保護功率器件。同時,該組件內集成波控ASIC芯片,實現收發開關、移相器及衰減器的不同工作狀態切換。

該組件工作于發射狀態時,波控信號控制開關1、開關2及開關3選通發射鏈路,使得由功分網絡饋至各通道的移相器的微波信號通過放大器2、衰減器、驅動放大器,最后經過功率放大器放大后,通過天線單元向空間輻射出去。接收時,波控信號控制開關1、開關2及開關3選通接收鏈路,使得各天線單元接收到的微波信號通過環形器、低噪放1、低噪放2、放大器1、衰減器、放大器2、移相器,最后4路接收信號通過功分網絡合成后輸出供組件后級電路處理。

所有微波芯片、波控芯片及阻容器件等元器件高密度表貼在一塊多層低溫共燒陶瓷(LTCC)基板上。芯片間的互聯走線及微波通道均在多層基板內部實現,使得電路的尺寸、焊盤數量均大為減小,既提高了可靠性及組件幅相一致性,又節約了成本,減輕了重量。

根據這一方案,我們開展了T/R組件的研制工作,下面介紹關鍵技術研究情況和研制結果。

2 關鍵微波電路設計

2.1 功分網絡的設計

目前,一般采用功分器來實現多路收發通道信號的分配和合成。很多T/R組件設計中的功分器平面結構的,這種平面結構的功分器體積較大,難以滿足當前微波組件小型化、集成化的發展趨勢[8-10]。本文設計了一種較新的微波器件設計結構,即基于低溫共燒陶瓷(LTCC)技術的帶狀線三維結構功分網絡。由于LTCC技術可以將電阻、電容和電感等無源元件埋置在多層互連基板中,因此具有高性能、低成本、高可靠性、小型化的優點。

由于微波電路性能易受殼體結構影響,因此進行功分器仿真設計時有必要將組件結構考慮進來,圖3為一分四功分器的仿真模型。

圖3 T/R組件功分器仿真模型

仿真結果如圖4所示,可見,在整個波段內,傳輸損耗小于8 dB,4個輸出端口間隔離度大于24 dB,輸入端口駐波小于1.26,4個輸出端口駐波小于1.12。

圖4 功分器仿真結果

2.2 收發鏈路的設計

發射鏈路主要完成發射輸入信號的放大,對于X波段的工作頻率,組件通常采用GaAs FET或PHEMT有源器件來實現其高頻特性,在目前的器件水平下,砷化鎵PHEMT芯片可實現大于10 W的功率輸出。前級驅動選用了2級MMIC實現,第1級放大器進行小信號的高增益放大,用以補償移相器、衰減器及開關所造成的增益損失,第2級驅放對信號進一步放大,提供功率放大器所需的驅動功率電平。

接收鏈路主要包含限幅器、低噪放、移相器、衰減器、開關等電路,由于組件接收增益較高,為保證組件的穩定性,將增益進行了分配,采用了多級放大器級聯的形式實現。

由于收發鏈路中包含大量微波芯片,芯片間的互聯一般采用金絲鍵合,金絲互聯模型見圖5。如果采用三維電磁場仿真對金絲的拱高、長度進行設計優化則能夠提高組件整體駐波以及平坦度等指標,提高組件性能。

圖5 金絲互聯模型

圖6 T/R組件內波控驅動電路

2.3 波控驅動電路的設計

T/R組件的移相、衰減、收發切換等邏輯控制功能通過波控驅動電路實現,它對雷達波束形成起著重要作用。

當需要改變雷達波束指向時,每個T/R組件的波控電路即按照波控運算產生的移相碼改變移相器的控制電平,達到移相要求。本設計中移相控制的位數為6位,相應的控制精度為5.625°。當需要實現雷達波束賦形和幅度補償時,波控電路即控制衰減器工作,衰減器的控制位數也為6位,衰減精度為0.5 dB。T/R組件內控制驅動電路的框圖如圖6所示[2]。

3 電磁兼容設計

由于T/R組件的4路收發通道全部集成在一個很小的LTCC基板內,微波及控制信號布線極為密集,組件的電磁兼容設計顯得極為重要[11-12]。考慮到組件接收通道和發射通道可能相互影響,形成增益環路,因此將組件設計為分時工作模式,即在發射通道工作時,接收通道斷電,在接收通道工作時,發射通道斷電。同時,為防止收發開關可能存在開關延滯導致收發通道同時打開形成增益回路的隱患,在波控收發轉換時序中間插入一個中間狀態,從而使得收發時序不會交叉,保證了收發通道間良好的隔離度。組件內部微波傳輸通道使用了大量帶狀線和微帶線,傳輸線間會在空間內相互耦合影響,同時由于組件內部空間狹小復雜,微波信號在腔體內會由于腔體效應形成諧振,從而影響微波性能,因此必須采取合適措施消除危害。在本設計中通過采用金屬隔墻、微波電路分腔等方法對通道進行空間隔離。

4 研制結果

利用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術和表面微組裝互連技術設計的4通道T/R組件實物照片如圖7所示。

圖7 T/R組件外形照片

對組件收發通道的性能指標進行了測試,主要測試結果見表1所示。

表1 T/R組件主要技術指標測試數據

5 結束語

該組件具有收發幅度加權的功能,能夠有效提高陣面天線性能,同時具有結構緊湊、重量輕、微波性能好、可靠性高的特點,在艦載、機載、星載相控陣雷達和通信領域中具有廣泛的應用前景。

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趙亮(1985-),男,碩士,主要從事微波T/R組件研制工作;

杜小輝(1977-),男,碩士,主要從事微波T/R組件研制工作。

ADesignofXBandT/RModulewiththeFunctionofAmplitudeWeighted

ZHAOLiang*,DUXiaohui

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China)

It is a research hotspot on the design of small size,low weight,high performance and high reliability microwave T/R module. The principle and design method of a kind of X-band T/R module is presented with the fuction of weighted Amplitude. The T/R module is based on LTCC multiplayer substrate technology,the T/R module is constructed on one base board and integrates resistance,capacitor,ASIC and MMIC,etc. Finally the test results are given. The T/R module provides over 40 dBm output power,23dB receive gain and less than 3.5 dB noise figure,weighs only 90 g.

phased array radar;T/R modue;X-band;amplitude weighted;LTCC

2014-05-06修改日期:2014-05-27

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.013

:TN882.4;TN958.92

:A

:1005-9490(2014)06-1072-04