一種SCX頻段超寬帶新型有源陣面的研制

花婷婷 張瑞唐 永福

摘要 基于多層微波數字復合基板技術及三維立體疊層裝配，提出了一個scx頻段超寬帶新型有源陣面。詳細描述了該有源陣面原理樣機的組成架構和各關鍵電路的設計，對樣機性能進行了仿真和測試，測試結果表明，該scx超寬帶新型有源陣面可實現單元接收輸出P-l大干5dBm，接收增益28dB，噪聲系數4.OdB，波束掃描30°。

【關鍵詞】超寬帶 有源陣面 微波數字復合板波控

1 引言

隨著數字相控陣技術的飛速發展，構建集雷達、通信、電子對抗等多功能于一體的綜合射頻系統己成為現代電子戰裝備的發展要求。根據不同作戰功能對天線及射頻前端的要求，將多功能綜合射頻系統分為多個射頻孔徑實現，每個子孔徑配合陣面公用設備一起，完成射頻信號收發、校正、變頻、中頻數字化和信號的光電.電光轉換傳輸等功能。有源陣面是子孔徑的重要有源部件，是將天線、集成射頻前端、波控、二次電源乃至變頻、延時放大等進行綜合集成的結果，其性能指標決定了整個陣面戰術性能。對陣面進行合理化布局，開展輕量化設計及高集成設計，是控制系統的體積、重量的一個重要手段。

本文介紹了一種scx頻段超寬帶新型有源陣面的研制，該有源陣面采用全金屬Vivaldi天線，確保超寬帶;利用三角布陣，減少輻射單元數目;采用多功能芯片，將幅相控制功能、LNA功能及開關功能集成在一起，實現接收前端功能;基于多層微波數字復合基板技術，完成低頻信號的走線和射頻網絡功能;通過三維立體疊層裝配，SMP盲配互聯，提高了有源陣面的系統集成度，優化了陣面體積和重量。

2 設計方案

研制的SCX頻段超寬帶有源陣面采用輕量化高集成的設計方案，針對接收陣面熱量小的特點，利用微波數字多層復合基板設計多功能板，極大的提升了集成度，降低了重量。有源陣面的實現方案如圖1所示，主要由天線單元與多功能板組成，兩者通過SMP射頻垂直互聯實現對接。其中射頻接收前端功能主要由幅相多功能模塊和射頻合成網絡實現，位于多功能板正面，波控位于多功能板背面，通過多層PCB布線實現對幅相多功能模塊的饋電與控制。

3 關鍵電路設計

3.1 天線單元和陣面

有源陣面天線需要在限定的重量、體積下實現5個倍頻程的寬帶設計，在滿足增益效率要求下優化掃描狀態下的駐波，采用全金屬Vivaldi天線設計，并采用天線單元整體加工的方式保證天線之間的電連接，避免其它不可控因素造成的影響。Vivaldi天線的輻射是端射式的，建立的電場矢量平行于開口平面，仿真模型如下圖所示，采用三角布陣，有利于減少輻射單元的數目。由圖2仿真結果可見，除了個別天線單元在某些少數頻點駐波比較大外，天線小陣可以在5：1的帶寬內實現方位俯仰土30°二維掃描。

3.2 射頻接收網絡

射頻接收網絡采用幅相多功能模塊+功分器+微帶線的設計方式，三者共面布局，以減少多功能板的設計層數，使得多層介質板的壓合難度下降，多功能板設計穩定可靠。幅相多功能模塊將數控時延器、衰減器、放大器、驅動控制電路等多種功能集成在一個芯片上，原理圖如圖3所示，大大減少了模塊內裸芯片的數量和總體面積，簡化布局布線。傳統的超寬帶微帶合成器設計需要多節匹配實現，多節匹配的射頻網絡體積過大，難以和多功能模塊共面布局，為此采用基于GaAs介質的一分三和一分二功分器，以縮小寬帶合成的體積。由于采用三角布陣，功分網絡不對稱，為了在有限面積內確保每條射頻路徑的幅相一致性并綜合考慮寬帶功分器的影響，設計時利用HFSS對微帶走線進行建模，提取微帶線的S參數，再利用ADS搭建包含功分器和微帶走線的功分網絡模型，結果如圖4，通過計算調平各路徑的差異，確保系統一致性指標。

3.3 波控電路

波控電路包括多個LDO模塊及相應的電源濾波電路，負責將系統提供的+6V電源進行DC/DC變換后，給波控FPGA及相應的驅動電路使用，同時轉給幅相多功能模塊;另外接收上級發送來的指令，通過FPGA解析成多功能模塊所需的移相碼及衰減碼，判斷正確后分發給多功能模塊，并完成其控制，原理框圖如圖5所示。由于采用多層微波數字復合基板技術將射頻功能、電源與控制功能集成在一張多功能板上實現，電源與控制信號的傳遞則通過金屬化孔實現，設計時對層疊管理進行優化，電源層與信號層分開，并在之間增加接地層以屏蔽電路間的電磁干擾。

4 測試結果

基于三維立體疊層裝配，無線纜垂直互聯后有源陣面本體尺寸為167mmx154mmx126mm，原理樣機如圖6所示。在微波暗室中，校正后進行有源陣面接收方向圖和掃描范圍的測試，測試結果表明，有源陣面在scx頻帶內，單元接收輸出P-l大于5dBm，接收增益28dB，噪聲系數4.OdB。波束方向圖如圖7較為正常未出現明顯畸變。

5 結語

本文介紹了一種超寬帶新型有源陣面的設計，為一種sCx波段有源陣面。該有源陣面包括全金屬Vivaldi天線單元、射頻接收前端網絡、波控電路以及外圍結構件等。文中詳細介紹了各組成部分的原理和實現方式，利用多層微波數字復合基板技術、三維立體疊層裝配，完成的有源陣面原理樣機具有接口簡單，輕量化、高集成等優點，保證了某項目可擴充陣列模塊片式集成的可行性。

參考文獻

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