一种S波段数字阵列模块的研制

王才华,张德智,张卫清

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

一种S波段数字阵列模块的研制

王才华,张德智,张卫清

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

数字阵列雷达是近几年发展迅速的一种新型相控阵雷达,其中数字阵列模块是数字阵列雷达的关键核心部件之一。本文详细介绍了一种S波段数字阵列模块的设计与实现。该模块突破了多种关键技术,具有集成度高、性能指标优良等特点,测试结果完全满足雷达系统研制要求。

数字阵列模块；S波段；数字阵列雷达

0 引 言

数字阵列雷达是近年来发展备受关注的一种新型相控阵雷达。与传统相控阵雷达相比,它具有很多优点：大动态范围,容易形成多波束 ,低损耗、低副瓣,系统任务可靠性高等。数字阵列雷达对每个收发通道的信号进行数字化处理,实现了发射波形产生与接收信号的全数字化处理,即采用DDS(数字频率直接合成器)在数字域形成发射激励波形,采用A/D(模拟/数字转换器)将接收的模拟信号转换为数字信号进行信号处理,每个通道发射及接收波形所需要的幅相数据等参数均单独可控,波束形成灵活、准确。在硬件上实现这部分功能的就是数字阵列模块。可以说,数字阵列模块是数字阵列雷达的关键核心部件之一[1-2]。

数字阵列模块(Digital Array Module,DAM)是一种采用集成化和数字化技术,将射频收发单元、本振功分单元、中频数字收发单元、分布式电源、集中式电源、分布式参考源等功能电路整合并一体化设计,完成雷达数字化收发、数据预处理及数据传输功能的新型多通道收发模块。

1 功能与组成

DAM从技术实现方式来说主要有两种：中频采样方式和射频直接采样方式。两者的区别在于：采用中频采样方式的模块在射频收发单元中含有变频,而射频直接采样方式的模块在射频收发单元中不含有变频。本文中介绍的S波段DAM采用的是中频采样方式,其功能组成框图见图1。

图1 S波段DAM功能组成框图

DAM内部由以下单元组成：

(1) 射频收发单元 完成射频信号的模拟接收和发射,主要包括雷达回波信号的放大、下变频、滤波以及雷达发射信号的上变频、滤波、功率放大；

(2) 一体化本振功分单元 对本振信号进行多路功分,供给射频收发单元,包括一本振和二本振信号；

(3) 一体化中频数字收发单元 主要对射频收发单元的接收输出中频信号进行A/D变换、数字正交解调；产生数字波形为射频收发单元提供发射激励信号[3],同时集成数据传输单元,实现数据高速传输；

(4) 分布式电源 给射频收发单元供电；

(5) 集中式电源 给一体化中频数字收发单元供电。

2 详细设计

2.1 射频收发单元

射频收发单元即常规模拟收发通道,完成限幅低噪声接收、上下两次变频以及功率放大输出等功能,其中两次变频系统采用有源混频方式[4],其功能组成框图如图2所示。每个DAM中,共集成了16个基本单元通道。每个单元通道中包括有限幅低噪声放大器、功率放大器、二次变频电路、环行器、滤波器组等模块组成。

图2 射频收发单元组成框图

2.2 一体化本振功分单元

DAM设计中,需要将一、二本振信号功分到各个射频收发单元通道使用,此功能通过一体化本振功分模块[5]完成。设计中一本振功率分配器采用微波带状线结构,二本振功率分配器采用微波集成电路实现,基板采用多层微带板层压技术,两个功分模块立体层压成一体,以减少体积,提高电路密度。一体化本振功分单元仿真模型及结果见图3。

2.3 一体化中频数字收发单元

完成16路数字波形产生和16路数字接收下变频功能。采用一体化设计思想,集成在一块数字电路板中实现。其中16路数字接收机采用了“A/D+FPGA”的方案,即模拟回波信号经过放大后,首先在2片8路集成的A/D中模数变换,进入大容量FPGA中进行滤波与抽取,IQ分离；16路数字波形产生则采用了COTS技术,运用4片4路集成直接数字合成DDS芯片,产生中频激励信号。一体化中频数字收发单元实物框图见图4。

