X波段寬帶多功能組件研制

王光池，陳興國

中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088

X波段寬帶多功能組件研制

王光池，陳興國

中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088

介紹了一種適用于X波段寬帶的數字陣列模塊（DAM）的多功能組件的設計和制作過程。該組件不僅具有在X波段全帶寬內工作的寬帶特性，并且內部包含了收發電路和開關濾波器組，使得其可以滿足X波段寬帶DAM對高頻收發前端的要求。文中介紹了組件的原理方案，詳細分析了組件的設計方法和制作過程，并最終給出了試驗件的測試結果。

X波段；寬頻帶；T/R組件；開關濾波器組

收發全數字陣列雷達是一種新型相控陣雷達。其主要特點是雷達的接收和發射波束通過數字的方式來形成。由于其新穎的工作方式使得其具有雷達系統具有數字化、模塊化、可擴充等優良特性，其同常規相控陣雷達相比，具有更大的波束靈活性和更好的抗干擾性等優良特性。因此數字陣列雷達有著非常好的應用前景，在近幾年來收到人們的廣泛關注[1]。

數字陣列模塊（Digital Array Module以下簡稱DAM）是新型數字陣列雷達中的基本單元，其實現技術是數字陣列雷達的核心技術之一[2]。它的技術指標決定了數字陣列雷達的技戰術指標的高低，同時也決定了數字陣列雷達的生存價值和使用價值。

T/R組件作為數字陣列模塊的一項重要組成部分，不僅其性能指標對整個模塊的關鍵的性能指標其著決定性作用，而且組件的體積、成本、可靠性對模塊的工程實用性也起到極其重要的作用。本文介紹了一種基于數字陣列模塊架構下的多功能組件的設計和制作。其不僅具有T/R組件的收發放大功能，同時內部還包含了一個開關濾波器組，從而實現在整個帶寬內實現頻帶選擇的功能。組件設計時不僅考慮了系統指標要求的高功率，低噪聲及高帶外抑制等特點，同時還對組件進行了輕小型化和低成本設計，以提高其所在系統的工程實用性。

1 組件設計

1.1 系統原理框圖

不同的相控陣雷達系統中的T/R組件的實際組成往往都是受到系統要求的差異，導致組件接口形式和具體電路的復雜程度都不盡相同，但通常內部主要都是要由發射通道、接收通道、共用通道及電源調制電路和驅動控制電路等組成。本組件根據系統的需求和現有器件的指標，采用了如下圖1所示的組成方式。

圖1 組件基本組成框圖

由上圖可以看出：將該設計將開關濾波器組和TR組件設計在一個盒體中，濾波器之間通過單片開關切換，開關濾波器組的電源及控制信號與T/R組件的電源及控制合并在一起，簡化了布局、布線，減小了結構尺寸。

1.2 器件選擇

考慮組件的輕小型化設計要求。組件內部的微波器件（除環行器）都是采用未封裝的裸芯片進行設計。

T/R組件控制器件部分主要為開關，都為GaAs MMIC。我們設計采用的開關具有收發及負載三態。

組件接收支路采用的限幅器為寬帶兩級GaAs PIN管限幅器，為了滿足接收放大的增益要求，我們采用兩級GaAs高增益，低噪聲放大器MMIC。

組件發射支路的寬帶功率放大器則采用采用雙電源饋電的GaAs pHemt工藝的晶體管，其輸出功率大于39dBm（8W）。

T/R組件的電源調制電路和驅動控制電路全部采用Si基裸芯片進行設計。

組件內部開關濾波器組中的兩個頻段的濾波器采用了單片Si襯底MEMS 濾波器，這種濾波器采用4″圓片標準工藝和層疊濾波器技術，使芯片尺寸只有傳統濾波器（陶瓷基底）的1/6。

1.3 組件電訊設計

1.3.1 射頻通道設計

組件發射支路包末級功率放大器、驅動放大器。由于發射末級功放芯片直接決定組件的功率輸出，因此通常要求末級功放芯片在飽和區工作，以達到更好的發射效率和輸出帶內平坦度。驅動功放不僅具有足夠的放大增益以滿足發射鏈路的增益要求，同時其輸出P-1需要結合末級功放輸入進行考慮。

T/R組件接收支路包括3dB電橋、限幅器、低噪聲放大器和開關濾波器。組件的接收支路主要的指標包括噪聲系數NF、接收增益G和接收1dB增益壓縮點輸出功率Po-1。組件的噪聲系數按照計算公式（1）進行計算。

在組件工作帶寬BW確定的情況下就可以得出組件的接收靈敏度Smin為：

得出上述指標的結果后，可進一步計算出組件的1dB增益壓縮點動態范圍DR-1：

通過上述計算公式，結合選取的器件的指標，我們就可以算出以上指標是否滿足系統的需求。

1.3.2 驅動及調制電路設計

為了快速實現T/R組件的收發轉換，以及開關濾波器組的通帶的選擇切換。為此，我們采用了適合該組件微波控制器件的邏輯控制芯片。

考慮此功率放大器的加電順序為先加柵級負壓，后加漏極正壓，在漏極電源調制時序中增加負壓保護電路[3]。另外由于雷達是收發同頻工作，考慮組件的穩定性設計，要保證收發電源時序完全分時，實現收發隔離工作，提高T/R組件的穩定性設計[4]。

