瓦片式數字陣列模塊研制

唐亮 陳興國 李佩

（中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

數字陣列模塊(Digital Array Module, DAM)是采用集成化和數字化技術，將射頻收發單元、本振功分單元、中頻數字收發單元、電源等功能電路整合并一體化設計，完成雷達數字化收發、數據預處理及數據傳輸功能的新型多通道收發模塊。未來相控陣雷達系統的發展目標是寬頻帶、多功能、大功率、高效率、高集成度、低成本，而新一代的數字陣列模塊具有片式、寬帶、高密度、高效率等技術特點。

相對于磚塊式組件，瓦片式DAM 利用高密度組裝技術與新穎的互聯技術，大幅度減小了縱向高度、重量與成本，將多個相同功能的芯片或電路集成在數個平行放置的瓦片上，然后垂直互聯，構成薄而緊湊的“三明治”結構，適應多平臺使用。本文設計的S 波段數字陣列模塊采用了分布數字化、集中數字處理的電訊架構，集成十六個單元數字化收發通道，構成一個高密度瓦片式DAM；和傳統平面結構DAM 相比，減小了體積和重量，實現大功率高效率輸出和寬帶高速數據信號傳輸。

2 瓦片式DAM設計

2.1 DAM總體設計

瓦片式DAM 采用單通道數字化收發單元和16 通道數字收發集成設計，包含16 個單通道數字化收發單元、本振功分網絡、16通道數字收發電路等部分，其組成框圖如圖1 所示。

瓦片式DAM 在接收工作狀態時，回波信號由天線送到數字收發單元，經過模擬收發前端中低噪聲放大，下變頻到中頻頻率，中頻信號經高速AD 采集形成高速串行數據，傳輸到多通道數字收發電路上，進行數字下變頻處理，解調得到數字I、Q 信號再經光纖傳給信號處理系統；在發射工作狀態時，由多通道數字收發電路將幅度、相位等控制碼送給DDS 產生中頻激勵信號，經一本振上變頻到射頻激勵信號，再經功率放大送至天線單元。16 通道數字收發電路（母板）和16 個單元數字化收發SIP 相連，通過母板上的主處理器（FPGA）完成16 通道的寬帶信號數字解調、數據融合、DDS 控制、高速光纖大容量數據傳輸。

2.2 單元數字化收發SIP設計

瓦片式DAM 中集成了16 個單元數字化收發SIP，其功能組成包括環行器、限幅低噪聲放大器、GaN 功率放大器、Si 基混頻器、LTCC 濾波器、MEMS 濾波器、模數轉換器、數字頻率合成器、電源等器件。

SIP 接收時主要完成信號的低噪聲放大，并對射頻工作頻帶外信號進行濾波，經過頻譜搬移后，對中頻信號進行模數轉換，完成信號采集，送一體化數字母板FPGA 進行處理。SIP 發射時通過DDS 產生中頻激勵信號，經過上變頻、濾波和GaN 功率放大，最終通過天線陣元進行空域信號輻射。

2.3 16通道數字收發母板設計

圖1：DAM 組成框圖

圖2：16 通道一體化數字收發母板框圖

16 通道一體化數字收發母板主要由2 片大容量FPGA、1 個4路并行收發光模塊、16 個高密度高速連接器、時鐘分配電路、本振分配電路和電源分配電路組成，其功能框圖如圖2 所示。數字母板主要功能是16 個數字收發單元ADC 輸出數據的解碼及單元對齊、16 通道數字混頻、數字濾波以及通道均衡、16 通道數字基帶信號光纖實時傳輸、接收雷達系統控制命令和時序信號并同步控制DDS 產生雷達所需各種信號、同時提供16 個數字收發單元所需時鐘、本振、電源和時序信號。

2.4 電源設計

按照系統架構和瓦片式的布局，電源采用二次分配方案，由多通道數字收發板提供給每個數字收發單元所需要的各種電源。電源分配框圖如圖3 所示。

圖3：電源分配框圖

圖4：瓦片式DAM 和天線子陣實物圖

圖5-1：輸出功率測試結果

圖5-2：噪聲系數測試結果

圖5-3：動態范圍測試結果

圖5-4：波形采集測試結果

2.5 結構和熱設計

DAM 采用片式架構和微通道高效散熱設計。DAM 由16 個數字收發單元、冷板、多通道一體化數字收發電路以及高低頻混裝插座、光連接器、SMP 連接器、水接頭等組成。瓦片式DAM 結構分縱向分為數字化收發單元、一體化冷板、本振功分網絡、多通道一體化數字收發電路。

對于系統熱管理而言，影響散熱效果的主要環節包括芯片的結溫，芯片與組件載板之間的接觸熱阻，載板與散熱流道的接觸熱阻，和散熱系統的流量、供液溫度等環控條件。提高系統散熱效果的關鍵是減小功放芯片到散熱流道之間的熱阻（包括芯片與載板之間的熱阻（芯片級散熱）），以及散熱通道與載板之間的熱交換能力（系統級散熱）。為了滿足GaN 功率芯片散熱要求，采用新型熱沉材料-金剛石銅。在冷板的冷卻槽道中增加微小型翅片結構。

3 指標與測試結果

根據上述設計，研制S 波段瓦片式數字陣列模塊，圖4 為瓦片式DAM 和數字陣列體制片式天線陣面的樣機的實物照片。對DAM 的電訊指標進行了測試，具體測試結果見表1，主要測試曲線見圖5。DAM 在工作頻帶內100MHz 信號帶寬工作時，輸出功率≥40W、噪聲系數≤2.46dB、瞬時動態范圍≥60dB、效率≥40.6%、數據傳輸速率≥22.4Gb/s、散熱能力達到150W/cm2，同時體積和重量較傳統DAM 下降30%，可滿足多功能雷達系統的需求。

表1：瓦片式DAM 指標測試結果

4 結論

本文成功實現了一個S 波段瓦片式寬帶數字陣列模塊的研制，通過機電熱一體化設計，突破了片式高密度集成設計、微波垂直互連、三維微波數字混合設計、多通道數字收發等關鍵技術。瓦片式數字陣列模塊將傳統體制DAM 數字母板中ADC 和DDS 前移，與射頻前端、模擬中頻進行集成設計，實現分布數字化、集中數字處理，可以對DAM 進行4/8/16 通道靈活配置；采用彈性連接器完成高速、控制、電源信號互聯，實現22.4Gbps 高速數據信號傳輸；采用整體水冷、局部毛細散熱方案，充分利用高熱流密度散熱技術，取得良好的散熱效果。與傳統DAM 相比，具有寬帶綜合射頻前端，軟件靈活定義系統功能的特點，將在雷達、通信、電子戰等多個領域得到更加廣泛的應用。