一种新型小型化收发组件的设计

张国强 杨 莉 崔 敏

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

毫米波制导兼有微波制导和红外制导的优点，毫米波天线的旁瓣可以做得很低，敌方难以截获，这就增加了集中干扰的难度。同时毫米波制导系统受导弹飞行中形成的等离子体影响较小，国外许多导弹的末制导均采用了毫米波制导系统［1］。

随着现代制导技术的发展，对精度和距离的要求越来越高，相应对雷达导引头提出新的要求，特别是导引头的关键部件，收发组件必须满足高功率、小体积、轻重量的要求。

基于以上分析，需要对精确制导系统中的核心部件毫米波收发组件，进行重点研究。文献［2-3］对毫米波收发组件小型化技术进行重点研究，提出了一些组件小型化的设计方法。针对本组件的小型化要求，在两路接收支路之间引入选通开关，将传统的双路接收并为一路，同时，对组件内部的过渡形式进行小型化处理，这样可以最大化的减小体积。结合导引头对毫米波收发组件的要求，设计出了一种高功率、小体积、轻重量的毫米波三收一发集成组件，其输出功率达到2W，接收增益达到23dB，体积Φ 40mm×15mm，重量为95g。

1 设计分析

毫米波收发组件主要完成对发射激励信号的功率进行放大，然后送至天线辐射单元;以及完成对接收回波信号的低噪声放大、下变频处理后送至中频接收机。

基于以上功能分析形成如下原理框图:

图1 收发组件原理框图

此外，由于应用在复杂工作环境，在满足系统电性能技术指标的前提下，应重点考虑以下3 个方面:一是采用成熟技术和电路设计，压缩元器件种类和品种，保证设计的可靠性和继承性;二是尽量简化方案设计，不以追求高指标为目标，降低系统的复杂度;三是采用主/备设计，通过设置冗余电路降低设备的失效率。根据如上的原理框图设计，形成如下的技术指标要求:

工作频率:f1～f9GHz;

和口发射功率:≥+33dBm;

和口接收增益:≥23dB;

差口接收增益:≥23dB;

接收噪声系数:≤6dB;

体积:≤Φ 40mm×15mm;

重量:≤100g。

1.1 传输波导的设计

一般情况下，在Ka 波段的传输系统中均采用BJ320 的标准波导，其尺寸为3.56mm ×7.12mm，而在本文设计中，由于体积和尺寸的苛刻要求，采用标准波导，已经不能满足布局要求，有必要选择合适的非标波导作为传输媒介。这种选择主要基于以下几方面的考虑:

a 单模传输条件

在一般情况下，为了避免在波导中同时存在多个模式引起的干扰，比如不均匀性引起模式间的耦合使波导元件的设计复杂化，在不同模式下因相速不同引起信号失真等等，实用的波导系统都尽可能的采用单模波导。在矩形波导中，由于TE10波的λc最大，与它最接近的是TE20或TE01波的λc，因而只要传输波的工作波长介于它们之间，TE10波的单模传输就有可能，单模传输条件可以写成:

上面给出了单模工作λ 的范围，亦即频率范围。对于a≥2b的波导来说，上述条件可以简化为:2a＞λ＞a。

b 功率容量考虑

根据乌莫夫-坡印亭定理［4］，通过规则波导的传输功率为:

对于TE模

根据上述单模传输条件及功率容量分析，最终确定选择a=6mm，b=2mm 的非标波导作为输出传输波导。

1.2 输出微带－波导转换设计

微带-波导转换作为一种传统的转换形式，在高频段应用比较多。微带-波导过渡，类似于同轴到波导的转接，也就是将微带插入波导形成探针。由电磁理论可知:任意一个沿探针方向的具有非零电场的波导模在探针的表面激励起电流，根据互易定理，当微带线上准TEM 模向波导入射时产生的电流也同样激励起波导模。为了与矩形波导的主模TE10模耦合最强，根据微带与波导模式电场场分布的特点，微带线作为探针从波导的宽边中心插入，置入TE10模电场强度的最大处［5-6］，这样就保证了能量最大效率耦合到波导腔。

如下图是微带-波导转换的仿真建模及尺寸图:

图2 垂直过渡仿真建模

设计中采用Rogers5880 作为微带探针，基片厚度为0.127mm，介电常数为2.2，根据图4 的尺寸进行仿真优化，优化结果表明该微带-波导过渡插损可以达到0.1dB，端口驻波可以达到1.2，在后期的微带和波导的加工中严格控制误差，可以满足设计要求。

1.3 垂直过渡的设计

垂直过渡作为微波信号不同层之间的互联形式，在组件的设计中被经常使用，常见的有微带-带状线的过渡［7-8］。为了满足信号的馈入要求，需要设计垂直过渡进行转换。该过渡位于射频信号输入端及中频信号输出端，设计的目的一方面要保证发射激励信号及本振基准信号通过垂直过渡馈入发射链路，另一方面要满足中频信号良好的传输要求。

设计中考虑空气过渡对微波信号传输的影响，如下图在HFSS 中仿真建模:

图3 垂直过渡仿真曲线

图4 微带-波导转换仿真建模及尺寸

图5 微带-波导过渡仿真曲线

设计中充分考虑装配误差对性能的影响，同时加工尺寸留有冗余，仿真结果表明该垂直过渡插入损耗达到了0.1dB，端口驻波满足1.2 的要求，可以保证信号的良好传输。

1.4 组件实物

根据如上设计分析，最终形成如下收发组件三维图及加工实物图:

图6 收发组件三维图和实物图

图7 实物测试曲线

由上述测试结果可知，在频带内，输出功率和接收增益满足设计要求，接收噪声系数有恶化的现象，初步估计是由于接收支路传输路径过长及器件本身的插损过大造成，可以在后续的设计中加以改进，从而使技术指标更加优化。

2 结 论

采用HFSS 仿真设计软件，设计出了一种小型化的的毫米波收发组件，设计指标与工程实测基本一致，从而印证了该设计方法在组件小型化设计中的可行性。

［1］吕海涛.毫米波精确制导技术及其发展概况［J］.飞航导弹，2010，5:58-61.

［2］刘源.Ka 频段收发组件小型化技术研究［D］.成都:电子科技大学.2009.

［3］王卫华，周章洪，江元俊.一种高功率小型化T/R 组件发射通道的设计［J］.现代雷达，2005，27(7):54-57.

［4］王文祥.微波工程技术［M］.成都:电子科技大学出版社，2006:38-40.

［5］朱大红，齐锋.Ka 波段波导-微带转接器的设计［J］.微波学报，2008(10):140-144.

［6］Joe Purden，David Zimmerman and Mike Miller.A New Vertical Transition for FR-4 Based Millimeter-wave MCMs［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2012，12:333-335.

［7］Mario Leib，Michael Mirbach，and Wolfgang Menzel.An Ultra-Wideband Vertical Transition from Microstrip to Stripline in PCB Technology［J］.IEEE International Conference on Ultra-Wideband，2011，3:267-273.

［8］Qingchou Huang，Shu Zhang，Wanshun Jiang.A Shielded Microstrip-to-Stripline Vertical Transition for Multilayer Printed Circuit Board［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2012，12:2267-2273.