探討Ku波段多通道數(shù)字T/R組件的小型化實(shí)現(xiàn)

孫安鋒 沈端 蔣鵬

摘 要 文章介紹了一種Ku波段多通道數(shù)字T/R組件小型化的電路原理設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。FBAR濾波器、GaAs芯片、LTCC濾波器和聲表濾波器的應(yīng)用有效減小了組件的體積;通過合理的頻率分配，組件具有更高的鏡頻抑制度。合理的腔體設(shè)計(jì)進(jìn)一步減小組件的體積和重量，并實(shí)現(xiàn)了較高的通道隔離度。

關(guān)鍵詞 數(shù)字T/R組件;小型化;高隔離度;高鏡頻抑制度

引言

相控陣T/R組件由于具有掃描速度快、控制靈活、幅度和相位連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，正獲得越來越廣泛的應(yīng)用。對(duì)于數(shù)字T/R組件，或者多通道混合式相控陣T/R組件，每個(gè)通道或者子通道都采用變頻技術(shù)，所以混頻器和濾波器起著關(guān)鍵作用[1-2]。其中，濾波器的體積、重量、性能等指標(biāo)直接影響T/R組件性能。基于芯片濾波器設(shè)計(jì)，不僅可以減小組件的體積和重量，也可以使組件的頻率選擇更靈活。

本文介紹了一款Ku波段多通道數(shù)字T/R組件，對(duì)組件關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分解、仿真設(shè)計(jì)并實(shí)測(cè)。組件具有高的鏡頻抑制度隔離度，小的體積和重量。

1組件設(shè)計(jì)

1.1 電路原理

T/R組件由收發(fā)支路組成。組件所用元器件均為MMIC芯片，實(shí)現(xiàn)小型化，組件的原理框圖見圖1。

圖1? 組件原理框圖

組件每個(gè)通道包含收發(fā)切換開關(guān)、低噪放、數(shù)控衰減器、濾波器、混頻器、中頻放大器、濾波器切換開關(guān)、發(fā)射驅(qū)放、發(fā)射末級(jí)放大器等元器件。

組件實(shí)現(xiàn)的功能有：①實(shí)現(xiàn)收發(fā)分時(shí)切換工作;②實(shí)現(xiàn)接收閉塞功能;③實(shí)現(xiàn)接收寬帶、窄帶濾波器切換功能;④實(shí)現(xiàn)收發(fā)調(diào)制功能;⑤實(shí)現(xiàn)9種校準(zhǔn)功能。

發(fā)射支路要求輸出功率≥20dbm;雜散≤70dBc。

接收支路要求單通道增益32±1dB，噪聲系數(shù)≤18dB，隔離度≥50dBc，輸出P-1≥20dBm，鏡頻抑制度≥30dBc，輸出三階交截點(diǎn)≥40dBc@Pout=10dBm。

組件要求實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，尺寸要求：

105.2mm×65.8mm×20mm。

1.2 仿真計(jì)算

為實(shí)現(xiàn)組件小型化設(shè)計(jì)，RF濾波器采用GaAs芯片濾波器，一中頻濾波器采用FBAR濾波器[3]，二中頻濾波器采用LTCC濾波器[4]和聲表濾波器。其中FBAR濾波器具有優(yōu)異的帶外抑制特性，相較于SAW，它可以工作在更高的頻段。較高的一中頻和一本振，可以大大減輕RF濾波器對(duì)帶外抑制的要求，特別是對(duì)發(fā)射時(shí)本振信號(hào)抑制的要求。本文選用C波段Fbar濾波器，其帶寬大于200MHz，在第二鏡頻處抑制能力>40dBc，在一本振處抑制能力>50dBc。FBAR濾波器仿真、單測(cè)特性如圖2所示，需要注意的是，F(xiàn)BAR濾波器帶外抑制特性與其接地金絲位置和角度都有較大關(guān)系。圖2表明，位置不合適時(shí)，可相差10dB以上。

圖2? Fbar濾波器仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)

