小型化超寬帶四通道T/R組件的研制

王 潔 崔 敏 周海進

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著有源相控陣雷達技術的發展，有源相控陣雷達要在多目標、多功能情況下完成許多新的任務，寬帶信號具有提高距離分辨率，提高測距精度，提高信號/干擾比等諸多優越性能，使寬帶有源相控陣雷達技術成為有源相控陣雷達技術的重要發展方向。無論在技術指標、設計難度、還是在開發費用上，寬帶T/R組件都是寬帶有源相控陣雷達的核心。因此，針對多功能、小型化和高可靠性的寬帶T/R組件研制變得非常重要[1]。

本文介紹了一種小型化超寬帶四通道T/R組件，頻率6GHz～18GHz，應用于電子對抗領域的有源相控陣雷達。基于MCM多芯片微組裝技術，采用微波多層混壓板，集成4個T/R通道，實現組件超寬帶工作。

1 T/R組件技術要求

小型化超寬帶四通道T/R組件主要技術指標要求如下：

頻率：6GHz～18GHz；

發射單通道飽和輸出功率：≥4W；

接收單通道線性增益：≥17dB；

接收噪聲系數：≤5dB；

移相精度(RMS)：≤8°；

衰減精度(RMS)：≤1.5dB。

2 T/R組件設計分析

2.1 工作原理

小型化超寬帶四通道T/R組件的主要功能組成包括前級放大單元、一分四功分合成網絡、四個收發通道和電源控制驅動電路等。每個收發通道包含移相多功能、衰減多功能、均衡器、驅動放大器、功率放大器、大功率開關、固定衰減器、限幅器、低噪聲放大器等功能器件。電源控制驅動電路包括穩壓器、電源調制器和溫度傳感器等。其原理框圖如圖1所示。

2.2 T/R組件微波混壓板設計

2.2.1 微波混壓板分層構造

T/R組件多通道集成首先考慮整板設計，把微波傳輸線、邏輯控制線和電源線集成在一塊印制板上，以實現多通道控制信號和電源信號復用，提高通道間微波傳輸的一致性，減小組件體積。常用的微波介質材料有LTCC，其介質損耗小，加工精度高，電路設計靈活，但是其制作費用高昂，且更適用于面積小、層數高的使用環境。本文采用的微波復合介質材料是Rogers 4350b混壓多層FR4，第一層介質為4350b傳輸微波信號，第二、三、四層介質為FR4傳輸控制及電源信號。該微波多層混壓板基材價格較低，加工精度高，且經仿真驗證在6GHz～18GHz工作頻率內傳輸性能滿足系統設計要求。

微波多層混壓板頂層用于微波信號傳輸和放置元器件，第二層為微帶地層。中間層用于傳輸控制信號和電源信號，同時用大面積地層隔離信號層和電源層。通過仿真和合理布局，將它們組合在同一個三維微波傳輸結構中[2]，布線時采用共面波導和大面積地孔，改善T/R組件中各個通道之間、發射支路和接收支路之間的隔離度；考慮大電流信號走線的壓降和復雜數字信號之間的隔離；板邊金屬包邊，保證整個混壓板的信號屏蔽與電磁兼容性，同時使混壓板在燒結時接地效果更好。圖2為微波多層混壓板的分層構造圖。

2.2.2 混壓板微波電路設計

1)微波接地設計

微波多層混壓板中的微帶線地層不在基板背面，而是位于第二層，因此，與一般微帶線不同，該微帶線地實際上已不是理想的傳輸線地，傳輸線的傳輸模式發生了改變，且在高頻率上易出現高次模式。為提高性能、擴展應用頻率，可以利用在微帶結構的適當位置設置接地盲孔和共面波導過渡來優化傳輸線接地[3]，提高微帶線的傳輸性能。

混壓板上4350b介質厚度0.254mm，50Ω線寬0.54mm，地孔內徑0.25mm，整板厚度1.2mm。建模仿真得到，共面波導形式傳輸線兩側地與傳輸線間距0.7mm，靠近傳輸線的地孔中心間距0.6mm，在6GHz～18GHz全頻帶內損耗小于-0.17dB，駐波小于1.11，如圖3所示。若有空間可放置兩排地孔，第二排孔與第一排孔間距0.45mm，且錯位排列。在6GHz～18GHz全頻帶內損耗小于-0.165dB，駐波小于1.09，如圖4所示?？梢缘玫皆谡宀季种?，傳輸線兩側應盡可能多的放置地孔。

