一种X 波段高功率多通道发射系统设计

2014-03-13王洁，陈波，张娟，湛婷

电子科技 2014年6期

王洁，陈波，张娟，湛婷

(西安电子工程研究所专业7 部，陕西西安 710100)

有源相控阵雷达可以分为发射分系统和接收分系统两部分［1］。发射分系统包括有源发射阵列、发射天线阵、发射馈电网络和发射信号产生等模块。发射阵列是雷达发射分系统的核心部件，其性能指标的好坏将直接影响雷达系统的作用距离、指向精度等技战指标。发射阵列的可靠性、稳定性和一致性指标的优劣，较大程度上决定了雷达整机系统的日常使用和维护费用。

本文研究的发射系统工作在X 波段，连续波工作，总输出功率≥50 W(10 个组件)，10 个发射模块输出功率幅度一致性≤1 dB，移相精度＜5°(RMS)。从设计指标来看，该发射系统具有输出功率大，相位精度高等要求，同时在散热、体积等方面有特殊要求，这给设计带来了较大难度。在设计中，必须综合考虑各方面指标，进行优化设计。

1 发射系统的设计

1.1 原理介绍

发射系统的主要功能是将射频激励信号由前级预放大器放大，然后通过一分十路功分器分别进入10 个发射组件。这10 个发射组件的结构与电气性能相同，该设计大幅提高了发射系统通道间相位的一致性。发射系统的功率放大器放置在每个发射组件的末级，以保证最大的输出功率。每个发射组件从天线阵上的相应单元输出，整个天线阵面辐射的信号功率是所有发射组件的发射功率之和，在空间实现发射信号功率合成。控制驱动电路由FPGA 实现，主要功能是完成与实控机的数据通信以及对各个发射组件的工作状态进行控制。图1 给出了发射系统的原理框图。

图1 发射系统原理框图

1.2 发射组件设计

发射系统的关键部分为发射组件，其主要由数控移相器和功率放大链组成。数控移相器是为了实现天线波束的相控扫描而设置的。功率放大链由两级功率放大器组成，主要功能是完成射频激励信号的功率放大并经隔离器送至阵列天线辐射单元。本文中发射组件采用MMIC 芯片和MCM 多芯片组装技术［2］实现，其原理框图如图2 所示。

图2 发射组件的原理图

要在有限的体积内实现发射组件功能及要求，其中要考虑的因素较多，例如各微波功能电路之间的合理布局;小体积高增益引起的自激问题;微波电路、电源调制电路及控制驱动电路之间高效、可靠地互连;组件内的电磁兼容设计以及散热问题;外部接口要选择超小型、可烧结的射频接头与控制电源接头等一系列问题。发射组件的设计主要分为微波电路部分和电源调制电路部分。

在发射组件微波电路设计中，两级功率放大器级联的增益较高，若处理不当易引起自激振荡现象，经过优化仿真和验证试验发现将连接两级功率放大器之间的50 Ω 微带线电长度定为λ/4，可有效改善两级功率放大器级联引起的自激振荡现象，提高了发射组件工作的稳定性［3－4］。在发射组件和阵面天线单元之间端口连接采用“drop－in”结构形式的铁氧体微带隔离器环行器，给组件提供了一个稳定的负载，进一步保证了发射组件的稳定工作和输出功率的恒定。

根据雷达发射阵面间距限制，发射组件的宽度为＜16 mm，在如此狭小的空间内传输大功率、高增益容易引起自激。经过对腔体的空间电场做仿真实验，得到当腔体为12.8 m×4.2 mm 时，空间电场分布如图3 所示。此时所有谐振点都在工作频带外，如图4 所示。控制部分由于大电容的体积限制，腔高不能＜5 mm，此时在射频传输部分加装小盖板，使射频腔高满足仿真要求，控制腔高满足器件体积装配需要，为5.2 mm。合适的腔体大小，可以最大限度地减少自激，降低组件调试量，对组件间的一致性起关键作用。

图3 发射组件腔体电场分布

图4 发射组件谐振频率仿真

在发射组件电源调制电路设计中，设置加电顺序保护电路，使栅极夹断后，漏极才能加电压，进而保护管芯不被烧毁。此外为了使放大器高效工作，还需对栅极或漏极进行调制，由于本文中发射组件的功率较大，栅极调制易导致管芯击穿，所以选择漏极调制［5］。当发射脉冲到来，比较器首先比较栅压与预设定值，如果栅压正常，则比较器控制开关导通，漏压加到放大器上，功率放大器进入正常工作状态，如果栅压为导通值，则比较器控制开关关断，漏极电压不会加到功率放大器上。

发射组件中控制信号复杂，芯片引脚多，电源和地的品种多，大量信号线交叉传导，在布线设计时必须合理设置接地点，以使电路的环路电流、接地阻抗和转移阻抗最小［6］。多层板布线设计中采用电源网络层、信号布线层与地线层交替排布的设计方法［7］，如图5 所示。图中多层板中间层传输控制和电源信号，顶层传输微波信号。

图5 多层板形成的过孔接地结构微波传输示意图

在仿真结果的基础上，设计研制发射组件，组件实物如图6 所示。

图6 发射组件实物图

1.3 结构布局及热设计

发射系统中发射组件的射频输入输出接头为可烧结的SMP 盲配接头，10 个发射组件的输入口与一分十路功分器的10 个输出口通过双阴盲配相连，10 个发射组件通过电缆输出到其后的阵列天线。发射组件与前级预放大器直接固定在冷板上以达到良好的散热效果。控制驱动电路板与一分十路功分器上下分层安装，固定在冷板上。

发射组件效率计算值为22.5%，那么将有

的热量需要散出。为保证良好散热，发射组件采用强迫风冷的冷却方式，发射模块的发热面直接贴在冷板上。为达到更好的散热效果以及保证镀金工艺的可靠性，发射模块采用铜镀金。在发射组件上层增加一排散热齿，提高散热效率［8］。冷板的功能是冷却发射组件的功率放大器，同时它又是发射组件结构的主要支撑件。综上所述，发射系统结构布局如图7 所示。