接收支路的級(jí)聯(lián)指標(biāo)計(jì)算見表1所示，單通道增益設(shè)計(jì)值32dB，噪聲系數(shù)14.1dB，鏡頻抑制度大于35dB。

表1 接收增益、噪聲、鏡頻抑制級(jí)聯(lián)計(jì)算

發(fā)射支路工作于飽和狀態(tài)，輸入功率0dbm。輸出采用兩級(jí)放大器合成，單級(jí)放大器輸出功率21dbm，兩級(jí)合成后輸出功率≥23.5dbm，經(jīng)過開關(guān)2.5dB損耗，組件輸出功率大于21dbm。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組件需要在長(zhǎng)為105.2mm，寬為65.8mm的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道，而且由于鏈路較長(zhǎng)，所需的元器件較多，一個(gè)組件無法放下所有元器件，所以組件充分利用縱向空間，采取兩個(gè)模塊上下互聯(lián)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。上下模塊各完成8個(gè)通道的一次變頻，兩個(gè)模塊通過雙陰相連，由M2螺釘互聯(lián)鎖緊，實(shí)現(xiàn)完整功能。

組件采用了大量的裸芯片以提高組件封裝密度，因此必須對(duì)組件進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。模塊外殼選用鋁材料，封帽方式采用激光封帽。可以保證其穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性。

圖3? 前端外形圖

2組件的實(shí)現(xiàn)

多通道數(shù)字T/R組件的制作實(shí)物如下圖4所示，上下模塊之間采用雙陰連接。組件RF端口為SMP接口，由于IF端口收發(fā)分開，所以IF端口分為接收SMP端口和發(fā)射SMP端口。LO口有2個(gè)SMP，另有1個(gè)耦合端口。電源與控制接口采用密封J301M系列接插件，13芯為下模塊所用，21芯為上模塊所用，采取垂直安裝形式。

圖4? 數(shù)字T/R組件實(shí)物圖

接收通道增益和噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖5所示，增益在31～33dB，噪聲系數(shù)14～16dB，滿足指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

接收通道隔離度測(cè)試結(jié)果如圖6所示，以通道3到其余通道的隔離度為例，在50dbc以上。

接收通道鏡頻抑制度測(cè)試結(jié)果如圖7所示，第一鏡頻抑制度達(dá)到40dbc以上，第二鏡頻抑制度達(dá)到50dbc以上。

發(fā)射通道測(cè)試結(jié)果如圖8所示，輸出功率在21.2～22dBm之間。

圖5? 組件接收增益和噪聲測(cè)試結(jié)果

圖6? 組件接收隔離度測(cè)試結(jié)果

圖7 組件鏡頻抑制度測(cè)試結(jié)果

圖8 組件發(fā)射功率測(cè)試結(jié)果

3結(jié)束語

本文介紹了一種Ku波段多通道小型化數(shù)字T/R組件的電路原理設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。通過濾波器的合理選擇和中頻頻率的合理劃分，設(shè)計(jì)并制作了樣品實(shí)測(cè)，來驗(yàn)證指標(biāo)中鏡頻抑制度、隔離度、增益、噪聲、功率等指標(biāo)。多通道組件在滿足高鏡像抑制度和高隔離度指標(biāo)的同時(shí)，最終實(shí)現(xiàn)的體積僅為105.2mm×65.8mm×20mm。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇力爭(zhēng)，鐘劍鋒，張建增，等.S波段八通道數(shù)字T/R組件研究與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2013，35（9）：66-68.

[2] 張衛(wèi)清，許厚棣，唐亮.雷達(dá)數(shù)字化收發(fā)系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2016，14（3）：317-323.

[3] 趙洪元，夏燕，王亞寧，等.基于FBAR技術(shù)的S波段低插損濾波器[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2019，39（4）：297-300.

[4] 常鈺敏，羅雨，戴永勝.一種基于LTCC的寬阻帶高抑制帶通濾波器的設(shè)計(jì)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2019，39（4）：264-272.