一種模擬T/R 與變頻模塊一體設計的組件

顏廷臣，王立亞

（中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051）

0 引言

T/R 組件是有源相控陣的核心部件，每個相控陣雷達中的T/R 組件少則上百部，多則近千部，因此數組T/R 體積和性能直接影響了整部雷達的工作性能，T/R 組件的小型化和可生產性異常關鍵。T/R 組件分為模擬T/R 組件和數字T/R 組件，現模擬T/R組件仍是應用主流。在有源相控陣雷達中，多個T/R 組件對應一個變頻模塊，實現頻率的變換。

本文介紹一種C 波段的T/R 組件，將常規模擬T/R 和變頻部分集成到一個電路板上，實現二次變頻。器件上采用多芯片組裝（MCM），利用MMIC 金絲鍵合組裝工藝縮小組件的體積。通過腔體的合理設計，多功能芯片的應用及仿真軟件的優化，實現波形控制及各項電性能特性。

1 工作原理

C 波段八通道TR 模塊主要包含兩個單元，一個單元為模擬T/R 單元，另一單元為收發變頻單元。模擬T/R 單元含八個通道，每個通道包含一個接收支路和一個發射支路，八個通道通過功分網絡合成單元合成一個通道，連接收發變頻單元。收發變頻單元含接收和發射支路，接收支路將C 波段射頻信號進行下變頻到P波段中頻信號，并對該信號進行濾波放大；發射支路的功能是將P 波段中頻信號上變頻至C 波段濾除諧、雜波后放大輸出。

產品主要包括環形器、收發開關、接收支路、低噪聲放大器、發射支路驅動放大器、功率放大器和混頻濾波等。

2 設計思路

2.1 腔體設計

組件內部含高功率功率放大器，最大輸出可到48dBm，因此組件內蓋的屏蔽性和隔墻的隔離效果，是防止自激的重要因素。另外，組件通道間距同波束合成效果有直接關系，根據公式：

式中，d 表示通道間距；λmin表示頻段內最小波長；θmax表示最大波束掃描角。

式中，λ 表示波長；C 表示電磁波速度；H 表示帶內最高頻率。將微波信號在電路板內的傳播速度，近似為光在真空中的速度，即C=3×108m/s；該項目的最高頻率為H 為6GHz，這樣算出波長為50mm，將sin（θmax）取最大值，并結合工程實際經驗，最終將通道間距定為18mm。

組件內器件的最大輸出可到48dBm，加之腔體間距很小，這對功率放大器和限幅低噪聲放大器的體積及擺放位置提出了很高的要求，尤其在體積上面。功率放大器采用第三代寬禁帶材料GaN 制作，為保證與前級匹配良好，輸入和輸出端采用蘭格功分器合成的形式，這比采用威爾金森的功放體積大了許多，但能保證電性能的穩定。另外由于輸出功率較大，散熱和電磁耦合等都對器件體積提出一定的需求，經電性能和熱仿真，最終在20mm×11mm×0.8mm 的體積內設計出符合指標要求的功率放大器。

同樣，保證級聯特性和耐功率要求的限幅低噪聲放大器的體積也較大，設計完后的最終體積為13mm×5mm×1mm，兩個器件在寬度上占據了16mm。同時，為保證通道間的隔離，通道間設計了1mm 的隔墻。由于PCB 上器件較多，對PCB 的面積需求較大，同時為保證工藝裝配的便捷性，PCB 不能做分板設計，因此隔墻不能由盒體內伸出而將PCB 分斷。而功放部分增益較高，這對內蓋板的緊密度提出很高的要求，為保證內蓋板的緊密性，采用隔墻與盒體一體設計結構。增加正面大功率部分蓋板螺釘數量，增加屏蔽和隔離效果，防止腔體自激。

2.2 多功能芯片實現波形控制

組件同用戶整機采用串行數據通訊，要求5μs 傳輸完成。數據主要實現通道選擇、波形控制、增益變化等。由于數據通信簡單，組件決定采用串轉并芯片實現用戶整機和組件的通信。串轉并芯片的工作頻率為10MHz，組件八個通道每次需要傳輸192位數據，每次傳輸需要19.2μs。為實現數據快速傳輸，組件采用4根數據傳輸線，兩個通道共用一根，串轉并芯片采用兩路串聯方式，實現數據通信。這樣，數據傳輸時間縮短為4.8μs。

組件內部波形控制采用多功能芯片實現，串轉并芯片和移相多功能級聯，實現移相及數控衰減。多功能芯片將數控衰減器、數控移相器，收發開關，驅動放大器集成到一起，通過開關切換實現收發通道控制、移相、衰減功能，以及組件組網校準時關閉通道的匹配。芯片內部驅動放大器實現高增益和高功率輸出，直接與功放級聯，節省空間，實現“兩片式”T/R 組件。

2.3 諧波抑制的實現

由于電磁兼容設計，組件要求諧波要求在55dBc 以上。功率放大器的諧波抑制為30dBc，環形器對諧波的抑制在18dBc 以上，為滿足協議要求，功放后增加一級濾波器。濾波器PCB 采用6002板材，厚度為20mil，設計目標是：帶內插損小于0.3dB，諧波抑制在10dB 以上，面積小于13mm×7mm。在滿足諧波抑制前提下，盡量減少帶內插損對組件效率的影響。

采用ADS 和HFSS 進行級聯仿真。在ADS 中進行原理圖參數設計，利用ADS 向導，設置濾波器的電性能參數，自動生成原理圖參數。將原理圖參數人為改進、仿真、優化。仿真曲線滿足組件要求后，再生成版圖進一步進行仿真，并根據組件內的PCB 空間，調整尺寸以及端口位置，調整諧振線寬度及長度，保證電性能合格。為保證一次布版成功率，將ADS 中的濾波器版圖導入HFSS 中，進行三維建模仿真，模擬組件內的腔高和三維環境，以便使仿真結果和實際應用盡量吻合。

將HFSS 建模仿真后，濾波器帶內插損≤0.25dB，諧波抑制≥12dBc，滿足組件要求。

圖1 HFSS建模

3 測試結果

TR 組件的最終體積為：144mm×55mm×10.8mm，微波信號接口為SMP 和SBMA，電源控制為J30J 多芯接插件。該組件八路獨立開關電，通過串并轉換芯片實現通道選擇和上電控制。調測后，TR 組件實際測試噪聲系數在2.7dB 以下，發射功率大于47dBm。

4 結束語

本文介紹了一種基于C 波段的T/R 組件，輸出功率大于46dBm，諧波抑制在55dBc 以上。通過合理布局，將每個通道的寬度限制在18mm 以下。該組件具有體積小、重量輕的特點，為模擬T/R 減小體積，提高集成度提供了一種參考。