T/R組件相位特性研究

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

有源相控陣雷達因波束指向、波束形狀可快速變化、可實時形成所需波束形狀、實現巨大輻射功率的合成空間，具有同時執行對空搜索、跟蹤和識別數百批目標的多任務功能，具有極高的數據更新率、極短的反應時間等優點，已成為國家導彈防御系統和新一代戰機等軍事領域關注的焦點，得到各個國家和組織的關注和重視，并競相投入巨資研制和開發。為了提高測距精度和距離分辨率, 要求信號具有大的帶寬，為了提高雷達的探測距離和威力，在設備峰值功率受限的情況下，要求信號具有大的時寬，這就要求雷達信號具有大的時寬帶寬乘積。脈沖壓縮雷達可以通過脈沖壓縮技術實現大時寬帶寬乘積信號，不需要高能量窄脈沖所需的高峰值功率，就可以實現寬脈沖的能量和窄脈沖的分辨率[1]。脈沖壓縮要求系統相位有較好的線性特性，若信號產生相位非線性失真，則在脈沖壓縮處理后將產生成對回波脈沖，在相位非線性失真比較大的情況下，這些脈沖出現交疊，則類似于在脈沖壓縮處理后脈壓后脈沖的副瓣電平升高，出現脈沖展寬的現象，從而降低雷達探測的距離分辨率[2]。T/R組件作為脈沖壓縮雷達的核心部件，其相位非線性度對脈沖壓縮性能至關重要，決定了脈沖壓縮的效果和雷達探測的距離分辨率。

GaAs場效應晶體管大信號模型被提出[3]，也有相關文獻從放大器設計的角度提出了相位畸變的原理[4-5]。本文從T/R組件設計出發，提出了一個簡化的GaAs功率管模型，從非線性器件、多級放大器耦合效應、組件的腔體效應、封蓋效應四個方面分析了T/R組件的相位特性。并從這4個方面出發，提出了優化T/R組件相位特性的方法。文中以一個X波段T/R組件為設計實例，對文中所提優化方法進行設計驗證。

1 相位非線性失真定義

對于一個傳輸系統，設其傳輸函數為

H(jω)=|H(jω)|ejφ(ω)

(1)

群時延：

(2)

若系統的相移特性為線性，則該系統對信號所有頻率的分量具有固定的時延，td為一個與頻率無關的常數，則φ(ω)是一個斜率為td的一條直線；若系統為非線性，td為與頻率有關的函數，則信號各個頻率的分量將受到不同的延遲導致相位失真，φ(ω)不再是一條直線，即產生了相位非線性失真。

系統相位與頻率的關系如圖1所示。用一條斜率恒定的直線擬合非線性系統的相位，非線性系統相位曲線與所擬合直線的差值曲線為相位線性度曲線，曲線的峰峰值大小即為系統的相位非線性誤差，如圖2所示。

圖1 系統相位與頻率的關系

圖2 相位非線性誤差定義

T/R組件的相位優化的目標是減小其相位非線性誤差，優化其相位線性度。

2 引起相位非線性失真的原因

2.1 放大鏈路非線性器件

T/R組件接收鏈路中，采用低噪聲放大器對接收信號進行低噪聲放大。低噪聲放大器工作在線性放大區，相位線性度較好，相位失真小。發射高功率放大鏈路通常由驅動放大器和末級功率放大器組成。驅動放大器輸出功率較低，作為推動末級高功率放大器的前級器件，通常工作在器件的線性區域，相位失真小。末級功率放大器通常都工作在器件的飽和區，以獲得更大的輸出功率和更高的效率。提高效率的負面影響就是給系統帶來了嚴重的相位非線性失真，導致了系統相位的劇烈變化，從而導致了T/R組件發射相位非線性的產生。

放大器的場效應晶體管為非線性器件，是導致放大器相位失真的主要原因。為了分析場效應晶體管的相位失真特性，本文對傳統的場效應晶體管大信號非線性模型進行了簡化，忽略值較小的漏極和柵極間的反饋電容Cgd和反饋電導Ggd，簡化后場效應晶體管的等效電路如圖3所示。等效電路中含有4個非線性元件：柵源電容Cgs，柵源電導Ggs，漏源電導Gds，漏柵電導Gdg。在T/R組件中，場效應晶體管通常工作在近飽和區，Gds和Cgs是導致放大器相位失真的主要原因。

圖3 共源極場效應晶體管簡化等效電路模型

從圖3中可以得到S21的相位：

arg(S21)=π-tan-1·

(3)

分別對Gds和Cgs進行求導可得

(4)

改變Gds和Cgs的大小將會影響S21的相位特性。從式(4)中可知，Gds的增加會導致S21的相位的超前，Cgs的增加會導致S21的相位的滯后。

2.2 多級放大器間的耦合效應

T/R組件發射鏈路設計時，通常會采用多級放大器級聯的方式，通過驅動放大器推動末級功率放大器，以保證較大的功率輸出。驅動放大器與末級功率放大器間的耦合效應隨著其物理間距的減小而增大。特別是在一個密閉的腔體空間內，耦合效應會給T/R組件的相位特性帶來較大的影響。

2.3 腔體效應

T/R組件是一個密封的腔體，當腔體的諧振模式落在工作頻帶內并且Q值較高時，腔體的諧振效應會影響組件相位的線性特性。

2.4 封蓋效應

T/R組件封蓋的平整度會影響腔體的實際結構，改變腔體的諧振模式和Q值大小，進而引起T/R組件的相位特性的變化。

3 相位優化方法及設計實例

本文設計了一個如圖4所示X波段雙通道T/R組件，對第2節中所分析的T/R組件相位失真的原因進行設計驗證，并以這4個原因為出發點，相應提出了優化T/R組件相位特性的方法。

