一种宽带多通道R组件的设计与实现

王心力

摘要：在宽带被动相控阵系统中，宽带接收组件对系统的性能有至关重要的影响。组件的噪声系数影响着面阵的灵敏度，组件的外形尺寸和重量决定着面阵的重量。文章设计了一种工作在6 GHz～18 GHz的宽带16通道接收组件，通过电磁仿真软件进行宽带匹配设计，并制作出了实物。该组件噪声系数小于4.5 dB，单通道增益44±2.5 dB，外形尺寸145.7 mm×65 mm×7.6 mm，重量163 g。

关键词：宽带；接收组件；相控阵

中图分类号：TN957.3文献标志码：A

0 引言

在宽带被动相控阵系统中，宽带接收组件对系统的性能有至关重要的影响［1］。组件的噪声系数影响有源面阵的灵敏度，组件的外形尺寸和重量决定有源面阵的重量。因此，相控阵系统对R组件的体积和指标有着极为苛刻的要求［2］。如何提高组件的性能、减小体积和重量、降低制造成本是组件设计不断追求的目标。

本文设计了一款工作在6 GHz～18 GHz的16通道宽带接收组件，介绍了其工作原理和设计过程，并制作出组件实物。组件具有小型化和轻量化的特点，可以满足实际使用需求。

1 接收组件工作原理简介

本文设计的16通道宽带接收组件工作于6 GHz～18 GHz，主要由带通滤波器、限幅器、低噪声放大器、功分器、固定衰减器、均衡器、数控衰减器、驱动放大器、电源稳压电路组成。与组件互联的天线单元在俯仰方向为宽波束覆盖，不进行扫描。因此从成本角度考虑，每个通道没有设计移相器。射频电路的原理如图1所示。

6 GHz～18 GHz微波信号经天线进入组件，首先通过预选滤波器对带外干扰进行抑制，再经过限幅器对微波信号限幅，限幅器抗烧毁功率5W（连续波）。随后信号进入低噪声放大器进行放大、再通过功分器将十六路信号列向合成。十六路合成通过二功分器芯片逐级合成。由于宽带功分器在高频段插损增大，通过4次合成级联之后插损在高频段下降明显，因此在电路中设计反斜率均衡减小带内起伏。经均衡后的信号最后通过两级放大后功分两路输出。在两级放大之间加入数控衰减器进行增益控制。数控衰减器为6位，步进0.5 dB。

链路增益分配和指标计算如图2所示。整个链路理论噪声系数3.7 dB，增益44.1 dB，输出P1dB为17 dBm。

2 组件设计

2.1 R组件场路仿真设计

超宽带接收组件的工作频率为6 GHz～18 GHz，为了保证各芯片级联之后的性能，需要做好多级芯片之间的宽带匹配。单通道的宽带匹配性能对整个电路性能影响最大。利用HFSS高频仿真软件对单个通道的射频电路建模，进行电磁场仿真并提取各段微带线的S参数。随后在ADS软件中建立电路模型，将HFSS提取到的微带线S参数和各芯片的S参数级联起来进行电路仿真，得到单通道的S参数曲线。最后，在ADS中将单通道S参数以及功分器、数控衰减器、放大器等芯片参数带入并进行级联电路仿真。

HFSS单通道模型如图3所示，第一级为带通滤波器，第二级为限幅器，第三级为低噪声放大器。3种芯片之间的微带线参数（线宽和线长）为变量，通过调整参数可达到最优的宽带匹配。

在ADS软件中建立完整的电路模型，将芯片的S2P文件和HFSS仿真得到的微带线SNP文件带入模型，进行电路级联仿真。ADS电路模型如图4所示。

优化后的最终电路级联仿真结果如图5所示。电路单通道增益44±2 dB，输入回波损耗全频段小于10 dB，输出回波损耗小于15 dB，仿真结果可以满足指标要求。

2.2 PCB设计

由于组件的工作频带较宽，工作频率高，在设计PCB时需要考虑电磁兼容性［3］。PCB设计应保证良好的接地，降低寄生效应对射频电路性能的影响［3］。印制板选用射频板材ROGERS 3003C，板厚0.254mm，介电常数3.0。

组件包含16个独立的接收通道，从印制板的可加工性考虑，将射频电路分为3块印制板。合理的印制板长宽比例，可以降低制板難度，减少形变，提高印制板成品率。PCB板图如图6所示。

2.3 结构设计

组件内选用的微波芯片为GaAs裸芯片，采用微组装工艺进行印制板和芯片装配。结构件包括上盖板、内盖板、壳体、下盖板。壳体内部腔体按照仿真参数设计，内腔镀金。印制板包括3块微波板和1块电源板，3块微波板烧焊在壳体内部，电源板烧焊在壳体背面。电源板上的供电及控制信号通过金丝穿过壳体的通孔键合到微波印制板上。上盖板和下盖板通过激光封焊到壳体上，保证气密。在上盖板下方设计内盖板，通过螺钉固定，方便调试和维修。在组件外形中设计导向销和安装螺钉，便于组件安装到面阵框架内。结构如图7所示。接收组件的外形尺寸（不包含导向销）为145.7mm ×65mm×7.6mm（L×W×H），预估重量150g。

3 测试验证

依据微组装工艺流程，装配组件并进行调试和测试。宽带接收组件打开盖板后的正面俯视图如图8所示，调试过程中在内盖板贴吸波材料，组件重量163g。

组件单通道增益测试结果（S21）如图9所示。S21和S11实测曲线与仿真曲线趋势基本吻合。在高频部分实测增益有略微的下降，这是微带线损耗以及高频段驻波恶化引起的。装配过程产生的寄生参数也影响了高频段的驻波。

组件噪声系数测试结果如图10所示，全频段噪声系数小于4.5 dB。16 GHz和17 GHz两个点的噪声系数实测值偏大，这是输入驻波偏大引起的，其余频率噪声系数小于4 dB。

4 结语

本文设计了一款用于被动相控阵系统的宽带接收组件，介绍了具体设计方法，并进行了实物测试验证。该组件噪声系数低于4.5 dB，单通道增益44 dB，带内起伏±2.5 dB，满足设计预期。组件外形尺寸145.7mm×65mm×7.6mm（L×W×H），重量163g，具有低成本、体积小和重量轻的特点。

参考文献

［1］余雷，吴昌勇，揭海，等.宽带瓦片式T/R组件的设计与实现［J］.电子信息对抗技术，2020（1）：68-71.

［2］肖勇，邓勇.一种新型瓦片式多通道R组件的设计［J］.电子信息对抗技术，2019（5）：82-87.

［3］张帅，杨志保，吴天阳，等.基于复合基板微波电路设计的小型化TR组件［J］.电子与封装，2020（3）：12-14.

（编辑 李春燕）