一種高集成度X波段八通道變頻收發(fā)組合的設(shè)計(jì)

張生春 郭 垚 王 潔 雷國(guó)忠 朱康生 閆興鋒 華根瑞

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著GaN功率器件性能不斷的提升以及Si、GaAs等多功能芯片集成度越來(lái)越高,越來(lái)越多的雷達(dá)探測(cè)或通信設(shè)備采用了有源相控陣天線陣形式,這不僅提高了雷達(dá)前端的性能,而且系統(tǒng)靈活性和可靠性也得到了提高[1-3]。

近年來(lái),數(shù)字收發(fā)陣列工程化應(yīng)用越來(lái)越多,L波段、S波段、C波段的數(shù)字收發(fā)陣列應(yīng)用已經(jīng)十分成熟[4-7]。但在X波段及以上頻率,因?yàn)樘炀€陣列單元間距的縮小(X波段天線單元間距僅僅為14～18mm),實(shí)現(xiàn)數(shù)字收發(fā)陣列技術(shù)難度和制造成本會(huì)成倍增加。為了降低X波段數(shù)字陣列的技術(shù)難度和成本,雷達(dá)行業(yè)的先驅(qū)們提出了一種發(fā)射相位掃描構(gòu)成模擬合成波束、接收通過(guò)陣列數(shù)字采樣構(gòu)成數(shù)字波束形成(DBF:Digital Beam Forming)的雷達(dá)體制[8-12]。這體現(xiàn)了技術(shù)性能、技術(shù)難度和研制成本的一種平衡,使得這種發(fā)射相掃、接收DBF體制可以在雷達(dá)探測(cè)或通信設(shè)備進(jìn)行更多更廣泛的應(yīng)用。

接收DBF是指通過(guò)運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)形成靈活的接收波束。接收DBF使得有源相控陣天線系統(tǒng)具備了靈活性和自適應(yīng)能力,能夠較好地實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波和自適應(yīng)抗干擾。接收DBF技術(shù)較之傳統(tǒng)相控陣射頻波束形成具諸多優(yōu)點(diǎn):第一,由于在每個(gè)接收通道的數(shù)字基帶上都保留了天線陣單元接收信號(hào)的全部信息,可以采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理理論和方法,對(duì)陣列信號(hào)進(jìn)行多維處理以獲得波束的優(yōu)良性能,可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的波束,波束控制更加靈活可變;第二,接收DBF每個(gè)通道都獨(dú)立接收,不進(jìn)行單元間的模擬合成,故增加了接收陣面的動(dòng)態(tài)范圍;第三,減少了波束駐留時(shí)間,可實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)率。

本文介紹了一種具有緊湊結(jié)構(gòu)的高集成度X波段八通道變頻收發(fā)組合的設(shè)計(jì)方法,其可用于發(fā)射模擬相位掃描、接收DBF體制的一維有源相控陣?yán)走_(dá)或通信設(shè)備中。其關(guān)鍵技術(shù)為2.5D緊湊結(jié)構(gòu)構(gòu)架、高集成SIP射頻封裝模塊和熱設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)收發(fā)組合相比,本文的設(shè)計(jì)方法具有體積小、集成度高、發(fā)射功率大、通道一致性好的特點(diǎn),而且制造成本低,批量生產(chǎn)性和返修性好。

1 收發(fā)組合工作原理

收發(fā)組合工作原理如圖1所示。收發(fā)組合由射頻電路、中頻電路、控制檢測(cè)電路三部分組成。

圖1 收發(fā)組合工作原理框圖

射頻電路由前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大器、1分8功分網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)開關(guān)、移相器、混頻器、驅(qū)動(dòng)放大器、功率放大器、大功率開關(guān)、限幅器、低噪聲放大器等組成。中頻電路由90°電橋、帶通濾波器、放大器、溫補(bǔ)衰減器、數(shù)控衰減器、低通濾波器等組成。控制檢測(cè)電路由FPGA、功率檢測(cè)、溫度檢測(cè)、電壓電流檢測(cè)等電路組成。