圖4 X波段雙通道T/R組件

由式(4)可知，Gds的增加會導致S21的相位的超前，Cgs的增加會導致S21的相位的滯后。為了減小功率放大器對T/R組件相位失真的影響，可以通過改變放大器的直流偏置來改變Gds和Cgs的大小，優化T/R組件相位特性。

末級功率放大器輸入輸出理想匹配時，相位線性特性與設計值相符。若放大器輸出端電路阻抗與功率放大器芯片不能完全匹配，則會影響放大器芯片的工作點，并會引起信號的反射，從而造成T/R組件相位線性度變差。因此，功率放大器的輸出匹配對信號的相位特性也有較大的影響，改善放大器的輸出匹配，也可以減小T/R組件的相位失真。

3.1 改變柵源電壓

設計的T/R組件采用源極接地的共源極放大器，改變柵極電壓，柵源電壓Vgs會隨之改變。Vgs的增加會導致Cgs的增加，從而導致相位滯后。圖5為Vgs分別為-0.5，-0.6 和-0.7 V時T/R組件的相位非線性特性。從圖中可以看出，隨著柵壓的減小，T/R組件的相位線性度變好。但是，柵壓的減小會導致T/R組件的工作效率降低，超過一定范圍則會影響組件的穩定性。在實際使用柵壓調節相位非線性特性時，需要綜合考慮非線性度、效率和穩定性等綜合因素，選擇一個最優值。

圖5 T/R組件相位非線性度隨柵源電壓Vgs的變化

3.2 優化末級功率放大器輸出匹配

T/R組件放大器芯片通過金絲與外圍電路互連，在高頻組件中，互連金絲會引入電感特性，從而影響放大器的匹配。可以通過增加調試電容的方式，抵消電感對放大器輸出匹配的影響。在設計的X波段T/R組件的末級功率放大器輸出端加匹配調試塊進行輸出匹配調試，如圖6所示。圖7中列出了增加調試塊前后T/R組件相位非線性度，從圖中可以看出，加了匹配調試塊后組件的發射相位非線性度有了一定的改善。

圖6 含有電容調試塊的傳輸線

圖7 調節功率放大器輸出匹配對T/R組件發射相位非線性度的影響

3.3 減小多級放大器間耦合效應

圖8 改進前后驅動放大器與末級功率放大器位置圖

從第2節可知，高功率放大器，前級為驅動放大器，兩級放大器間空間距離太近會形成級間耦合。特別是因匹配不好存在信號發射以及腔體諧振等情況時，多級放大器間的耦合效應會對T/R組件的相位非線性產生更加明顯的影響。圖8為改進前后驅動放大器與功率放大器位置圖。圖9為改進前后T/R組件相位非線性測試結果。從圖中可以看出，增加驅動放大器與功率放大器的物理間距，減小多級放大器間的耦合效應，可以優化T/R組件的相位特性。

圖9 驅動放大器不同位置時T/R組件的相位非線性特性

3.4 優化腔體結構

如圖10所示，在HFSS中對T/R組件腔體進行建模仿真，得到其諧振模式如表1所示。從表1可以看出，T/R組件在X波段范圍內有3個諧振模式，且Q值較大。腔體諧振會影響諧振點附近信號的傳播，諧振信號會與該頻率附近傳輸放大信號進行疊加，從而影響發射信號的相位線性度。通常情況下，組件的外形尺寸是固定的。為了改善腔體的諧振模式，如圖11所示，增加腔體隔金的厚度。增加隔金厚度后新腔體的諧振模式如表2所示，新腔體在X波段內諧振模式減少且Q值較原諧振模式低。圖12為兩種不同腔體結構對T/R組件相位線性度影響，從圖中可以看出，隨著腔體在工作頻帶內諧振模式的減少和Q值的降低，T/R組件的相位線性特性得到了改善。

圖10 T/R組件腔體模型

表1 T/R組件腔體本征模

續表

圖11 增加腔體隔金厚度的新腔體模型

表2 增加隔金厚度后新腔體的諧振模式

圖12 不同腔體結構對T/R組件相位線性度的影響

3.5 減小封蓋效應影響

封蓋的平整度會影響腔體的實際結構和諧振模式，從而影響組件的電性能。文中設計實例對T/R組件進行激光封蓋。第一次封蓋后，測得組件相位非線性誤差大于封蓋前測試結果。檢查發現蓋板不平整，導致腔體構型改變，影響組件發射相位非線性。將組件蓋板拆開后進行重新封蓋，保證蓋板平整，測得組件相位非線性誤差封蓋前測試結果基本一致。封蓋對組件發射相位非線性影響如圖13所示。從圖13可以看出，保證封蓋平整度可以避免因封蓋引起的腔體改變導致組件相位線性度的惡化。

圖13 封蓋對T/R組件發射相位非線性的影響

本設計中，依照文中提到的4種優化方法對雙通道T/R組件進行了改進設計。對改進后的雙通道T/R組件進行測試，從圖14可以看出，改進后組件兩個通道的相位線性度與改進前相比都有顯著提高，從改進前的27°優化到10°以內。

圖14 T/R組件改進前后發射相位非線性對比

4 結束語

本文從4個方面對T/R組件相位失真產生的原因進行了分析，相應地提出了優化T/R相位特性的方法。設計制造了一個X波段雙通道T/R組件，對文中所提優化方法進行設計驗證。從測試結果可以看出，優化后T/R組件的相位線性度有了17°的改善。本文所提優化方法切實有效，為T/R組件相位非線性優化具有很好的指導意義。

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