X波段带幅度加权功能T/R组件设计

赵 亮,杜小辉

(南京电子技术研究所,南京 210013)



X波段带幅度加权功能T/R组件设计

赵 亮*,杜小辉

(南京电子技术研究所,南京 210013)

体积小、重量轻、高性能、高可靠性的T/R组件的研制已经成为目前的研究热点。介绍了一种具有收发幅度加权功能的X波段T/R组件的原理及设计方法,该组件基于多层低温共烧陶瓷(LTCC)工艺实现,在一块LTCC基板上集成了电阻、电容、ASIC、MMIC等器件,最后给出了组件的测试结果。主要性能:发射功率大于40 dBm,接收增益大于20 dB,噪声系数小于3.5 dB,重量90 g。

相控阵雷达;T/R组件;X波段;幅度加权;LTCC

在相控阵雷达的系统性能中,天线波束副瓣的性能是很重要的,其决定了雷达的抗干扰、抗反辐射导弹及杂波抑制等战术性能。为实现具有低副瓣电平的天线,面阵必须具有加权功能[1-2]。

T/R组件是有源相控阵雷达的关键部件,T/R组件的研制决定了整个雷达研制的性能、价格和可靠性[3-4],因此T/R组件的设计成为各雷达系统设计师关注的焦点。

本文设计了一种带幅度加权功能的T/R组件,该组件采用了低温共烧陶瓷(LTCC)技术和表面微组装互连技术,在一块LTCC基板上集成了多种微波单片、波控单片及电阻电容等无源器件,实现了组件的小型化、集成化设计。

1 带幅度加权功能T/R组件设计方案

T/R组件的具体功能随系统性能要求各不相同,但其基本电路形式类似,均由收发通道组成,其基本形式见图1,主要由移相器、微波T/R开关、功率放大器、限幅器、低噪声放大器、环行器以及控制电路等组成[5-7]。

图1 T/R组件的基本形式组成框图

图2 具有发射加权功能T/R组件原理框图

本组件的研制充分考虑了雷达整机的设计需求,组件原理框图如图2所示。该组件包含4路发射通道及4路接收通道,为实现收发幅度加权的功能,结合组件收发分时工作的特点,在收发通道增加共用电调衰减器,既有效减少了器件数量,又可以改善组件间的幅度一致性。为了获得良好的性能和稳定可靠的工作,在发射通道增加驱动功率放大器以提高发射通道的增益,在功率放大器输出端增加环形器以保护功率器件。同时,该组件内集成波控ASIC芯片,实现收发开关、移相器及衰减器的不同工作状态切换。

该组件工作于发射状态时,波控信号控制开关1、开关2及开关3选通发射链路,使得由功分网络馈至各通道的移相器的微波信号通过放大器2、衰减器、驱动放大器,最后经过功率放大器放大后,通过天线单元向空间辐射出去。接收时,波控信号控制开关1、开关2及开关3选通接收链路,使得各天线单元接收到的微波信号通过环形器、低噪放1、低噪放2、放大器1、衰减器、放大器2、移相器,最后4路接收信号通过功分网络合成后输出供组件后级电路处理。

所有微波芯片、波控芯片及阻容器件等元器件高密度表贴在一块多层低温共烧陶瓷(LTCC)基板上。芯片间的互联走线及微波通道均在多层基板内部实现,使得电路的尺寸、焊盘数量均大为减小,既提高了可靠性及组件幅相一致性,又节约了成本,减轻了重量。

根据这一方案,我们开展了T/R组件的研制工作,下面介绍关键技术研究情况和研制结果。

2 关键微波电路设计

2.1 功分网络的设计

目前,一般采用功分器来实现多路收发通道信号的分配和合成。很多T/R组件设计中的功分器平面结构的,这种平面结构的功分器体积较大,难以满足当前微波组件小型化、集成化的发展趋势[8-10]。本文设计了一种较新的微波器件设计结构,即基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术的带状线三维结构功分网络。由于LTCC技术可以将电阻、电容和电感等无源元件埋置在多层互连基板中,因此具有高性能、低成本、高可靠性、小型化的优点。