發(fā)射工作時(shí),來(lái)自頻綜的發(fā)射信號(hào)經(jīng)前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大器放大后功分為8路,進(jìn)入每個(gè)收發(fā)通道。數(shù)控移相器完成發(fā)射信號(hào)移相控制,驅(qū)動(dòng)放大器完成信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大,末級(jí)功率放大器將信號(hào)飽和放大后經(jīng)大功率開關(guān)后輸出至天線單元進(jìn)行空間輻射。每個(gè)通道的發(fā)射信號(hào)經(jīng)移相器完成相位控制后,在空間形成合成的波束。因此發(fā)射通道工作模式為通過(guò)相位掃描,在空間模擬合成波束的模式。

接收工作時(shí),來(lái)自天線單元的接收信號(hào)經(jīng)大功率開關(guān)和限幅器后由低噪聲放大器放大后,再經(jīng)混頻器下變頻后變?yōu)橹蓄l信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)90°電橋IQ合成后,再經(jīng)濾波器、中頻放大、溫度補(bǔ)償、數(shù)控衰減、低通濾波后輸出給AD處理機(jī)。每個(gè)接收通道獨(dú)立接收,經(jīng)AD采集后給信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行處理。因此,接收通道工作模式為數(shù)字接收模式,在數(shù)字域處理后形成多個(gè)波束的模式。

收發(fā)組合的發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)是分時(shí)的,在收發(fā)組合內(nèi)部通過(guò)大功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)射輸出信號(hào)和接收輸入信號(hào)的切換,通過(guò)前級(jí)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)和接收本振信號(hào)的切換。

收發(fā)組合的收發(fā)脈沖控制信號(hào)分別對(duì)發(fā)射和接收放大器進(jìn)行電源調(diào)制實(shí)現(xiàn)收發(fā)電源控制,通過(guò)SPI串口信號(hào)控制每個(gè)通道的移相器實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)相位控制功能,通過(guò)并行控制信號(hào)控制中頻數(shù)控衰減器實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的靈敏度時(shí)間控制(STC)。

收發(fā)組合通過(guò)內(nèi)部設(shè)計(jì)完備的健康管理電路,可進(jìn)行輸入射頻信號(hào)檢測(cè)、電源電壓電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)、脈沖檢測(cè)等多種檢測(cè),通過(guò)FPGA整合后經(jīng)同步串口上報(bào)給雷達(dá)信號(hào)處理機(jī),實(shí)現(xiàn)收發(fā)組合自我狀態(tài)檢測(cè)和自我保護(hù)功能。

2 收發(fā)組合詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 收發(fā)組合組成構(gòu)架

收發(fā)組合應(yīng)用于一維X波段相控陣?yán)走_(dá),陣列單元排布為兩排線陣。收發(fā)組合通道間距17mm,輸入輸出口均為同軸接口,采用2.5D疊層集成方式。收發(fā)組合內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 收發(fā)組合內(nèi)部構(gòu)架圖

收發(fā)組合采用疊層設(shè)計(jì)構(gòu)架,將內(nèi)部電路分為兩層,分別為射頻電路板和中頻電路板,采用垂直互聯(lián)將兩層電路板進(jìn)行互聯(lián)。下層為射頻電路板,完成射頻電路收發(fā)放大和控制管理等功能;上層為中頻電路板,完成中頻電路放大器濾波等處理。上下層電路板之間為金屬支架層,其在支撐上層電路板的同時(shí)為下層射頻電路提供分腔結(jié)構(gòu)。上層之間采用小型化SMP連接器實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的垂直互聯(lián)。

2.5D的層疊構(gòu)架設(shè)計(jì),充分考慮了功能電路劃分、信號(hào)傳輸和散熱等問(wèn)題,提高了集成度,減小結(jié)構(gòu)尺寸和重量。

2.2 SIP射頻封裝模塊

在收發(fā)組合射頻電路設(shè)計(jì)中,將一定功能的射頻芯片和控制器件封裝在陶瓷密封管殼內(nèi)構(gòu)成SIP射頻功能模塊。SIP模塊的設(shè)計(jì)極大地提高射頻電路的集成度、通道一致性、批量生產(chǎn)性和可維修性。收發(fā)組合的射頻電路采用了三種SIP射頻模塊,分別為驅(qū)動(dòng)放大模塊、混頻多功能模塊和前端放大模塊。

