一种X 波段高性能多通道T/R 组件的设计

张立

(西安导航技术研究所，陕西 西安 710068)

引言

随着有源相控阵在雷达中的广泛应用，T/R 组件变得越来越重要。作为有源相控阵雷达的核心部件，T/R 组件的性能和功能将极大地影响雷达的探测精度、反应时间、探测范围和可靠性[1-2]。在多功能雷达的集成设计中，高效率、小型化、高性能T/R 组件的研制是非常关键的工作之一。

本研究设计了一款X 波段小型化四通道T/R 组件，该组件具有接收通道低噪声接收、发射通道功率放大、移相衰减等功能。采用微组装工艺提高T/R 组件的集成度，通过微调微带分支，优化不同通道间的幅相一致性，实测数据表明该T/R 组件具有低噪声、大功率、小型化、高可靠性等特点。

1 电路设计

1.1 总体方案设计

本组件由接收电路、发射电路、公共电路和控制电路组成，集成四个收发通道，采用收发分时工作模式，原理框图见图1。

图1 接收通X 波段T/R 组件原理框

接收电路的主要功能是将射频信号低噪声接收并放大，由限幅器和低噪声放大器组成。在接收电路中，限幅器防止组件因接收信号过大而烧毁，低噪声放大器确保接收通道的增益和噪声系数满足系统要求。发射电路主要完成激励信号的传输功率放大的功能，由驱动放大器、功率放大器和耦合器组成。在发射电路中，功率放大器保证组件的发射功率满足指标的要求，输出功率通过耦合器耦合到检测器，从而检测发射功率是否正常。为保证功率放大器可以稳定工作，通道之间和发射链路放大器之间采用金属隔墙的设计，增加隔离度以防止放大器自激。

公共电路由双向放大器、温度互补衰减器、功分器和多功能芯片组成。多功能芯片集成了数控衰减、移相、收发开关等射频器件，大大减少了组件中的芯片数量。温度互补衰减器用于调节收发器通道不同温度状态的增益。控制电路由电源电路、负电保护电路、波控电路和检测电路组成，使组件可以根据系统要求，实现收发切换、波束形成、状态检测的功能。

1.2 接收通道设计

在T/R 组件中，接收通道的主要指标是增益和噪声系数（NF）。NF 是影响系统的灵敏度的重要指标。接收通道前端的器件损耗对NF 有很大的影响，因此环行器和限幅器的损耗应尽可能小，前置放大器的增益应尽可能高[3]。

接收电路中各芯片的电气参数见表1。根据NF的公式，电路的噪声系数为2.41 dB，总增益为25.1 dB。

表1 接收通道的芯片指标

1.3 发射通道设计

发射通道的核心指标是发射功率和效率。为了满足发射功率（20 W）的要求，考虑到输出环行器、微带线和连接器造成的损耗，最后一级功率放大器采用GaN HEMT 功率放大器，饱和功率为27 W，X波段附加效率超过38%。作为第三代宽带隙半导体功率器件，GaN 功率放大器在高频、高功率、高效率和宽带应用方面具有明显的优势。使用MEMS 环行器做为天线端口的收发转换器件，与传统环形器相比，MEMS 环形器具有体积小、精度高、一致性好、批量生产好等优点。

1.4 负压保护和控制电路设计

功率放大器的栅极电源和漏极电源存在先后顺序，避免上电错误，导致功放烧坏，在T/R 组件内部设计负压保护电路。并且通过电源调制实现每个通道的独立电源通断控制，见图2。

图2 负压保护电路原理

组件的波控命令通过串行数据的方式实现，见图3，通道选择位通过2-4 译码器对4 通道的串转并的片选信号进行控制，来完成串行数据执行通道的选择，4 通道的幅相码通过同一根数据线路完成传输，这样可以大降低控制电路的复杂性。

图3 通道选择和串转并驱动器逻辑关系

1.5 电磁兼容设计

电磁兼容性（EMC）是T/R 模块重要的特性之一。T/R 模块中可能出现的电磁干扰问题主要包括控制电路与射频电路之间的串扰、收发电路之间的相互干扰、不同通道之间的相互耦合以及腔体本身的谐振干扰。一种电磁干扰会影响发射和接收信号的频谱纯度，严重影响模块的电气性能。

通过以下措施来减少上述电磁兼容问题的风险。首先，射频电路和控制电路分别分布在模块的上下两侧，通过金线键合的方式连接，这样可以有效减少RF电路和控制电路之间的串扰。其次，组件采用时分双工的模式，严格控制器件切换时间和切换时序，可以有效避免发送和接收电路切换引起的瞬时冲击引起的电磁干扰。第三，在通道之间设置金属隔墙，并将吸波材料附着在盖板上，解决通道间电磁干扰问题。最后，通过合理设计腔体结构可以避免由组件结构的谐振频率和工作频率一致引起的自激现象。

1.6 结构设计

T/R 模块主要由微波印制板、多层线路板、盖板等结构件组成。使用钼铜板做为射频前端芯片的基板，射频前端芯片包括功率放大器芯片，限幅器和低噪声放大器等核心器件。钼铜板的热膨胀系数与GaN 芯片非常匹配，可以最大化的保证射频前端芯片的性能。同时，采用基板的方式可以简化后续的组装过程，提升批产装配效率。整个结构以一体化的方式加工和成型。

2 关键技术

2.1 金丝键合仿真

金线和金带键合互连的模型可以用由串联电阻R、串联电感L、并联电容C1 和C2 组成的低通滤波网络来表示。在宽带电路中，特别是在高频电路中，金线键合造成的损耗非常高。如图4 所示，在仿真软件HFSS 中建立了3D 模型，并使用阶梯阻抗谐振器进行电路匹配。

图4 金线键合匹配模型

通过优化阶梯阻抗谐振器的参数，工作频带的驻波比（VSWR）从1.33 降低到1.039，见图5。

图5 金线键合驻波比

2.2 一分四功分器设计

为了提高通道的一致性和可靠性，应用威尔金森原理设计微带功分器。该功分器采用葫芦形布局，弧形匹配线可在有限的空间内实现宽带特性。隔离电阻分别为91 Ω 和270 Ω，见图6。

图6 一分四功分器仿真模型

经过参数优化，在8 GHz～12 GHz 范围五个端口的驻波均小于1.15，见图7，功分插损小于0.3 dB，且功分一致性较好，见图8。

图7 功分器个端口驻波比

图8 功分器插损仿真结果

3 组件实物及测试结果

本研究研制的T/R 组件，射频板采用RT/duroid 6 002，介电常数2.94,厚度0.254 mm。控制板采用6 层FR4板材,厚度为2 mm，实物见图9，尺寸为86×65×16 mm3。组件发射功率大于22 W，发射效率大于30%，噪声系数小于3 dB，其他指标见表2，满足系统要求。

图9 T/R 组件实物

表2 指标测试结果

4 组件实物及测试结果

本研究研制了一款高集成度、高性能的X 波段四通道T/R 组件，详细介绍了研制过程中的技术难点和常见问题，并使用HFSS 软件对金丝键合点进行了仿真优化，大大提高了T/R 组件的性能，仿真设计了X波段的一分四功分器。测试结果表明，该组件的指标满足多功能相控阵雷达的系统需求。