一種低附加相移多通道寬帶R組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者簡介：王心力（1991— ），男，工程師，本科；研究方向：電磁場與微波技術(shù)。

摘要：相控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)常使用數(shù)控衰減器對接收增益進(jìn)行控制，用以擴(kuò)展接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。在不同衰減情況下需要保證各通道間的相位一致性，這就要求數(shù)控衰減器具有較低的附加相移。文章設(shè)計(jì)并制作了一款工作在6～18 GHz的低附加相移多通道寬帶接收組件。該組件噪聲系數(shù)小于3.8 dB，通道增益36±2 dB。每個(gè)通道內(nèi)包含6位數(shù)控衰減器，附加相移小于±5°。

關(guān)鍵詞：寬帶；R組件；低附加相移

中圖分類號：TN957.3" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

相控陣接收系統(tǒng)在采用DBF技術(shù)時(shí)，通道接收機(jī)往往是多通道的。為了高性能自適應(yīng)天線波束的形成，對各接收通道增益的幅度一致性和相位一致性提出了很高的要求［1］。接收機(jī)輸入端信號動(dòng)態(tài)范圍一般為80～100 dB。為了擴(kuò)展接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，相控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)常使用步進(jìn)式程序進(jìn)修增益控制。這是通過在接收通道內(nèi)設(shè)計(jì)數(shù)控衰減器來實(shí)現(xiàn)的，它的最大衰減量通常為20～40 dB［2］。該衰減器也可以用于幅度加權(quán)。在大衰減情況下，依然要求保證各通道間的相位一致性，這就需要數(shù)控衰減器具有較低的附加相移。

本文設(shè)計(jì)了一種低附加相移8通道寬帶接收組件。為了擴(kuò)展組件的接收動(dòng)態(tài)范圍，在每個(gè)通道中設(shè)計(jì)低附加相移的數(shù)控衰減器。文章說明了組件工作原理和設(shè)計(jì)過程，并對組件實(shí)物進(jìn)行了測試。

1" 多通道寬帶R組件工作原理簡介

本文設(shè)計(jì)的寬帶R組件由8個(gè)獨(dú)立的射頻通道組成，工作頻率覆蓋6～18 GHz。每個(gè)通道具有帶通濾波、大功率限幅、低噪聲放大和增益控制的功能。增益控制由數(shù)控衰減器實(shí)現(xiàn)，該數(shù)控衰減器可根據(jù)外部控制信號調(diào)節(jié)每個(gè)通道的增益。

組件工作原理如圖1所示。第一級帶通濾波器對接收到的微波信號進(jìn)行濾波，抑制帶外干擾頻率。第二級限幅器對大信號進(jìn)行限幅（限幅電平16 dBm），同時(shí)可以保護(hù)低噪聲放大器（抗燒毀功率37 dBm）。第三級低噪聲放大器，對接收信號進(jìn)行低噪聲放大（增益21.5 dB）。最后一級驅(qū)動(dòng)放大器增益19.5 dB，用于補(bǔ)充鏈路增益。在兩級放大器之間加入數(shù)控衰減器進(jìn)行增益控制。數(shù)控衰減器一方面用于擴(kuò)展接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，另一方面可以用于實(shí)現(xiàn)幅度加權(quán)。數(shù)控衰減器為6位并行控制，步進(jìn)0.5 dB。數(shù)控衰減器具有低附加相移特性，可以保證大衰減情況各通道的相位一致性。

圖2為鏈路增益和噪聲系數(shù)計(jì)算結(jié)果。單通道理論噪聲系數(shù)3.3 dB，增益36.8 dB。

2" 組件設(shè)計(jì)

2.1" R組件單通道仿真

為了驗(yàn)證鏈路增益計(jì)算是否準(zhǔn)確，使用仿真軟件ADS（Advanced Design System）對組件單通道的頻率響應(yīng)進(jìn)行仿真。首先根據(jù)芯片廠家提供的芯片S2P參數(shù)，在ADS中建立各級芯片的SNP模型。隨后設(shè)置S參數(shù)仿真器，對級聯(lián)電路進(jìn)行6～18 GHz范圍內(nèi)的S參數(shù)仿真。ADS電路模型如圖3所示。

單通道S參數(shù)仿真結(jié)果如圖4所示。單通道增益（S21）37±1 dB，輸入回波損耗（S11）全頻段小于10 dB，輸出回波損耗小于15 dB，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

