一种新颖的气密封小型化毫米波TR组件设计

刘雪颖

（成都瑞迪威科技有限公司, 四川成都,610000）

0 引言

近年来毫米波元器件，特别是固体器件的迅速发展，以及现代武器装备的飞速发展，使毫米波系统的开发和应用出现高速发展的势头，已经成为军事电子领域的热点，广泛应用于雷达、通信、侦查、识别等各个领域。【1】而毫米波TR组件作为核心部件，对于高性能、小型化、高可靠性等要求也越来越高。

本文介绍一种Ka波段气密封小型化毫米波TR组件（以下简称TR组件）设计方法。采用多芯片混合集成设计方法、四次谐波混频器和小型化射频接口实现TR组件的小型化设计，采用平行封焊和波珠焊接技术实现TR组件的气密封防护，最终实现气密封、轻小型化、高性能、高可靠性的TR组件。下面给出TR组件的技术要求以及工作原理和电路设计方法，最后给出TR组件的实测性能。

1 TR组件技术要求

根据项目要求，TR组件主要参数要求为：

1)射频频率：Ka频段；

2)噪声系数：≤5.0dB；

3)发射功率：≥29dBm；

4)杂波抑制：≥50dB；

5)重量：≤100g；

6)接口：射频BJ-320波导；中频及本振：SMP接口。

2 TR组件组成及工作原理

TR组件主要由射频电路、低频电路以及小型化射频接口三部分组成。其中，射频电路主要功能是实现毫米波信号的收发及上下混频；低频电路的主要功能是实现加电时序控制、有源芯片馈电分配以及开关控制信号和自检信号的电平转换；小型化射频三用接口实现低频电路与射频电路以及射频电路与波导之间的互连及转接。

TR组件射频电路组成框图如图1所示，射频电路主要包括双工器、混频器、发射链路、接收链路以及收发转换开关等。TR组件采用时分工作方式，收发切换通过两个单刀双掷开关实现，发射链路和接收链路共用混频器。发射时，L波段中频信号与本振信号首先通过双工器注入到四次谐波混频器进行上混频，接着通过射频滤波器滤掉除射频信号带宽范围以外的谐杂波信号，然后通过多级放大器进行放大，最后通过收发开关和绝缘子微带波导过渡将发射信号输出至天线。接收时，从天线接收的毫米波射频信号首先通过绝缘子波导微带过渡和收发开关，再经过低噪声放大器和驱动放大器进行放大，接着通过射频滤波器滤掉除射频信号带宽范围以外的杂波信号，然后通过共用的四次谐波混频器与本振信号进行下混频，最后混频产生的L波段的中频信号通过双工器后输出到中频接收机。

图1 TR组件射频电路组成框图

3 TR组件电路设计及实现方法

TR组件在设计上采用模块化电路设计思路，在整体布局上，将射频电路与低频电路分开，分别位于腔体的正面和背面，通过绝缘子进行互联，这样可以很好的实现电磁屏蔽以及轻小型化设计。下面就本组件所采用的四次谐波混频器电路（含双工器）、小型化射频接口设计、TR组件总体设计等一一进行分析介绍。

3.1 四次谐波混频器电路（含双工器）设计及实现方法

Ka波段四次谐波混频器基于之前技术基础，进行优化设计而成，是TR组件的关键电路，要求插损小、宽带特性好、其余组合信号抑制高。在ADS仿真软件进行优化设计，最终四次谐波混频器输出频谱的仿真结果如图2所示。

图2 四次谐波混频器输出频谱仿真图

3.2 小型化射频接口设计及实现方法

小型化射频接口是一种可以在K接头、SMA/SMP等接头或波导接口方式之间灵活转换的接口形式。更换接口形式只需更换连接配件，不需要改变内部电路和结构。小型化接口具有体积小、价格便宜、接口方式灵活、气密性、互连方便、可调试、生产性好、宽带性能优良、可扩展性好等优点。

接口的核心部件是射频绝缘子。利用Ansoft公司3维电磁场仿真软件HFSS对微带波导过渡进行建模和仿真优化，仿真模型及经过优化后的仿真结果如图3所示。

图3 绝缘子波导微带过渡仿真模型及仿真结果

当接口形式为K接头或SMP等接头时，选用合适的接头直接装配即可。当接口形式为波导时，需要在玻珠一端插针上焊接一个空心套筒，实现微带到波导的阻抗变换，再装配波导连接件，实现波导接口转接。

加工一对背靠背的波导微带过渡进行测试，结构示意图见图4，测试结果见图5，插损小于0.4dB，驻波优于1.22，可满足使用要求。

图4 小型化射频三用接口结构示意图

图5 绝缘子波导微带过渡背靠背实测结果

3.3 TR组件总体设计及实现方法

在TR组件总体设计上，采用多芯片混合集成小型化设计方法，优化电路，合理布局，收发共用四次谐波混频器，利用双工器将上行发射中频信号与本振信号在混频器处进行分离，将下行接收信号中频合成到本振端口输出。

采用薄膜带通滤波器，在保证电路性能指标的情况下减小电路尺寸。

采用两个单刀双掷开支切换来实现收发分时工作。

通过馈电绝缘子将电源供电及控制电路放置在组件背面，实现轻小型化设计。

采用小型化射频接口的微带波导转接方式，减小波导转接的尺寸，实现轻小型化设计。

采用平行封焊和波珠焊接技术实现TR组件MMIC芯片的气密封，满足系统要求的严苛的湿热霉菌等环境防护要求。

图6 TR组件射频电路示意图

最终实现的TR组件实物射频电路如图6所示。

4 TR组件研制情况及测试结果

TR组件在设计上进行了电路及结构的容差分析，采用毫米波多芯片混合集成电路实现，通过在一个腔体内平面集成多个毫米波功能芯片，减小体积重量，并且由于减少了电路连接环节，提高了电路性能和可靠性。TR组件实物图见图7，最终实现指标如表1所示。

图7 TR组件实物图

表1 TR组件指标测试表

5 结束语

本TR组件最终实现在500MHz工作带宽内接收噪声系数小于4.5dB、发射功率大于1W、外形尺寸小于54mm×38mm×12mm、重量小于100g的优良指标，经过各种环境试验验证，满足系统应用要求，现已成功应用于某工程项目，具有广泛的应用前景。