一種新穎的氣密封小型化毫米波TR組件設計

劉雪穎

（成都瑞迪威科技有限公司, 四川成都,610000）

0 引言

近年來毫米波元器件，特別是固體器件的迅速發展，以及現代武器裝備的飛速發展，使毫米波系統的開發和應用出現高速發展的勢頭，已經成為軍事電子領域的熱點，廣泛應用于雷達、通信、偵查、識別等各個領域。【1】而毫米波TR組件作為核心部件，對于高性能、小型化、高可靠性等要求也越來越高。

本文介紹一種Ka波段氣密封小型化毫米波TR組件（以下簡稱TR組件）設計方法。采用多芯片混合集成設計方法、四次諧波混頻器和小型化射頻接口實現TR組件的小型化設計，采用平行封焊和波珠焊接技術實現TR組件的氣密封防護，最終實現氣密封、輕小型化、高性能、高可靠性的TR組件。下面給出TR組件的技術要求以及工作原理和電路設計方法，最后給出TR組件的實測性能。

1 TR組件技術要求

根據項目要求，TR組件主要參數要求為：

1)射頻頻率：Ka頻段；

2)噪聲系數：≤5.0dB；

3)發射功率：≥29dBm；

4)雜波抑制：≥50dB；

5)重量：≤100g；

6)接口：射頻BJ-320波導；中頻及本振：SMP接口。

2 TR組件組成及工作原理

TR組件主要由射頻電路、低頻電路以及小型化射頻接口三部分組成。其中，射頻電路主要功能是實現毫米波信號的收發及上下混頻；低頻電路的主要功能是實現加電時序控制、有源芯片饋電分配以及開關控制信號和自檢信號的電平轉換；小型化射頻三用接口實現低頻電路與射頻電路以及射頻電路與波導之間的互連及轉接。

TR組件射頻電路組成框圖如圖1所示，射頻電路主要包括雙工器、混頻器、發射鏈路、接收鏈路以及收發轉換開關等。TR組件采用時分工作方式，收發切換通過兩個單刀雙擲開關實現，發射鏈路和接收鏈路共用混頻器。發射時，L波段中頻信號與本振信號首先通過雙工器注入到四次諧波混頻器進行上混頻，接著通過射頻濾波器濾掉除射頻信號帶寬范圍以外的諧雜波信號，然后通過多級放大器進行放大，最后通過收發開關和絕緣子微帶波導過渡將發射信號輸出至天線。接收時，從天線接收的毫米波射頻信號首先通過絕緣子波導微帶過渡和收發開關，再經過低噪聲放大器和驅動放大器進行放大，接著通過射頻濾波器濾掉除射頻信號帶寬范圍以外的雜波信號，然后通過共用的四次諧波混頻器與本振信號進行下混頻，最后混頻產生的L波段的中頻信號通過雙工器后輸出到中頻接收機。

圖1 TR組件射頻電路組成框圖

3 TR組件電路設計及實現方法

TR組件在設計上采用模塊化電路設計思路，在整體布局上，將射頻電路與低頻電路分開，分別位于腔體的正面和背面，通過絕緣子進行互聯，這樣可以很好的實現電磁屏蔽以及輕小型化設計。下面就本組件所采用的四次諧波混頻器電路（含雙工器）、小型化射頻接口設計、TR組件總體設計等一一進行分析介紹。

3.1 四次諧波混頻器電路（含雙工器）設計及實現方法

Ka波段四次諧波混頻器基于之前技術基礎，進行優化設計而成，是TR組件的關鍵電路，要求插損小、寬帶特性好、其余組合信號抑制高。在ADS仿真軟件進行優化設計，最終四次諧波混頻器輸出頻譜的仿真結果如圖2所示。

圖2 四次諧波混頻器輸出頻譜仿真圖

3.2 小型化射頻接口設計及實現方法

小型化射頻接口是一種可以在K接頭、SMA/SMP等接頭或波導接口方式之間靈活轉換的接口形式。更換接口形式只需更換連接配件，不需要改變內部電路和結構。小型化接口具有體積小、價格便宜、接口方式靈活、氣密性、互連方便、可調試、生產性好、寬帶性能優良、可擴展性好等優點。

接口的核心部件是射頻絕緣子。利用Ansoft公司3維電磁場仿真軟件HFSS對微帶波導過渡進行建模和仿真優化，仿真模型及經過優化后的仿真結果如圖3所示。

圖3 絕緣子波導微帶過渡仿真模型及仿真結果

當接口形式為K接頭或SMP等接頭時，選用合適的接頭直接裝配即可。當接口形式為波導時，需要在玻珠一端插針上焊接一個空心套筒，實現微帶到波導的阻抗變換，再裝配波導連接件，實現波導接口轉接。

加工一對背靠背的波導微帶過渡進行測試，結構示意圖見圖4，測試結果見圖5，插損小于0.4dB，駐波優于1.22，可滿足使用要求。

圖4 小型化射頻三用接口結構示意圖

圖5 絕緣子波導微帶過渡背靠背實測結果

3.3 TR組件總體設計及實現方法

在TR組件總體設計上，采用多芯片混合集成小型化設計方法，優化電路，合理布局，收發共用四次諧波混頻器，利用雙工器將上行發射中頻信號與本振信號在混頻器處進行分離，將下行接收信號中頻合成到本振端口輸出。

采用薄膜帶通濾波器，在保證電路性能指標的情況下減小電路尺寸。

采用兩個單刀雙擲開支切換來實現收發分時工作。

通過饋電絕緣子將電源供電及控制電路放置在組件背面，實現輕小型化設計。

采用小型化射頻接口的微帶波導轉接方式，減小波導轉接的尺寸，實現輕小型化設計。

采用平行封焊和波珠焊接技術實現TR組件MMIC芯片的氣密封，滿足系統要求的嚴苛的濕熱霉菌等環境防護要求。

圖6 TR組件射頻電路示意圖

最終實現的TR組件實物射頻電路如圖6所示。

4 TR組件研制情況及測試結果

TR組件在設計上進行了電路及結構的容差分析，采用毫米波多芯片混合集成電路實現，通過在一個腔體內平面集成多個毫米波功能芯片，減小體積重量，并且由于減少了電路連接環節，提高了電路性能和可靠性。TR組件實物圖見圖7，最終實現指標如表1所示。

圖7 TR組件實物圖

表1 TR組件指標測試表

5 結束語

本TR組件最終實現在500MHz工作帶寬內接收噪聲系數小于4.5dB、發射功率大于1W、外形尺寸小于54mm×38mm×12mm、重量小于100g的優良指標，經過各種環境試驗驗證，滿足系統應用要求，現已成功應用于某工程項目，具有廣泛的應用前景。