一種高集成多通道數字收發陣列模塊設計

周海進 雷國忠 康 穎 王嘉煜 張思明

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著現代雷達技術的不斷進步，有源相控陣雷達向數字化方向發展的趨勢和應用需求日益強烈。與傳統相控陣雷達相比，其具有動態范圍大、多波束、系統工作可靠性高等優點[1-4]。數字收發陣列模塊作為此型雷達的關鍵部件，在系統設計中占據舉足輕重的地位，其設計研制的難點不僅在于需要完成雷達探測信號的數字化收發，上、下行數據的預處理及傳輸功能[5-7]，還應具備高集成、輕量化的特點，以滿足大型數字相控陣雷達系統的應用要求。

本文中基于數字化、集成化的設計思想，詳細介紹了一種S波段8通道數字收發陣列模塊的設計方法。通過將直流電源轉換、基帶數據預處理及傳輸、數字-中頻信號轉換及收發、本振功分及上下變頻、時鐘信號分配網絡、射頻收發等功能模塊開展一體化設計，結合數模混合集成技術和多層微波-數字混壓PCB技術的應用，實現了多通道數字收發模塊的高度集成，為進一步開展全數字收發有源相控陣雷達系統的研制提供了有效支撐。

1 組成與功能

如圖1所示，多通道數字收發陣列模塊在雷達系統中處于信號處理機與輻射天線陣列之間。內部主要由直流電源變換、光電轉換、基帶數據傳輸及預處理、系統時鐘/本振功分網絡及8路收發通道等五大部分組成。各部分的主要功能為：

1)直流電源變換：包括DC-DC轉換及線性穩壓，主要功能是將外部集中式電源送入的+28V電壓轉換為各功能器件所需的電壓類型；

2)光電轉換：完成基帶數據及控制信號在光纖與FPGA之間的傳輸轉換；

3)基帶數據傳輸及預處理：通過FPGA芯片完成信號在模塊與外部信號處理機間的傳輸及部分預處理功能；

4)系統時鐘/本振功分網絡：對外部送入模塊的系統時鐘/本振信號進行多路等功率、同相位分配，并傳送至各收發通道；

5)收發通道：發射端主要完成激勵信號波形產生、數模轉換(DAC)、上變頻及小信號放大、大功率飽和放大及射頻濾波輸出等功能；接收端主要完成對回波信號的低噪聲放大、下變頻及濾波處理、模數轉換(ADC)及數字正交下變頻等處理。

2 關鍵部分設計思路

2.1 收發通道設計

數字收發陣列模塊的收發通道設計與傳統的模擬收發陣列模塊通道設計稍有不同，主要區別體現在各通道內部需對收發信息進行數字化處理。若采用分立式元器件搭建鏈路，不僅成本昂貴，且不符合數字陣列模塊高集成度設計的要求。在本設計中，我們將信號數模/模數轉換及上、下變頻部分集成設計為數模混合集成模塊，與后端模擬收發放大模塊搭配構成完整收發通道，原理組成框圖如圖2所示。發射狀態下，信號處理機發送的I/Q基帶數據經光電轉換及FPGA處理后送入數模混合集成模塊，與其內部的NCO信號進行數字正交上變頻，產生中頻激勵信號經外部中頻濾波器濾除鏡頻和帶外雜散后，送入上變頻器與本振信號相減產生射頻激勵小信號，然后經功率放大模塊進行飽和放大，再經環形濾波組件輸出至外部輻射天線。接收時，回波射頻信號經限幅低噪放放大、下變頻、中頻濾波、ADC模數轉換及DDC正交下變頻處理后，變為數字信號通過FPGA及光纖傳送至外部信號處理機。

2.2 本振功分網絡設計

多通道數字收發模塊外部輸入的射頻信號主要包括本振信號和時鐘信號。如圖1所示，兩種信號均需通過一分八功分網絡分配至各收發通道，硬件實現則以微帶功分網絡形式在多層混壓印制板的頂面和底面分別排布以避免交叉傳輸。考慮電磁兼容因素，本振分配網絡分布于印制板底面，并借助底部結構件殼體開槽形成本振功分網絡傳輸封閉腔。信號經一分二功分器級聯實現多路分配后，通過貫穿多層混壓印制板的低損耗金屬化過孔傳輸至頂面數模混合集成模塊相應管腳。圖3和圖4分別給出了本振功分網絡及低損耗穿層傳輸過孔的仿真模型和計算結果。

2.3 電源變換設計

本設計中，系統送入數字收發陣列模塊、供電信號為單一直流+28V電源。模塊內部各器件所需電壓如+5V、-5V、模擬/數字+3.3V、+1.8V等近10種類型均是由+28V通過DC-DC電源變換芯片和線性穩壓器(LDO)轉換而來，所有電源芯片按就近原則在功能器件周圍排布，以避免遠距離傳輸帶來其他信號串擾。

2.4 光電轉換及數據傳輸

光電轉換在本設計中是數字收發陣列模塊與信號處理機間進行數據交互的唯一接口。發射時，將信號處理機通過光纖送入的各通道幅相控制字、工作模式等信息經光電轉換后送入FPGA，完成預處理及時序控制后發送至各收發通道；接收時，各單元通道回波信號經FPGA預處理后送入光電轉換模塊，進行電-光信號轉換后經光纖送入系統信號處理機進行數據分析處理。

2.5 熱設計

多通道數字收發陣列模塊的功能復雜，內部發熱器件數量較多，因此散熱設計是不容忽視的一個方面。在本設計中，我們采用液冷散熱的方式，將8個收發通道并行排布，并對功率放大模塊、電源變換模塊、數模混合集成模塊、FPGA等主要器件的熱耗進行了計算，結合熱學仿真軟件優化液冷管道設計，確保模塊在高溫環境下可以正常工作。圖5給出了8通道數字收發陣列模塊內部液冷管道示意圖。

通過上述各關鍵部分的詳細設計，實現的多通道數字收發陣列模塊樣機尺寸為460mm×300mm×40mm，重量小于6kg。

3 測試結果

多通道數字收發陣列的測試通道數量較多，且涵蓋數字和模擬兩部分內容，參照傳統收發陣列采用常規測試方式難以滿足大型相控陣系統對多通道數字收發陣列的指標評估要求，引入自動測試系統及相關控制軟件是一種比較可行的方式。測試過程中，借助外部標準電源進行集中式供電，模擬信號源產生時鐘/本振兩種信號，利用功率計和頻譜儀測試模塊輸出峰值功率及頻譜特性，利用標準電源讀取工作電流計算得出工作效率，采用Y因子法將輸入的噪聲功率等效為噪聲源的溫度變化，輸出端通過測量噪聲功率變化計算得到接收通道噪聲系數。圖6、圖7分別給出了帶內雜散和偏離主頻1kHz處相位噪聲的測試結果。模塊可實現的主要的電氣特性指標如下：

工作頻段：S波段；

單通道發射峰值功率：≥100W；

通道間發射功率不一致性：≤0.8dB；

最大占空比：20%；

工作效率：≥25%；

發射信號相位噪聲：≤-105dBc/Hz@1kHz；

帶內雜散：≤-65dBc；

接收通道噪聲系數：≤3.5dB。

4 結束語

文中介紹了一種S波段8通道數字收發陣列模塊的設計方法，詳細闡述了模塊內部各組成部分的工作原理及組成方式，制作了實物樣機并開展相關測試，評估結果表明該模塊可以滿足數字有源相控陣雷達的使用要求，同時也為后續進一步開展相關工作奠定了基礎。