2.4 数据传输单元

DAM中采用光电变换模块完成大容量数据的高速传输。光电变换模块是DAM与雷达整机系统数据交互的唯一接口。在DAM中,首先将各单元通道的数字正交回波信号转换为光信号,并通过光纤送入雷达整机DBF板中进行解调。同时,采用光分复用方式,将系统对各个单元通道的幅相控制字、模式工作字等送入DAM中。工程研制中,将光电变换模块集成设计在一体化中频数字收发单元中。

图3 一体化本振功分单元场仿真模型及结果

图4(a) I/Q正交解调实现框图 图4(b) 数字波形产生实现框图

2.5 分布式电源

DAM供电方案设计中,送入DAM一组较高电压的直流电源,作为其他电压品种的输入,通过DAM中集成的分布式DC/DC电源模块,变换到射频收发单元通道所需的各种直流电压。本DAM中,每个分布式电源模块为两个射频收发单元通道提供电源。

2.6 集中式电源

为了提高电磁兼容性设计,需要将模拟电源和数字电源分开。其中的数字电路采用一个单+5V供电,用一个集中式DC/DC电源模块实现。数字中频收发模块所需的其他电源品种在数字电路板上通过线性稳压块降压获取。集中式电源模块输入电压与分布式电源模块相同。

2.7 散热方式

散热方式分为液冷和风冷两种。热设计是DAM设计中的关键技术之一。根据系统资源,在DAM设计中必须通过散热仿真分析、实验验证,确保功率管、FPGA等发热器件正常稳定工作。其中散热片尺寸、冷却的流量、温度、控制方式,以及正常工作时散热性能等关键参数必须进行设计与仿真后采纳使用。

本DAM是高功率组件,热流密度较大,还有电源模块等发热器件,系统设计中采用液冷方式散热。

通过上述各单元详细设计,集成组装后的S波段数字阵列模块外形尺寸为740×150×42.8(mm3),重量为小于3.5 kg。

3 关键技术

在DAM研制过程中,主要突破了以下关键技术：

(1) 高密度系统集成技术

主要采用了微波单片集成电路(MMIC),运用LTCC、HTCC等多层互联基板,通过多芯片组装(MCM)、片上系统(SOC)等技术手段,形成多功能的超小型电路模块,电缆组件采用微小型射频低频混合设计以及组件三维立体安装技术。

(2) 有源变频电路技术

为了进一步提高集成度,减少体积,用有源变频电路设计代替无源变频电路设计,自主研制开发了两款有源上/下变频器；其次,通过采用HTCC+KOVAR的基板屏蔽盒一体化设计的方式,设计并批产小型化气密封装,实现器件化的两次变频模块,最大限度地获得小尺寸、高密度集成。

(3) 多层微带板设计技术

多层微带电路是实现三维立体安装的一个重要途径。在DAM的研制中,大量采用了多种形式的微波多层微带基板电路,如低噪声放大器和两次变频电路采用的HTCC陶瓷基板。而变频组件和一体化功分单元采用的是多层微带覆介板层压技术,分布式电源模块和数字收发模块采用多层玻璃布纤维板。

(4) 一体化数字收发模块设计技术

采用收发通道一体化小型化设计和多通道集成方法。通过三端口的微波收发开关将收发通道的模拟端合二为一,并且共用一根光纤传输十六通道波形控制码和十六通道基带数据,从而达到收发一体化设计；同时引入多通道集成的ADC、DDS和大容量FPGA器件进行16通道集成化设计。