1.3.3 基板設計

通常為了實現T/R組件的小型化、高密度組裝，減小T/R組件的體積重量，組件內部一般采用低溫共燒陶瓷（LTCC）為基板，將微波與低頻控制、電源混合布線，大大縮小組件電路布局尺寸[4]。但考慮到LTCC 成本制作成本較高，同時不易返修和維護，本組件中控制及電源布線相對較少，因此本組件采用常規微帶板進行走線設計。基板設計主要包括以下方面。

1）基板選用高頻性能較好的Rogers RT5880。

2）基板熱設計：小功率器件采用導電膠粘接與基板接地焊盤上，大功率器件所在處基板開腔，將其直接焊接于熱沉之上，以散熱。

3）電源與微帶或電源交叉處采用金絲或跳線的方式進行跨接。

1.3.4 電磁兼容分析

電磁兼容設計是組件工程實現，調機聯試中的難點。主要是由于組件內部空間緊湊狹小、走線復雜。除了存在微波、模擬、數字信號外，還有直流和脈沖等信號，信號間易產生相互干擾。

首先，T/R組件的腔體設計是組件穩定性設計的關鍵因素之一，對于T/R組件來說，電路的工作頻率低于腔體的波導截止頻率時，將會減小輻射信號對微波元件的影響(如反饋、增益起伏或隔離度減小等)[5]。利用場分析仿真軟件HFSS對組件腔體進行本征模式仿真，可以計算出組件腔體的波導截止頻率。腔體諧振問題可以通過內部加隔墻提高截至頻率使之遠離工作頻帶內，或者內部加吸波材料消除腔體諧振的方式加以解決。

其次，電源的完整性設計對T/R組件的正常、穩定工作至關重要。通過改變組件內部基板的接地方式，通過對各種電源之間進行地的隔離、或在多層布線結構要求和地平面阻抗之間找到平衡點等來改善電源之間的干擾等。

最后，組件采用金屬外殼進行焊接密封，這樣就使得組件在殼體的屏蔽下避免了與外界產生電磁干擾，從而提高了組件的電磁屏蔽性能。

1.4 工藝與實現

封裝工藝：為了保證組件的長期可靠工作，對組件的殼體材料、連接器及封裝工藝均有氣密性性要求：首先盒體材料選擇適應平行縫焊工藝的Kovar材料；射頻連接器采用氣密型焊接的方式安裝于殼體之上；低頻插針連接器采用一體燒結的方式固定于組件的殼體；組件的封蓋工藝采用平行縫焊工藝也可以保證組件達到優良氣密性能。

組裝工藝：組件內部微組裝工藝主要包括焊接和膠接兩種工藝形式。組件內部的微帶板和環行器通常都是采用焊接的方式安裝于殼體上，功放芯片通常是先鉬銅襯底共晶后焊接與無氧銅熱沉之上。其他小信號及控制類器件通常都采用導電膠粘接的固定方式。組件內部器件的控制及電源則通常采用金絲球焊的方式，而射頻連接通常采用金絲壓焊的方式。

圖2 組件照片

2 測試結果

該組件的外形如圖2所示。組件的技術指標可以人工測試獲取。但通常考慮到組件測試內容較多一般將矢量網絡分析儀、噪聲測試儀、信號源和峰值功率計等測試儀表通過GPIB總線或網線等連接到計算機上，構建成自動測試系統，通過軟件自動設置測試參數，計算機自動采集儀表數據，減少人工測試量，提高測試效率[7]。組件的主要性能指標測試結果如下。

工作頻率：X波段；

輸出功率：≥6W；

接收增益：≥30dB；

噪聲系數：≤4.0dB；

工作帶寬：≥40%（相對帶寬）；

帶外抑制：≥30dB(帶外500MHz)；

組件重量：≤40克；

組件尺寸：52mm×25mm×7.5mm。

3 結論

通過結果可以看出，采用文中介紹的設計思路和制作方法研制出的X波段多功能組件，在寬頻帶下具有低噪聲、高增益、高功率和高帶外抑制的特點，并且組件體積小、重量輕。因此在機載、球載和星載等不同的平臺下的DAM系統中都有著廣闊的應用前景。

[1]Cantrell B. Development of a Digital Array Radar(DAR)[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，2020，17（3）：22-27.

[2]吳曼青.數字陣列雷達及其進展[J].中國電子科學研究院學報，2006，1（1）：11-16.

[3]王周海，等.X波段雙通道T/R組件的LTCC基板電路設計[J].雷達科學與技術，2005，3（5）：301-305.

[4]盛永鑫.T/R組件自動測試系統[J].國外電子測量技術，2006，25（11）：37-40.

TN6

A

1674-6708（2015）148-0140-02