基于多功能芯片的多通道微波收发组件设计

2022-01-18许明洪凯伦曾新阳吴思炜

科学技术创新 2021年36期

许明洪凯伦曾新阳吴思炜

（广州中雷电科科技有限公司，广东广州 510000）

随着武器装备信息化的发展，微波收发组件在雷达、通信、导航等军用电子领域中得到广泛应用[1]。不同的应用场景对微波收发组件提出了不同的要求。在相控阵应用场景中，微波组件接收和发射的各个通道都需要具备幅度和相位调制功能，才能与天线阵面配合，实现波束的赋形及波束扫描[2-4]。目前收发通道的实现方式主要是基于离散射频芯片搭建而成，如发射通道一般包含功率放大器、驱动放大器、数控衰减器等芯片，接收通道一般包含低噪声放大器、数控衰减器、移相器等芯片，再加上收发切换开关等，一组收发通道上往往包含十余颗芯片，因此采用分离芯片集成多通道微波收发组件，芯片数量多，设备体积大，散热和可靠性难以得到保障，限制了其在大规模阵列场景中的应用。

近年来，随着射频集成电路工艺的发展，特征频率的提高，硅工艺在射频/微波集成领域得到了越来越多的应用。利用硅工艺，可将微波收发通道中的诸多有源/无源器件集成在一起，可用一颗芯片实现之前多颗芯片才能实现的功能，即所谓的射频多功能芯片[5-6]。

本文设计了一种基于射频多功能芯片的多通道微波收发组件，工作于X 波段，单个组件内集成了四路发射通道和四路接收通道，每一路通道均具备幅度/相位调制功能。组件内部包括控制模块和射频模块，射频模块位于上层，控制模块位于下层，两层之间通过板间连接器进行通信。组件整体尺寸紧凑，性能优异，多个组件可以级联使用，适用于大规模阵列场景。

1 理论和设计

本文设计的多通道微波收发组件核心为射频多功能芯片ARW9644。该芯片是一款工作在X 波段的单片全集成四通道TR 芯片，该芯片集成了射频开关、平衡式功率放大器、限幅低噪声放大器、6 位数控移相器、6 位数控衰减器、驱动放大器等功能模块。芯片接收通道增益为30dB，噪声系数2.7dB；发射通道增益大于25dB，输出功率27dBm，二次谐波抑制优于40dBc。该芯片的原理框图和单通道原理框图如图1 所示。

图1

该芯片输入输出射频端口内部进行了阴抗匹配，因此在外部设计了50 欧姆匹配带线用于将芯片的射频端口引出到组件腔体上的SMA 连接器。本次设计中PCB 采用RO4350+FR4 的混压工艺，表层介质为RO4350，厚度为0.25mm，底层介质为FR4，其中射频电路布在表层，底层为阴容等外围器件。射频电路走线采用共面波导，共面波导的特征阴抗由带线宽度W、带线到地的距离S、基材厚度H 决定[7]，其阴抗计算模型如图2 所示。

图2 共面波导阴抗计算模型

根据共面波导的特征阴抗公式可知当板材厚度0.25mm，带线宽度20mil，带线到地距离13mil 时，共面波导的阴抗为50 欧姆。共面波导长度约2cm，插入损耗约为0.2dB，根据噪声系数级联公式：

在上式中，F 为整个接收链路的噪声系数，F1 为前端共面波导的插入损耗0.2dB，F2 为射频芯片ARW9644 的噪声系数2.7dB，G1 为共面波导增益，此处小于1，由此可知接收链路的整体噪声系数为2.9dB。

对于射频收发链路来说，电源的质量对于射频信号的质量影响较大。尤其是对于集成度较高的射频芯片，当电源中带有较大的杂散或者纹波时，这些干扰信号往往会耦合到芯片内部的射频收发通道并被放大到射频输入输出端，造成信号质量的下降，进而影响整机系统指标[7]。在本设计中，射频芯片所需要的各个电源都从控制模块穿板输出到射频模块，因此在射频模块PCB 的背面，射频芯片下方的位置放置滤波电容对电源进行滤波，滤波后的电源通过内部通孔引到射频模块PCB 的正面给射频芯片供电，可有效消除电源纹波和杂散对射频信号质量的影响。

射频模块的正反面电路图如图3 所示。

图3

控制模块位于电源模块下方，两者之间通过穿板连接器对扣实现通信。控制模块的核心为APM32F103C8T6，该芯片为国产32-Bit MCU，最大主频72MHz，含3 路SPI 接口。在本设计中，MCU 通过SPI 接口和射频芯片ARW9644 通信，控制射频芯片实现信号的发射/接收切换和幅度/相位加权。控制模块的正反面电路图如图4 所示。

图4

2 测试和结果

将控制模块和射频模块组装到自行设计的金属腔体中，形成多通道收发组件。组件表面留有SMA 连接器作为射频信号的输入输出接口，J30J 接口为供电和控制接口，组件整体尺寸非常紧凑，仅为70mm*50mm*22mm。在测试过程中，通过上位机控制组件在发射态和接收态之间做切换，并通过信号源、频谱仪、矢量网络分析仪测试组件的发射指标，通过信号源、频谱仪、矢量网络分析仪和噪声系数测试仪测量组件的接收关键指标，测试现场如图5 所示，关键指标测试结果如表1。