驅(qū)動(dòng)放大模塊是一款中功率放大器模塊,內(nèi)部集成功率放大器、漏極電源調(diào)制及柵壓調(diào)制電路。可提供20dB的功率增益和29dBm的飽和輸出功率,能夠完成發(fā)射激勵(lì)信號(hào)和本振信號(hào)的放大。驅(qū)動(dòng)放大模塊的原理圖見圖3(a)所示。

圖3 三種射頻SIP模塊原理圖

混頻多功能模塊內(nèi)部集成開關(guān)、移相器、混頻器、驅(qū)動(dòng)放大器,以及串轉(zhuǎn)并、收發(fā)調(diào)制功能電路。發(fā)射通道可提供24dBm飽和輸出功率,接收通道可對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行鏡像抑制下變頻功能。混頻多功能模塊的原理圖見圖3(b)所示。

前端放大模塊內(nèi)部集成功率放大器、限幅低噪聲放大器、大功率開關(guān),以及柵極驅(qū)動(dòng)、漏極調(diào)制和開關(guān)驅(qū)動(dòng)芯片。發(fā)射通道可提供44dBm飽和輸出功率,接收通道實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)為2.5dB,增益為24dB的低噪聲放大,可通過(guò)開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的自由切換。前端放大模塊的原理圖見圖3(c)所示。

三種SIP射頻模塊采用氣密等級(jí)的氧化鋁陶瓷封裝結(jié)構(gòu),引腳焊盤表面采用鎳鈀金工藝處理,底部可大面積接地,適用于回流焊安裝工藝。氧化鋁陶瓷封裝結(jié)構(gòu)圖見圖4所示。三種SIP射頻模塊均由中國(guó)電科十三所設(shè)計(jì)制造。

圖4 氧化鋁陶瓷封裝結(jié)構(gòu)

2.3 收發(fā)通道指標(biāo)預(yù)算

1)發(fā)射通道

由圖1所示,發(fā)射通道由前級(jí)放大器、功分網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)開關(guān)、移相器、驅(qū)動(dòng)放大器、末級(jí)GaN功率放大器、GaN高功率開關(guān)組成。發(fā)射鏈路的關(guān)鍵器件為GaN高效率功放芯片和GaN高功率開關(guān)芯片。GaN功放芯片的飽和輸出功率45dBm,效率為55%。GaN開關(guān)芯片的典型插入損耗0.6～0.7dB。

收發(fā)組合發(fā)射鏈路功率增益預(yù)算如表1所示。

表1 收發(fā)組合發(fā)射鏈路預(yù)算表

發(fā)射輸入信號(hào)(9～11dBm),經(jīng)輸入SMP接口后,可將前級(jí)放大器推至飽和輸出(29.5dBm),再經(jīng)功分網(wǎng)絡(luò)、變頻放大模塊后,可將驅(qū)動(dòng)放大器推至飽和輸出(25dBm),再經(jīng)前端放大模塊飽和放大(44.8dBm),再經(jīng)SMP接口(-0.3dB)后輸出,發(fā)射通道最終輸出功率為44.5dBm(28W)。發(fā)射通道的驅(qū)動(dòng)放大器和功率放大器在28V直流電源下工作,工作電流為2.6A,則發(fā)射單通道脈沖峰值功耗為72.8W,發(fā)射通道效率為38.4%。

2)接收通道

由圖1所示,接收通道由PIN開關(guān)、限幅低噪聲放大器、混頻器、90°電橋、濾波器、中頻放大器、溫補(bǔ)衰減器、數(shù)控衰減器和低通濾波器等。接收鏈路的關(guān)鍵器件為限幅低噪聲放大器,噪聲系數(shù)2.0dB,增益26dB。

