一種X 波段高性能多通道T/R 組件的設(shè)計(jì)

張立

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

引言

隨著有源相控陣在雷達(dá)中的廣泛應(yīng)用，T/R 組件變得越來越重要。作為有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件，T/R 組件的性能和功能將極大地影響雷達(dá)的探測(cè)精度、反應(yīng)時(shí)間、探測(cè)范圍和可靠性[1-2]。在多功能雷達(dá)的集成設(shè)計(jì)中，高效率、小型化、高性能T/R 組件的研制是非常關(guān)鍵的工作之一。

本研究設(shè)計(jì)了一款X 波段小型化四通道T/R 組件，該組件具有接收通道低噪聲接收、發(fā)射通道功率放大、移相衰減等功能。采用微組裝工藝提高T/R 組件的集成度，通過微調(diào)微帶分支，優(yōu)化不同通道間的幅相一致性，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明該T/R 組件具有低噪聲、大功率、小型化、高可靠性等特點(diǎn)。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

本組件由接收電路、發(fā)射電路、公共電路和控制電路組成，集成四個(gè)收發(fā)通道，采用收發(fā)分時(shí)工作模式，原理框圖見圖1。

圖1 接收通X 波段T/R 組件原理框

接收電路的主要功能是將射頻信號(hào)低噪聲接收并放大，由限幅器和低噪聲放大器組成。在接收電路中，限幅器防止組件因接收信號(hào)過大而燒毀，低噪聲放大器確保接收通道的增益和噪聲系數(shù)滿足系統(tǒng)要求。發(fā)射電路主要完成激勵(lì)信號(hào)的傳輸功率放大的功能，由驅(qū)動(dòng)放大器、功率放大器和耦合器組成。在發(fā)射電路中，功率放大器保證組件的發(fā)射功率滿足指標(biāo)的要求，輸出功率通過耦合器耦合到檢測(cè)器，從而檢測(cè)發(fā)射功率是否正常。為保證功率放大器可以穩(wěn)定工作，通道之間和發(fā)射鏈路放大器之間采用金屬隔墻的設(shè)計(jì)，增加隔離度以防止放大器自激。

公共電路由雙向放大器、溫度互補(bǔ)衰減器、功分器和多功能芯片組成。多功能芯片集成了數(shù)控衰減、移相、收發(fā)開關(guān)等射頻器件，大大減少了組件中的芯片數(shù)量。溫度互補(bǔ)衰減器用于調(diào)節(jié)收發(fā)器通道不同溫度狀態(tài)的增益。控制電路由電源電路、負(fù)電保護(hù)電路、波控電路和檢測(cè)電路組成，使組件可以根據(jù)系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)收發(fā)切換、波束形成、狀態(tài)檢測(cè)的功能。

1.2 接收通道設(shè)計(jì)

在T/R 組件中，接收通道的主要指標(biāo)是增益和噪聲系數(shù)（NF）。NF 是影響系統(tǒng)的靈敏度的重要指標(biāo)。接收通道前端的器件損耗對(duì)NF 有很大的影響，因此環(huán)行器和限幅器的損耗應(yīng)盡可能小，前置放大器的增益應(yīng)盡可能高[3]。

接收電路中各芯片的電氣參數(shù)見表1。根據(jù)NF的公式，電路的噪聲系數(shù)為2.41 dB，總增益為25.1 dB。

表1 接收通道的芯片指標(biāo)

1.3 發(fā)射通道設(shè)計(jì)

發(fā)射通道的核心指標(biāo)是發(fā)射功率和效率。為了滿足發(fā)射功率（20 W）的要求，考慮到輸出環(huán)行器、微帶線和連接器造成的損耗，最后一級(jí)功率放大器采用GaN HEMT 功率放大器，飽和功率為27 W，X波段附加效率超過38%。作為第三代寬帶隙半導(dǎo)體功率器件，GaN 功率放大器在高頻、高功率、高效率和寬帶應(yīng)用方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。使用MEMS 環(huán)行器做為天線端口的收發(fā)轉(zhuǎn)換器件，與傳統(tǒng)環(huán)形器相比，MEMS 環(huán)形器具有體積小、精度高、一致性好、批量生產(chǎn)好等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 負(fù)壓保護(hù)和控制電路設(shè)計(jì)

功率放大器的柵極電源和漏極電源存在先后順序，避免上電錯(cuò)誤，導(dǎo)致功放燒壞，在T/R 組件內(nèi)部設(shè)計(jì)負(fù)壓保護(hù)電路。并且通過電源調(diào)制實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道的獨(dú)立電源通斷控制，見圖2。