2.2" PCB設(shè)計(jì)

出于組件小型化設(shè)計(jì)的考慮，射頻芯片選用裸芯片。電路板和裸芯片通過微組裝工藝裝配。正面的射頻印制板選用射頻板材ROGERS 3003C，介電常數(shù)3.0，板厚10mil。為了降低微帶線損耗，電路板表面微帶銅皮鍍金處理，在靠近裸芯片的微帶線區(qū)域鍍厚金以便于金絲鍵合。背面的電源板用于供電和控制

信號的分配，選用FR4板材。電源板上的電源及控制信號通過金絲穿過殼體的通孔鍵合到正面微波印制板上。由于組件的工作頻率高，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)需要考慮電磁兼容性，保證良好的接地，降低寄生效應(yīng)對射頻電路性能的影響［3］。

組件包含8個(gè)獨(dú)立的接收通道，每個(gè)通道包含射頻過渡板、射頻放大板，中間的濾波器通過載片黏結(jié)在殼體內(nèi)。PCB布局如圖5所示。

2.3" 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)件由上蓋板、內(nèi)蓋板、殼體、下蓋板組成，如圖6所示。殼體內(nèi)部腔體鍍金，便于正面和背面的印制板焊接。印制板包括16塊射頻印制板和1塊電源印制板。射頻印制板燒焊在殼體正面，電源印制板燒焊在殼體背面。各通道之間隔腔寬度適中，避免自激。在內(nèi)蓋板沿著射頻印制板兩側(cè)增加螺釘，降低通道間的串?dāng)_。上蓋板和下蓋板通過激光封焊到殼體上，保證氣密。組件的外形尺寸為126.3mm×47.6mm×15mm（L×W×H）。

3" 測試驗(yàn)證

圖7為八通道寬帶R組件打開蓋板后的正面俯視圖。組件的噪聲系數(shù)測試結(jié)果如表1所示，全頻段噪聲系數(shù)小于3.8 dB，16 GHz之后噪聲系數(shù)實(shí)測值偏大，這是輸入駐波偏大引起的，其余頻率噪聲系數(shù)小于3.5 dB。

圖7" 八通道R組件實(shí)物

八通道幅度一致性如圖8所示，相位一致性如圖9所示。同頻點(diǎn)幅度一致性±0.5 dB，相位一致性±15°。

選取一個(gè)通道進(jìn)行衰減控制測試。將6位數(shù)控衰減器的每一個(gè)控制位置1，測試6種不同衰減量的增益，將測試結(jié)果進(jìn)行歸一化，得到的衰減量如圖10所示。

不同衰減量S21相位的變化如圖11所示，同頻點(diǎn)不同衰減量的相位變化范圍在±5°內(nèi)，測試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

4" 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并制作了一款工作在6～18 GHz的八通道寬帶R組件。該組件各通道內(nèi)的數(shù)控衰減器具有低附加相移的特點(diǎn)。經(jīng)測試，該組件噪聲系數(shù)低于3.8 dB，單通道增益36 dB，帶內(nèi)起伏±1.5 dB，同頻點(diǎn)不同衰減量附加相移小于±5°。

參考文獻(xiàn)

［1］郭崇賢.相控陣?yán)走_(dá)接收技術(shù)［M］.南京：國防工" 業(yè)出版社，2009.

［2］張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［3］肖勇，鄧勇.一種新型瓦片式多通道R組件的設(shè)計(jì)［J］.電子信息對抗技術(shù)，2019（5）：82-87.

（編輯" 王永超）

Design and implementation of a low additional phase shift wideband multi-channel R module

Wang" Xinli

（No.724 Research Institute of CSSC， Nanjing 211153， China）

Abstract： Phased array radar receivers often use digital attenuators to control the receiving gain in order to expand the dynamic range of the receiver. In different attenuation situations， it is necessary to ensure phase consistency between each channel， which requires a digital attenuator with a lower additional phase shift. This paper designed and manufactrued a low additional R module that operates at 6-18 GHz. The noise figure of R module is less than 3.8 dB， and gain of each channel is 36±2 dB. Each channel containing a 6-bit digital attenuator，with additional phase shift is less than ±5°.

Key words： broadband; receiver module; low additional phase shift