收發(fā)組合接收鏈路預(yù)算如表2所示。

表2 收發(fā)組合接收鏈路預(yù)算表

定義接收F為收發(fā)組合接收通道噪聲系數(shù),則計(jì)算接收通道噪聲系數(shù)為

F(dB)=10×lg2.64=3.14(dB)

經(jīng)計(jì)算收發(fā)組合接收噪聲系數(shù)3.14dB,接收通道增益為62.2dB。

白噪聲為-114dBm/MHz,接收中頻濾波器3dB帶寬為40MHz,噪聲系數(shù)為3.14dB。根據(jù)接收機(jī)靈敏度計(jì)算公式計(jì)算最小可檢測(cè)信號(hào)功率為

N=-114+10×log(B)+NF=
-114+10×log (40)+3.14=-94.84dBm。

接收通道增益為62.2dB,接收靈敏度為-94.84dBm,接收通道最大線性輸出功率為10dBm。

則噪聲功率PN=-94.84+62.2=-32.64dBm。

則接收通道動(dòng)態(tài)范圍D=10-(-32.64)=42.64dB。

2.4 鏡頻抑制混頻電路設(shè)計(jì)

在接收下變頻電路設(shè)計(jì)中,鏡頻信號(hào)和主信號(hào)一起會(huì)隨著接收下變頻電路進(jìn)入中頻電路中。為了濾除接收系統(tǒng)中鏡頻干擾和鏡頻噪聲,一般采用接收預(yù)選濾波和鏡頻抑制混頻兩種方法。由于預(yù)選濾波器增加了接收系統(tǒng)的插損,惡化噪聲系數(shù),而且體積較大,往往在L波段、S波段等較低頻段的接收系統(tǒng)中使用。而在X波段、Ku波段中往往采用鏡像抑制混頻變頻電路。

圖5為本設(shè)計(jì)采用的鏡頻抑制原理圖,上邊帶為有用的射頻信號(hào),下邊帶的鏡頻信號(hào)被抑制。下面進(jìn)行鏡頻抑制原理分析。

圖5 鏡頻抑制原理

本振信號(hào)為

fLO(t)=ALOcos(ωLOt)

(1)

上邊帶接收信號(hào)為

fRFup(t)=ARFupcos(ωRFupt)
=ARFupcos[(ωLO+ωIF)t]

(2)

下邊帶接收信號(hào)為

fRFdown(t)=ARFdowncos(ωRFdownt)
=ARFdowncos[(ωLO-ωIF)t]

(3)

則A路混頻后的中頻信號(hào)為

(4)

(5)

同樣的,B路混頻后的中頻信號(hào)為

fB_up(t)=fLO(t)×fRFup(t)
=ALOcos(ωLOt)×ARFupcos[(ωLO+ωIF)t]
=0.5×ALOARFup{cos[(2ωLO+ωIF)t]+cos (ωIFt)}

(6)

fB_down(t)=fLO(t)×fRFdown(t)
=ALOcos(ωLOt)×ARFdowncos[(ωLO-ωIF)t]
=0.5×ALOARFdown{cos[(2ωLO-ωIF)t]+cos (ωIFt)}

(7)

由于2ωLO-ωIF和2ωLO+ωIF在中頻濾波器帶外,會(huì)被濾掉,則

(8)

(9)

fB_up′(t)=0.5×ALO×ARFup×cos(ωIFt)

(10)

fB_down′(t)=0.5×ALO×ARFdown×cos(ωIFt)

(11)

A、B信號(hào)經(jīng)過(guò)電橋合成,其中A信號(hào)連接90°端口,B信號(hào)連接0°端口。

則上邊帶混頻、90°電橋合成后的中頻信號(hào)為

=ALO×ARFup×cos (ωIFt)

(12)

則下邊帶混頻、90°電橋合成后的中頻信號(hào)為

=-0.5×ALO×ARFdown×cos (ωIFt)+
0.5×ALO×ARFdown×cos(ωIFt)

=0

(13)

從以上詳細(xì)計(jì)算可以看出,上邊帶信號(hào)經(jīng)兩路混頻后在90°電橋處進(jìn)行了疊加,而下邊表信號(hào)與本振混頻后在90°電橋后進(jìn)行了抵消。這樣上邊帶信號(hào)得以保留,而下邊帶信號(hào)被抑制。