由于微波电路性能易受壳体结构影响,因此进行功分器仿真设计时有必要将组件结构考虑进来,图3为一分四功分器的仿真模型。

图3 T/R组件功分器仿真模型

仿真结果如图4所示,可见,在整个波段内,传输损耗小于8 dB,4个输出端口间隔离度大于24 dB,输入端口驻波小于1.26,4个输出端口驻波小于1.12。

图4 功分器仿真结果

2.2 收发链路的设计

发射链路主要完成发射输入信号的放大,对于X波段的工作频率,组件通常采用GaAs FET或PHEMT有源器件来实现其高频特性,在目前的器件水平下,砷化镓PHEMT芯片可实现大于10 W的功率输出。前级驱动选用了2级MMIC实现,第1级放大器进行小信号的高增益放大,用以补偿移相器、衰减器及开关所造成的增益损失,第2级驱放对信号进一步放大,提供功率放大器所需的驱动功率电平。

接收链路主要包含限幅器、低噪放、移相器、衰减器、开关等电路,由于组件接收增益较高,为保证组件的稳定性,将增益进行了分配,采用了多级放大器级联的形式实现。

由于收发链路中包含大量微波芯片,芯片间的互联一般采用金丝键合,金丝互联模型见图5。如果采用三维电磁场仿真对金丝的拱高、长度进行设计优化则能够提高组件整体驻波以及平坦度等指标,提高组件性能。

图5 金丝互联模型

图6 T/R组件内波控驱动电路

2.3 波控驱动电路的设计

T/R组件的移相、衰减、收发切换等逻辑控制功能通过波控驱动电路实现,它对雷达波束形成起着重要作用。

当需要改变雷达波束指向时,每个T/R组件的波控电路即按照波控运算产生的移相码改变移相器的控制电平,达到移相要求。本设计中移相控制的位数为6位,相应的控制精度为5.625°。当需要实现雷达波束赋形和幅度补偿时,波控电路即控制衰减器工作,衰减器的控制位数也为6位,衰减精度为0.5 dB。T/R组件内控制驱动电路的框图如图6所示[2]。

3 电磁兼容设计

由于T/R组件的4路收发通道全部集成在一个很小的LTCC基板内,微波及控制信号布线极为密集,组件的电磁兼容设计显得极为重要[11-12]。考虑到组件接收通道和发射通道可能相互影响,形成增益环路,因此将组件设计为分时工作模式,即在发射通道工作时,接收通道断电,在接收通道工作时,发射通道断电。同时,为防止收发开关可能存在开关延滞导致收发通道同时打开形成增益回路的隐患,在波控收发转换时序中间插入一个中间状态,从而使得收发时序不会交叉,保证了收发通道间良好的隔离度。组件内部微波传输通道使用了大量带状线和微带线,传输线间会在空间内相互耦合影响,同时由于组件内部空间狭小复杂,微波信号在腔体内会由于腔体效应形成谐振,从而影响微波性能,因此必须采取合适措施消除危害。在本设计中通过采用金属隔墙、微波电路分腔等方法对通道进行空间隔离。

4 研制结果

利用低温共烧陶瓷(LTCC)技术和表面微组装互连技术设计的4通道T/R组件实物照片如图7所示。

图7 T/R组件外形照片

对组件收发通道的性能指标进行了测试,主要测试结果见表1所示。

表1 T/R组件主要技术指标测试数据

5 结束语

该组件具有收发幅度加权的功能,能够有效提高阵面天线性能,同时具有结构紧凑、重量轻、微波性能好、可靠性高的特点,在舰载、机载、星载相控阵雷达和通信领域中具有广泛的应用前景。

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赵亮(1985-),男,硕士,主要从事微波T/R组件研制工作;

杜小辉(1977-),男,硕士,主要从事微波T/R组件研制工作。

ADesignofXBandT/RModulewiththeFunctionofAmplitudeWeighted

ZHAOLiang*,DUXiaohui

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China)

It is a research hotspot on the design of small size,low weight,high performance and high reliability microwave T/R module. The principle and design method of a kind of X-band T/R module is presented with the fuction of weighted Amplitude. The T/R module is based on LTCC multiplayer substrate technology,the T/R module is constructed on one base board and integrates resistance,capacitor,ASIC and MMIC,etc. Finally the test results are given. The T/R module provides over 40 dBm output power,23dB receive gain and less than 3.5 dB noise figure,weighs only 90 g.

phased array radar;T/R modue;X-band;amplitude weighted;LTCC

2014-05-06修改日期:2014-05-27

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.013

:TN882.4;TN958.92

:A

:1005-9490(2014)06-1072-04