圖2 負(fù)壓保護(hù)電路原理

組件的波控命令通過串行數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)，見圖3，通道選擇位通過2-4 譯碼器對(duì)4 通道的串轉(zhuǎn)并的片選信號(hào)進(jìn)行控制，來完成串行數(shù)據(jù)執(zhí)行通道的選擇，4 通道的幅相碼通過同一根數(shù)據(jù)線路完成傳輸，這樣可以大降低控制電路的復(fù)雜性。

圖3 通道選擇和串轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)器邏輯關(guān)系

1.5 電磁兼容設(shè)計(jì)

電磁兼容性（EMC）是T/R 模塊重要的特性之一。T/R 模塊中可能出現(xiàn)的電磁干擾問題主要包括控制電路與射頻電路之間的串?dāng)_、收發(fā)電路之間的相互干擾、不同通道之間的相互耦合以及腔體本身的諧振干擾。一種電磁干擾會(huì)影響發(fā)射和接收信號(hào)的頻譜純度，嚴(yán)重影響模塊的電氣性能。

通過以下措施來減少上述電磁兼容問題的風(fēng)險(xiǎn)。首先，射頻電路和控制電路分別分布在模塊的上下兩側(cè)，通過金線鍵合的方式連接，這樣可以有效減少RF電路和控制電路之間的串?dāng)_。其次，組件采用時(shí)分雙工的模式，嚴(yán)格控制器件切換時(shí)間和切換時(shí)序，可以有效避免發(fā)送和接收電路切換引起的瞬時(shí)沖擊引起的電磁干擾。第三，在通道之間設(shè)置金屬隔墻，并將吸波材料附著在蓋板上，解決通道間電磁干擾問題。最后，通過合理設(shè)計(jì)腔體結(jié)構(gòu)可以避免由組件結(jié)構(gòu)的諧振頻率和工作頻率一致引起的自激現(xiàn)象。

1.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

T/R 模塊主要由微波印制板、多層線路板、蓋板等結(jié)構(gòu)件組成。使用鉬銅板做為射頻前端芯片的基板，射頻前端芯片包括功率放大器芯片，限幅器和低噪聲放大器等核心器件。鉬銅板的熱膨脹系數(shù)與GaN 芯片非常匹配，可以最大化的保證射頻前端芯片的性能。同時(shí)，采用基板的方式可以簡(jiǎn)化后續(xù)的組裝過程，提升批產(chǎn)裝配效率。整個(gè)結(jié)構(gòu)以一體化的方式加工和成型。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 金絲鍵合仿真

金線和金帶鍵合互連的模型可以用由串聯(lián)電阻R、串聯(lián)電感L、并聯(lián)電容C1 和C2 組成的低通濾波網(wǎng)絡(luò)來表示。在寬帶電路中，特別是在高頻電路中，金線鍵合造成的損耗非常高。如圖4 所示，在仿真軟件HFSS 中建立了3D 模型，并使用階梯阻抗諧振器進(jìn)行電路匹配。

圖4 金線鍵合匹配模型

通過優(yōu)化階梯阻抗諧振器的參數(shù)，工作頻帶的駐波比（VSWR）從1.33 降低到1.039，見圖5。

圖5 金線鍵合駐波比

2.2 一分四功分器設(shè)計(jì)

為了提高通道的一致性和可靠性，應(yīng)用威爾金森原理設(shè)計(jì)微帶功分器。該功分器采用葫蘆形布局，弧形匹配線可在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬帶特性。隔離電阻分別為91 Ω 和270 Ω，見圖6。

圖6 一分四功分器仿真模型

經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，在8 GHz～12 GHz 范圍五個(gè)端口的駐波均小于1.15，見圖7，功分插損小于0.3 dB，且功分一致性較好，見圖8。

圖7 功分器個(gè)端口駐波比

圖8 功分器插損仿真結(jié)果

3 組件實(shí)物及測(cè)試結(jié)果

本研究研制的T/R 組件，射頻板采用RT/duroid 6 002，介電常數(shù)2.94,厚度0.254 mm。控制板采用6 層FR4板材,厚度為2 mm，實(shí)物見圖9，尺寸為86×65×16 mm3。組件發(fā)射功率大于22 W，發(fā)射效率大于30%，噪聲系數(shù)小于3 dB，其他指標(biāo)見表2，滿足系統(tǒng)要求。

圖9 T/R 組件實(shí)物

表2 指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

4 組件實(shí)物及測(cè)試結(jié)果

本研究研制了一款高集成度、高性能的X 波段四通道T/R 組件，詳細(xì)介紹了研制過程中的技術(shù)難點(diǎn)和常見問題，并使用HFSS 軟件對(duì)金絲鍵合點(diǎn)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，大大提高了T/R 組件的性能，仿真設(shè)計(jì)了X波段的一分四功分器。測(cè)試結(jié)果表明，該組件的指標(biāo)滿足多功能相控陣?yán)走_(dá)的系統(tǒng)需求。