X波段双波束多通道收发组件设计

王树庆, 唐 涛, 邹 林, 雍 政

(1.四川斯艾普电子科技有限公司,四川 成都 610051;2.成都信息工程大学电子工程学院,四川 成都 610225;3.电子科技大学电子科学与工程学院,四川 成都 611731)

0 引言

T/R 组件广泛应用于有源相控阵雷达及通信系统中,其作用是将输入的发射信号经过功分、移相、放大再馈至天线发射出去,经过空间合成后形成特定的波束特性。接收时刚好相反,将天线接收的信号经过低噪放放大、移相,然后功率合成。其指标对系统的性能有直接的影响,功率和噪声影响系统的最大作用距离,移相精度影响系统的波束指向误差,电源调制时间则影响系统的最小作用距离,具有较高的研究价值。

本文设计的T/R 组件为双波束多通道架构,可以实现两个发射波束纳秒级别的快速切换,而接收则设计成两个独立的波束,在系统应用中不会丢失需要接收的信息,既满足了功能要求,又节省了成本。

1 工作原理

双波束T/R 组件是双波束相控阵天线中的重要组成部分,其完成两个发射波束信号的分时移相放大和两个接收波束信号的同时放大移相衰减。该组件每个通道包含用于收发信号分离的环形隔离器组件及限幅放大芯片、接收两路移相衰减芯片、发射移相芯片、串并转换芯片、功率放大芯片、电源调制芯片。发射时激励信号从馈电网络输入,功分成8 路后分别进入每个通道的移相器,移相后放大再经环形器输出到天线；该移相器搭配串并转换电路,串并转换电路可以预先存储两套移相码,根据控制信号两套移相码可以快速切换,每套移相码对应一个波束,因此发射可以完成两个波束的快速切换。

接收时两个波束的回波信号可以同时进入组件,放大后功分两路分别进行移相衰减,然后8 路相同波束的信号进行合成,最后形成两个独立的波束输出,其工作原理如图1 所示。

图1 双波束TR 组件原理框图

2 电路设计

2.1 发射通道设计

天线口的收发切换器件可以使用开关或者环形器,相控阵天线在大扫描时有源驻波较大,如果使用开关,可能会引起功放不稳定或者输出功率降低。在T/R 组件中,环形器一般会搭配隔离器组件,或者在接收支路搭配吸收式限幅放大,使功率输出端形成良好的匹配。

组件中功放后级的无源插损对T/R 组件非常重要,该损耗将直接减少系统的输出功率和效率,增加功耗和发热,因此设计时应对这部分电路进行优化。功放后级器件主要是环形器,带状线环形器通常比微带环形器插损小、功率容量高,但其体积更大。由于组件体积小,并且需要使用环形隔离组件,因此本文选择使用微带环形器,该微带环形器在X 波段插损为0.5 dB。环形器由于结构特点,通常使用焊料烧结在壳体上。多通道设计中电路部分使用多层板设计具有显著的优势,因此需要解决多层板微带线到环形器的过渡问题。同时发射使用超小型推入式射频同轴连接器SMP 从组件底面输出,该垂直过渡需要专门仿真优化,避免出现驻波大甚至谐振问题。垂直过渡模型如图2 所示,仿真结果如图3 所示,其电压驻波比在8 ～12 GHz频带范围内小于1.2,满足使用要求。

图2 垂直过渡仿真模型

图3 垂直过渡仿真结果

组件单通道输出功率需要达到2 W,由于该频段微带环形器的插损为0.5 dB,连接器损耗、线损及失配损耗为0.3 dB,因此功放输出功率需要大于2.5 W,该功率量级使用GaAs 芯片即可。发射移相器需要在两个波束间快速切换,使用27 位串并转换芯片,具有二选一开关功能及上电控制位,可以预存两组移相码,配合电源调制芯片可以对每个通道进行独立上下电,发射串并转换芯片框图如图4 所示。

图4 发射串并转换芯片框图

2.2 接收通道设计

接收通道主要完成信号的低噪声放大及移相衰减。由于前端使用了环形器,天线阻抗失配时反射信号较大,为了保护低噪放,在低噪放前加入限幅器。接收有两个波束,放大后功分为两路分别移相衰减,常规移相衰减器体积大,由于通道间距受限,选择使用两通道的幅相多功能芯片,该芯片集成两个通道的移相衰减和串转并,简化了电路设计,其原理框图如图5 所示。

图5 接收双通道幅相多功能芯片原理框图

2.3 馈电网络设计

该组件有两个波束,接收时两个波束同时工作,因此需要两套独立的8 合1 合成网络；而发射为分时双波束,可以使用同一个套网络,因此需要三套网络。但是三套网络在电路布局难度较大,且增加成本,由于收发分时工作,因此考虑将其中一套接收网络与发射共用,通过开关切换,简化设计。

2.4 保护电路设计

保护电路单元有接收限幅保护和发射负电、掉电保护和超温保护三部分。

(1)限幅保护电路

由于发射通道多,在测试时可能存在误操作,功放打开时输出端没有负载,引起信号全反射到接收支路,而且波束扫描时天线驻波增加也会引起强反射,反射信号对放大器造成损伤。因此在放大器前设置限幅器,使大信号经过限幅器后被限制在低噪放可以承受的功率电平以下。

(2)负电、掉电保护电路

栅极电压需要保持在一定的范围内功放才能安全工作,由于误操作或者负电开路导致在栅压没有加上的情况下打开功放漏压,会引起功放烧坏。因此在电路设计了负电、掉电保护电路,对负电进行检测。当负电电压超出安全范围时,检测电路输出低电平,该检测信号与电源调制相与,使功放漏极电压不被打开。

(3)超温保护电路

使用温度检测电路对组件壳体温度进行采集,并反馈至整机控制电路,当温度超出安全范围时,控制电路将电源调制信号置低,关闭功放和低噪放,组件不再发热,温度降到安全范围时,继续工作。

2.5 电路布局

电路使用射频多层板设计,如图6 所示。元器件及主要射频走线布置在顶层,其中一个波束的网络布局在底层,避免微带线交叉,提高隔离度；通道间使用隔条进行隔离,控制线及电源线设计在中间层,通过地层进行隔离,组件电路布局如图7 所示。

图6 多层板叠层示意图

图7 组件电路布局图

3 加工与测试

组件射频接口使用SMP,控制和电源接口使用联排绝缘子,用锡银铜合金焊料将多层板和连接器烧结在封装腔体上,环形隔离组件使用铅锡合金焊料烧结在腔体内,芯片则采用导电胶粘接在多层板上。芯片压焊点与多层板间使用金丝和金带键合,实物样品如图8 所示。

图8 组件实物照片

对T/R 组件进行测试,如图9 和图10 所示,输出功率达到33 dBm以上,噪声系数小于3.2 dB。另外测试显示,通道隔离度大于45 dB。

图9 输出功率测试曲线

图10 噪声系数测试曲线

图11 通道隔离度测试曲线

4 结论

设计了一种X 波段双波束多通道T/R 组件,设计过程中优化了原理图,将其中一套接收网络与发射共用,通过开关切换,降低了电路复杂度。使用微组装工艺,最终加工的样品组件输出功率＞33 dBm,噪声系数＜3.2 dB,通道隔离度＞45 dB。整个组件在一张多层板上完成设计,减小了装配难度,提高了一致性,具有较高的工程应用价值。