(5) 多通道间幅相变化一致性设计技术

数字阵列雷达是一种新型相控阵雷达。因此,DAM单元通道间的幅相变化一致性是关系系统性能的一个重要指标。DAM内部射频收发单元采用的是16路相同的电路模块,数字收发单元采用16路发射波形、数字接收一体化设计。每个DAM的单元通道间其幅相一致性得到控制保证。同时,在雷达系统中,采用一套频率源输出时钟本振,经过集中有源放大后再无源功分至阵面每个DAM,保证了系统阵面上所有DAM输入的时钟本振相参,满足了系统对多通道间幅相变化一致性的要求。

4 测试结果

DAM是一种新型的多通道收发模块,与传统的收发模块测试相比,具有以下显著特点：

(1) DAM接收指标为数字域测试,因此接收指标需要对DAM接收输出信号数据采集后送计算机进行数据分析计算得出。接收相关指标包括通道噪声系数、接收信噪比(动态范围)、接收增益、I/Q镜像抑制比、无杂散动态范围等。DAM发射指标为微波域测试,因此采用常规仪表如功率计、频谱仪、矢网对其进行测试。发射相关指标包括通道发射功率、发射脉内信噪比、发射移相精度等。

(2) 通道数多,性能指标多,测试工作量大。因此,采用传统的手动测试满足不了大批量数字阵列模块的研制生产,必须采用自动测试方式才能满足。同时,结合DAM接收测试、光纤数据传输等特点,还必须对测试方法有所创新研究,同步设计测试工装及接口适配器,研制一套DAM自动测试系统专门测试[6]。

DAM主要性能指标测试结果如图6～图11。

该型S波段DAM达到的主要性能指标如下：

•单模块通道数目：16路；

•通道噪声系数：≤2.8dB；

•通道发射峰值功率：≥30W；

•通道接收信噪比：≥60dB；

•通道I/Q镜像抑制度：≥65dB；

•通道发射脉内信噪比：≥65dB；

•通道间幅相变化一致性：

幅度：≤0.3dB(RMS)；相位：≤1°(RMS)。

图6 通道发射峰值功率

图7 通道发射脉内信噪比

图8 通道发射移相精度

图9 通道噪声系数

图10 通道I/Q镜像抑制度

图11 通道接收信噪比

5 结束语

该型S波段DAM是一种典型的DAM设计案例,对后续其他DAM的设计有较大的借鉴意义。DAM测试结果完全满足雷达系统使用需求,并通过雷达整机系统使用验证。目前,该DAM已实现批产, 应用前景十分广泛。

[1] 吴曼青.数字阵列雷达及其进展[J].雷达科学与技术,2006(1).12-13.

[2] 吴曼青.数字阵列雷达的发展与构想[J].雷达科学与技术,2008(6).401-403.

[3] 张卫清,谭健美,陈函. DDS在数字阵列雷达中的应用[J].雷达科学与技术,2008(6).467-469.

[4] 刘晓政,李佩,张德智,梁向阳. 集成化DAM变频电路设计[J].雷达科学与技术,2008(6).492-493.

[5] 张运传,李佩,张德智. 多层微带功分网络的设计[J].火控雷达技术,2009(2).64-66.

[6] 李冬芳. 数字阵列雷达收发组件自动测试技术研究与实现[J].火控雷达技术,2011(2).66-68.

Development of an S-band digital array module

WANG Cai-hua, ZHANG De-zhi, ZHANG Wei-qing

(NO.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

The digital array radar (DAR) is a new phased array radar that has developed rapidly in recent years, with the digital array module (DAM) as its key part. The design and implementation of an S-band DAM are introduced in detail. A variety of key technologies have been overcome for the DAM which features high integration and good performance indexes. The test results meet the demands of the development of radar system.

digital array module; S-band; digital array radar

2014-08-14

王才华(1982-),男,工程师,研究方向：雷达微波系统、DAM及DAM自动测试；张德智(1970-),男,研究员,研究方向：雷达微波系统、DAM及T/R组件；张卫清(1979-),男,高级工程师,研究方向：雷达数字化收发系统。

TP958.92

A

1009-0401(2014)04-0054-05