基于多功能芯片的多通道微波收發(fā)組件設計

許明 洪凱倫 曾新陽 吳思煒

（廣州中雷電科科技有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著武器裝備信息化的發(fā)展，微波收發(fā)組件在雷達、通信、導航等軍用電子領域中得到廣泛應用[1]。不同的應用場景對微波收發(fā)組件提出了不同的要求。在相控陣應用場景中，微波組件接收和發(fā)射的各個通道都需要具備幅度和相位調(diào)制功能，才能與天線陣面配合，實現(xiàn)波束的賦形及波束掃描[2-4]。目前收發(fā)通道的實現(xiàn)方式主要是基于離散射頻芯片搭建而成，如發(fā)射通道一般包含功率放大器、驅(qū)動放大器、數(shù)控衰減器等芯片，接收通道一般包含低噪聲放大器、數(shù)控衰減器、移相器等芯片，再加上收發(fā)切換開關等，一組收發(fā)通道上往往包含十余顆芯片，因此采用分離芯片集成多通道微波收發(fā)組件，芯片數(shù)量多，設備體積大，散熱和可靠性難以得到保障，限制了其在大規(guī)模陣列場景中的應用。

近年來，隨著射頻集成電路工藝的發(fā)展，特征頻率的提高，硅工藝在射頻/微波集成領域得到了越來越多的應用。利用硅工藝，可將微波收發(fā)通道中的諸多有源/無源器件集成在一起，可用一顆芯片實現(xiàn)之前多顆芯片才能實現(xiàn)的功能，即所謂的射頻多功能芯片[5-6]。

本文設計了一種基于射頻多功能芯片的多通道微波收發(fā)組件，工作于X 波段，單個組件內(nèi)集成了四路發(fā)射通道和四路接收通道，每一路通道均具備幅度/相位調(diào)制功能。組件內(nèi)部包括控制模塊和射頻模塊，射頻模塊位于上層，控制模塊位于下層，兩層之間通過板間連接器進行通信。組件整體尺寸緊湊，性能優(yōu)異，多個組件可以級聯(lián)使用，適用于大規(guī)模陣列場景。

1 理論和設計

本文設計的多通道微波收發(fā)組件核心為射頻多功能芯片ARW9644。該芯片是一款工作在X 波段的單片全集成四通道TR 芯片，該芯片集成了射頻開關、平衡式功率放大器、限幅低噪聲放大器、6 位數(shù)控移相器、6 位數(shù)控衰減器、驅(qū)動放大器等功能模塊。芯片接收通道增益為30dB，噪聲系數(shù)2.7dB；發(fā)射通道增益大于25dB，輸出功率27dBm，二次諧波抑制優(yōu)于40dBc。該芯片的原理框圖和單通道原理框圖如圖1 所示。

圖1

該芯片輸入輸出射頻端口內(nèi)部進行了陰抗匹配，因此在外部設計了50 歐姆匹配帶線用于將芯片的射頻端口引出到組件腔體上的SMA 連接器。本次設計中PCB 采用RO4350+FR4 的混壓工藝，表層介質(zhì)為RO4350，厚度為0.25mm， 底層介質(zhì)為FR4，其中射頻電路布在表層，底層為陰容等外圍器件。射頻電路走線采用共面波導，共面波導的特征陰抗由帶線寬度W、帶線到地的距離S、基材厚度H 決定[7]，其陰抗計算模型如圖2 所示。

圖2 共面波導陰抗計算模型

根據(jù)共面波導的特征陰抗公式可知當板材厚度0.25mm，帶線寬度20mil，帶線到地距離13mil 時，共面波導的陰抗為50 歐姆。共面波導長度約2cm，插入損耗約為0.2dB，根據(jù)噪聲系數(shù)級聯(lián)公式：

在上式中，F(xiàn) 為整個接收鏈路的噪聲系數(shù)，F(xiàn)1 為前端共面波導的插入損耗0.2dB，F(xiàn)2 為射頻芯片ARW9644 的噪聲系數(shù)2.7dB，G1 為共面波導增益，此處小于1，由此可知接收鏈路的整體噪聲系數(shù)為2.9dB。

對于射頻收發(fā)鏈路來說，電源的質(zhì)量對于射頻信號的質(zhì)量影響較大。尤其是對于集成度較高的射頻芯片，當電源中帶有較大的雜散或者紋波時，這些干擾信號往往會耦合到芯片內(nèi)部的射頻收發(fā)通道并被放大到射頻輸入輸出端，造成信號質(zhì)量的下降，進而影響整機系統(tǒng)指標[7]。在本設計中，射頻芯片所需要的各個電源都從控制模塊穿板輸出到射頻模塊，因此在射頻模塊PCB 的背面，射頻芯片下方的位置放置濾波電容對電源進行濾波，濾波后的電源通過內(nèi)部通孔引到射頻模塊PCB 的正面給射頻芯片供電，可有效消除電源紋波和雜散對射頻信號質(zhì)量的影響。

射頻模塊的正反面電路圖如圖3 所示。

圖3

控制模塊位于電源模塊下方，兩者之間通過穿板連接器對扣實現(xiàn)通信。控制模塊的核心為APM32F103C8T6，該芯片為國產(chǎn)32-Bit MCU，最大主頻72MHz，含3 路SPI 接口。在本設計中，MCU 通過SPI 接口和射頻芯片ARW9644 通信，控制射頻芯片實現(xiàn)信號的發(fā)射/接收切換和幅度/相位加權。控制模塊的正反面電路圖如圖4 所示。

圖4

2 測試和結果

將控制模塊和射頻模塊組裝到自行設計的金屬腔體中，形成多通道收發(fā)組件。組件表面留有SMA 連接器作為射頻信號的輸入輸出接口，J30J 接口為供電和控制接口，組件整體尺寸非常緊湊，僅為70mm*50mm*22mm。在測試過程中，通過上位機控制組件在發(fā)射態(tài)和接收態(tài)之間做切換，并通過信號源、頻譜儀、矢量網(wǎng)絡分析儀測試組件的發(fā)射指標，通過信號源、頻譜儀、矢量網(wǎng)絡分析儀和噪聲系數(shù)測試儀測量組件的接收關鍵指標，測試現(xiàn)場如圖5 所示，關鍵指標測試結果如表1。

圖5 組件功能測試

表1 組件關鍵指標測試結果

3 結論

從表的測試結果可知，本文設計的多通道微波收發(fā)組件集成度高，關鍵指標性能優(yōu)異，發(fā)射通道可實現(xiàn)26dBm 的輸出功率，接收通道可實現(xiàn)25dB 增益和3.5dB 以下的噪聲系數(shù)。各通道之間的相位和幅度差異較小，可有效支持相控陣方面的系統(tǒng)級應用。