一种高功率密度T/R组件的设计

2017-02-27李江达薛培魏斌

电子与封装 2017年2期

关键词：边带振源支路

李江达，薛培，魏斌

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

一种高功率密度T/R组件的设计

李江达，薛培，魏斌

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

主要针对某款C波段大功率T/R组件的小型化进行研究。通过对T/R组件的电路与结构的分析与设计，制作了发射功率大于100 W、接收通道增益大于8 dB、体积90 mm×80 mm×37 mm的T/R样机，该项研究对高功率密度T/R组件的设计与研制具有一定的工程指导意义。

T/R组件；放大器；接收机

1 引言

本文提出的组件产品是用户成熟产品上使用的部件，为了适用其重点预研项目的小型化设计要求，需要将体积进一步缩小（达到原来的一半），其他性能参数均不变。

2 原理简介

小型化C波段功率收发组件由微波本振源、发射支路和接收支路组成。输入中频参考信号给本振源，然后由本振源产生的微波信号，经功分器后与输入的中频脉冲调制信号上变频至所需的发射频率，由边带滤波器滤除不需要的杂散信号，形成所需要的发射脉冲信号，此信号经脉冲功率放大器放大到所需的功率电平后输出。当发射周期结束后，接收通道被打开，接收到的脉冲信号首先经由环形器、边带滤波器、限幅器、接收开关后，经低噪声放大器放大，最后与微波本振源产生的本振信号一起完成下变频，产生最终的中频输出信号。

图1 收发组件原理框图

由原理框图可见组件由本振源、功率耦合器、上变频器、边带滤波器、功率放大器、限幅器、接收开关、低噪声放大器、下变频器、偏置电源及脉冲驱动电路组成。

3 电路设计

通过对设计方案的进一步解析，我们可以通过优化组件的器件选型及结构来达到小型化设计要求，主要设计如下。

3.1 本振源及功分器

微波本振源作为发射信号与接收信号的泵源，需提供足够的推动功率和频率稳定度。本组件的本振源采用定制的微封装锁相源，它采用一体化管壳设计，具有全密封、体积小、低杂散、低相噪、低功耗、高可靠性的特点。参考信号输入功率大于0 dBm，输出本振信号功率典型值为15 dBm，杂波抑制不小于-65 dBc。接收和发射部分需要同样的本振信号进行上下变频，我们采用Mini-Circuits公司生产的GP2X+功分器对本振信号进行分配，其差损在-3.6 dB。

我国目前最基本的国情，就是正处于并将长期处于社会主义初级阶段，公有制经济作为国家最主要的经济制度，它的主要代表国有企业已成为国民经济的主导力量，这是由于国有企业在国民经济的关键和重要部门处于支配地位、在国家财政收入主要来源的国有经济中贡献最大所决定的。国有企业的存在和发展对整个经济发展起着决定作用，对保证国民经济持续、快速、健康的发展也发挥着重大作用。可以说，国有企业的存在与发展，是巩固党和国家事业发展的重要物质基础和政治基础的必然要求，是壮大国有经济，推动经济发展和社会进步的必然要求，是加强社会主义精神文明建设的必然要求，具有巨大而深刻的现实意义。

3.2 上下变频器

发射支路中使用上变频，对本振信号与输入中频信号进行频率搬移，产生所需要的发射频率信号。接收支路中使用下变频，对本振信号与接收到的射频信号进行频率搬移，产生所需要的接收中频信号。我们选用Mini-Circuits公司单片混频器MAC-80LH+实现此电路功能，MAC-80LH+在5～8 GHz的变频损耗为7 dB，LO与RF的隔离度典型值为39 dB，LO到IF的隔离度为27 dB，需要的本振功率为7～13 dBm。它具有性能优良、电路尺寸小、性能稳定、无需调试等优点。

3.3 边带滤波器

边带滤波是为了滤除上变频器产生的无用的边带信号，以保证进入功率放大器的信号比较纯净。如果直接将上变频的信号送入功放，会降低功率放大器的效率，同时不需要的信号也会形成干扰。综合考虑组件对滤波器的通带带宽、带外抑制等要求后，我们选择了腔体滤波器。根据指标要求，Δf 1dB≥8 MHz（接收），Δf 1dB≥12 MHz（发射）；带内插损≤2.5 dB。由于腔体滤波器的尺寸较大，考虑到组件的整体结构，最后确定滤波器的带内插损为≤3dB，比指标要求的2.5dB大了0.5 dB，但是由于我们在收发两路滤波器的前面都设有放大器，可以把电平调整到所需的范围，同时也可以保证接收支路的噪声系数不会受到影响。

3.4 发射开关

发射开关用来实现对微波信号的脉冲调制。开关设置在发射支路放大器的输入端，输入信号经过发射开关的调制，从而将输入的连续微波信号变成微波调制信号。开关采用Hittite公司生产的HMC232LP4，其差损为-1.5 dB，开关隔离度为52 dB，开关响应时间小于10 ns。