2.5 熱設(shè)計(jì)

收發(fā)組合的有源器件包括收發(fā)前端放大模塊、混頻多功能模塊、前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大模塊、中頻放大器、控制和邏輯電路器件等,其中前端放大模塊內(nèi)的GaN功率放大器是主要的發(fā)熱器件。計(jì)算各自的熱耗如表3所示,八通道收發(fā)組合在10%占空比工作下總熱耗為46.3W,其中收發(fā)放大器模塊的熱耗為33.6W。

表3 收發(fā)組合有源器件熱耗計(jì)算

熱設(shè)計(jì)主要考慮下層射頻電路板上的功率器件和上層中頻電路板上的小功率器件的散熱問(wèn)題。其他器件功耗小,且分布比較均勻,熱傳導(dǎo)路徑短,在熱設(shè)計(jì)中可不做考慮。

收發(fā)組合的熱傳導(dǎo)剖面圖如圖6所示,功率器件貼裝在下層多層印制板上。由于多層印制板平均導(dǎo)熱系數(shù)僅為1～6W/m.K之間,不能將功率器件產(chǎn)生的熱量導(dǎo)走。為了解決印制板上功率器件的導(dǎo)熱問(wèn)題,在印制板中嵌入銅塊(導(dǎo)熱系數(shù)為400W/m.K),這樣功率器件產(chǎn)生的熱量通過(guò)小銅塊快速導(dǎo)入組合殼體,再導(dǎo)入陣面液冷板上。為了使嵌銅處的印制板能和組合殼體有效接觸,在二者之間裝入0.1mm的銦片,使得嵌銅處的印制板局部范圍能接觸良好。

圖6 收發(fā)組合熱傳導(dǎo)圖

上層中頻電路板上的小功率器件功耗小,且分布比較均勻。其散熱通過(guò)中間的金屬隔墻導(dǎo)入下層組合殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱。

建立下層結(jié)構(gòu)的熱仿真模型如圖6所示,為了簡(jiǎn)化仿真模型,上層中頻電路板產(chǎn)生的熱量和控制器件產(chǎn)生的熱量等效為下層兩塊均勻的熱源。

在高溫環(huán)境溫度為55℃時(shí),液冷系統(tǒng)液體溫度為62℃,散熱冷板溫度預(yù)估為70℃。由圖7中建立的熱仿真圖可知,此工況下收發(fā)放大模塊的溫度為71.884℃,和液冷板溫度相比,溫升在4℃以內(nèi),符合GaN功率放大器可靠性工作的散熱要求。

圖7 收發(fā)組合熱仿真圖

3 收發(fā)組合測(cè)試結(jié)果分析

收發(fā)組合的射頻電路板和中頻電路板均采用成熟的SMT工藝進(jìn)行裝配,然后將兩層電路板層疊地裝入金屬屏蔽殼體內(nèi)。收發(fā)組合實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 收發(fā)組合實(shí)物圖

收發(fā)組合的電氣性能實(shí)測(cè)結(jié)果如表4所示。在工作帶寬內(nèi)發(fā)射功率≥26W,接收增益≥62.8dB,噪聲系數(shù)≤3.1,移相精度≤3.2°(RMS),主要技術(shù)參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表4 收發(fā)組合主要電氣性能測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種2.5D結(jié)構(gòu)的X波段八通道變頻收發(fā)組合的設(shè)計(jì),詳細(xì)地論述了收發(fā)組合的組成構(gòu)架、收發(fā)通道指標(biāo)預(yù)算、鏡頻抑制設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)。收發(fā)組合采用微波多層混壓板集成設(shè)計(jì)技術(shù),以及2.5D層疊互聯(lián)技術(shù),具有體積小、集成度高、通道一致性好的特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明,收發(fā)組合具有良好的電氣性能,可適用于X波段發(fā)射模擬相位掃描,接收數(shù)字合成的相控陣?yán)走_(dá)。