2)T結過渡

T/R組件中大部分微波芯片均裝配在混壓板表面，芯片常規厚度0.1mm，這樣的高度差，會使傳輸線金絲鍵合的長度增加，帶來金絲引入的感性，使端口失配。如圖5所示，建模仿真在6GHz～18GHz全頻帶內損耗小于-0.1dB，駐波小于1.24。在傳輸線端口加入T結微帶線[4]，T結可等效為LC匹配，有效改善端口駐波。建模仿真，得到T結w=1mm，h=0.3mm時，在6GHz～18GHz全頻帶內損耗小于-0.06dB，駐波小于1.06，如圖6所示。

3)空氣過渡

微帶線的導帶上半部分是空氣，下半部分是介質，在結構上的不均勻性使微帶線不能傳輸純TEM波。在高頻率或寬頻帶場合時，需考慮縱向場的分量，可在同軸連接器轉換成微帶線時，在同軸連接器之后添加一段空氣同軸線，實現模式的平穩過渡，并減小同軸傳輸部分暴露在腔體中的面積，提高寬帶傳輸性能。同軸連接器SMP的導體直徑d=0.39mm，建模仿真，得到r1=1mm，h1=0.15mm，r2=0.45mm，h2=0.8mm時，在6GHz～18GHz全頻帶內損耗小于-0.018dB，駐波小于1.1，如圖7所示。

2.3 結構設計

合理的金屬分腔對提高信號的隔離度和遠離諧振頻率有決定性作用，混壓板旨在便于整板走線和一體化設計，分板、分腔必然降低其優越性。故本文采用了混壓板上安裝異形隔墻的方式來進行結構設計。由殼體墻定位通道寬度，把散熱要求較高的功率放大器和大功率開關燒結在殼體墻分腔區域內。異形隔墻用螺釘安裝在微波多層混壓板表面，與殼體墻通過定位槽卡住，保證準確定位。異形隔墻與殼體墻共同作用使各通道分隔為獨立的腔體，保證了通道內不產生腔體諧振。異形隔墻在各通道微波傳輸線位置開窗，同時隔離了功分網絡與電源控制電路，保證了功分網絡的腔體性能，如圖8所示。安裝異形壓塊位置的微波多層混壓板上設置大面積地孔，使異形壓塊通過地孔與微帶地、殼體地互連[5]，同時在板子內部實現通道間信號的隔離。

異形隔墻通過螺釘安裝在混壓板表面，組件蓋板通過螺釘與異形隔墻安裝，此時若采用φ=1.6mm的螺釘，隔墻厚度至少需要3mm。根據以往的工程設計經驗，異形隔墻與混壓板和與蓋板之間安裝需無縫隙，則螺釘需均勻布置且越多越好。但是組件內部器件密度很高，隔墻上厚度為3mm的位置非常有限，本文采用上下兩次安裝螺釘的方法解決了這一難題。先使用φ=1.6mm×5mm的螺釘從殼體底面向上，穿過混壓板將異形隔墻安裝混壓板表面，再使用φ=1.6mm×4mm的螺釘從蓋板向下，將蓋板固定在異形隔墻和殼體上。異形隔墻上的安裝孔位實現了復用，盡可能的增加了安裝螺釘孔的個數。在最終調試完成后，螺釘孔涂抹密封膠，實現了殼體內部密閉。

3 實物測試

小型化超寬帶四通道T/R組件尺寸為80mm×37.5mm×10mm，重量小于60g，如圖9。經測試，T/R組件發射輸出功率大于4W，接收增益大于19dB，噪聲系數小于4.8dB，如圖10所示。

4 結束語

小型化超寬帶四通道T/R組件通過混壓板分層、接地、隔離等措施，有效避免了多通道集成帶來的電磁干擾問題，各項功能指標均滿足系統設計要求。從測試結果可以看出接收增益帶內一致性較差，主要是由于每個器件的安裝精度不一致，級聯后在寬帶信號下偏差就會累積放大；并且器件手冊上的輸出曲線與裝配后的狀態有偏差，帶內均衡器的選擇存在優化空間。未來在寬帶組件研制中應加強安裝精度和一致性控制，同時對關重器件在前期單獨測試，為均衡量控制提供實測依據。目前，該T/R組件已經成功試制，電氣性能良好，完成小批量生產，其關鍵技術具有廣泛的應用推廣價值。