3.5 发射前级放大电路

图2 发射前级放大链路图

发射前级放大链路图见图2。前级功率放大器采用Hittite公司的HMC407MS8G，它采用5 V供电，具有通道开关控制功能，电路增益为15 dB，开关响应时间小于30 ns。我们使用组件的功放开关信号进行控制，开关隔离度在-20 dB左右。该电路采用50 Ω阻抗内匹配，外围电路简单，便于小型化布局。

3.6 发射后级功率放大电路

图3 发射功率级放大链路图

由于我们原来采用两路60 W功率放大器进行合成输出100 W，占用了组件的体积和空间，因此重新选用了两款国产C波段GaN内匹配功率模块HEG039L、HEG603B。两模块采用50 Ω阻抗匹配，使用标准金属功率管壳封装，适应各种脉冲波工作条件，易级联使用。发射功率级放大链路图见图3。

3.7 接收支路放大电路

图4 接收支路放大链路图

接收支路放大链路图如图4所示。对于接收系统来说，设计或选择合适的低噪声放大器是决定系统级联噪声的最关键因素。为了减小后置级的影响，低噪声放大器前面的开关、限幅器、滤波器及耦合器等电路的插入损耗也应当尽可能减小[1]。

本组件中采用两级单片低噪声放大器NBB500DS，其噪声为3.2 dB，增益16 dB，完全可以满足15 dB的噪声系数要求。

为了保护接收机在发射级工作时不受到突发大功率微波信号的损伤，设计中需要在耐受功率和插入损耗两者之间综合考虑限幅器的选择。发射功率为110W，占空比在百分之一以下，等效平均功率不到1W，采用硅微波PIN二极管作为控制元件。通过优化电路设计，实现了良好的限幅保护功能，同时较小的插入损耗也保证了接收机的噪声系数不受太大的影响。

3.8 偏置电源及脉冲驱动电路

本组件的供电电源分别为+28 V、+12 V、-5 V。+28 V电源用来给发射功率模块进行供电。其余放大器、本振源的供电电压均为+5 V。为了提高效率且尽最大可能减少元器件的热散耗，采用Ti公司的LMZ14202H电源模块将+12 V电压变换到6 V，然后再使用TI公司的射频LDO进行稳压输出+5 V，该LDO输出电压纹波抑制大于55 dB，可以有效减小电源中的杂波对放大器及本振源的干扰。

图5 电源变换原理图

功放为漏极脉冲调制方式，漏调制的电流很大，这就要求在电源设计、器件选择上充分考虑承受功率、热效应以及电磁兼容等问题。组件应该具有负压和脉冲双重保护功能，保证大功率场效应管的栅极在没有负压或没有外加功放脉冲信号的情况下，漏极不可能有正压加上，保护场效应管不受损坏。因此我们使用TC4425驱动电路分别设计了负压保护电路和功率管漏极电压调制电路，见图6。

图6 负压保护、漏极调制驱动原理图

如图6所示，当组件没有外加-5 V时U1的7脚输出低电平，开关管U2B关断，因此P-MOS管Q2关断，28 V电压没有可能加在功率放大器的漏极。负压上电后，P-MOS管Q2开通。TTL功放开关脉冲信号从U1的4脚输入，5脚同相输出驱动电压给N-MOS开关管U2A的栅级，U2A导通，将Q3的栅极电压由原来的+28 V降到+20 V，P-MOS管Q3开通，功率放大器漏极电压开通（+28V），功率管的静态工作点建立。

3.9 结构设计

针对本组件的超小型化设计要求，为了防止接收支路与发射支路之间的相互干扰，继续将两支路分别放置在壳体的上下两面，并且做以下结构优化：

（1）电源控制部分与接收支路放置于接收支路一侧，为了尽可能防止开关信号对接收支路的影响，分别对两部分单独开腔，且将接收支路单独用盖板密封。

（2）考虑到本振源的组件结构布局和抗干扰性，在组件中给振荡源提供一个单独的腔体，并且用单独的盖板进行闭合。

（3）为了防止发射支路发生自激，需要在适当的放大器前后两端添加隔离器，并且对各单元电路进行独立开腔，在保证性能的前提下最大程度地减小电路尺寸，尽可能紧凑地放置元器件，从而达到小型化的目的。

4 实验结果及结论

笔者通过对以上设计数据进行优化和微调，研制出符合设计要求的样机（见图7），测试数据见表1。

从测试数据可知，产品的研制性能基本达到了理论预计，这不仅说明本文提出的理论在实际中的有效性，而且为今后进一步研制更大功率密度的T/R组件提供了必要的基础。

表1 考核条件下样机的测试参数

图7 样机照片

[1]弋稳，等.雷达接收技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

Design of a High Power Density T/R Module

LI Jiangda,XUE Pei,WEI Bin
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

The research on miniaturization of C-Band high power T/R module is presented in the paper.The analysis on T/R module structure brings about a prototype with 8 dB of reception channel gain and 100 watts of transmission power.The prototype is 90 mm×80 mm×37 mm in scale.The research work is of significance to the design and manufacture of high power density T/R module.

T/R module;amplifier;receiver