Ka波段多通道發(fā)射組件的設計

劉曉莉，郝金中

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

Ka波段多通道發(fā)射組件的設計

劉曉莉，郝金中

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

摘要：衛(wèi)星通信雷達工作頻率越高,信道容量越大，通信的抗干擾性越強。采用印制電路板(PCB)多層布線技術設計了一款Ka波段十六通道高集成度發(fā)射組件，應用于衛(wèi)星通信雷達中，既滿足信道容量的要求，又適應了雷達對小型化、輕量化的要求。發(fā)射組件每個通道均有6位數(shù)控移相衰減器，移相誤差<5°(RMS)，衰減誤差<±(0.3+10%Aspan)，組件線性增益>25 dB，輸出飽和功率>25 dBm，尺寸為60 mm×80 mm×4.8 mm。

關鍵詞：有源相控陣雷達；Ka波段；小型化；發(fā)射組件

0引言

有源相控陣天線廣泛應用在雷達、通信、電子對抗等系統(tǒng)中。隨著無線通信技術的發(fā)展，低頻段的頻譜已經(jīng)越來越擁擠，對高質(zhì)量大容量無線通信設備的需求，使得通信頻率不斷提高，推動了毫米波通信的產(chǎn)生。毫米波通信具有信道容量大,通信設備體積小、重量輕,天線波束窄、方向性好等優(yōu)點[1]。 實現(xiàn)該頻段的高性能收發(fā)信機是實現(xiàn)該頻段通信的首要問題。

本文設計了一款Ka波段多通道發(fā)射組件，采用印制電路板(PCB)多層布線技術將16個發(fā)射通道、功分網(wǎng)絡及電源控制電路集成在一個組件內(nèi)，通過采取合理的結構布局及多芯片微組裝工藝實現(xiàn)了組件的高可靠性及小型化。

1工作原理

組件包括16個發(fā)射通道、一分十六功分網(wǎng)絡、波束控制電路和電源控制電路。每個發(fā)射通道都包含6位數(shù)控移相衰減器、推動放大器和末級功率放大器，一分十六功分網(wǎng)絡由4級一分二功分器組成，波束控制電路主要是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù),分別控制移相衰減，電源控制電路包含負壓保護電路和放大器加電控制。在組件輸入端口公共支路加一級放大器，可以提高整個組件的增益，減小功耗。組件的原理框圖如圖1所示。

圖1　原理框圖

2組件設計

2.1　多層PCB設計

由于組件通道數(shù)多，每個通道的移相衰減均需要通過串并轉(zhuǎn)換來控制，放大器也需要電源控制電路來加電，另外通道的選擇需要通過4-16譯碼器來實現(xiàn)，走線復雜，因此組件采用PCB多層布線技術來實現(xiàn)如此復雜的走線控制。一般PCB多層板的結構是由1塊或是多塊雙面板做內(nèi)層，2塊單面板做外層,附在內(nèi)層的上下兩面構成。通過定位系統(tǒng)與由樹脂和增強材料構成的粘合片交替在一起，導電圖形按照設計要求進行電氣互連。它主要是使用刻蝕和印制法制作銅導線，鉆出通孔、盲孔及埋孔并用銅進行金屬化。層與層之間的電氣互連則一般通過金屬化的通孔來實現(xiàn)，其具有工期短、成本低等優(yōu)勢[2]。

這里選用3張環(huán)氧板進行壓合，形成5層PCB面板，成型后厚度大約在0.8 mm左右。信號層分配為：第1層(toplayer)放置芯片和貼裝器件;第2、3層(midlayer1、midlayer2)走邏輯控制線，走線避免走長平行線，引出端加旁路電容，防止干擾;第4層(midlayer3)走電源線，電源線要適當加粗，減小壓降;第5層(bottomlayer)為地，保證微波信號地

的連續(xù)性。PCB板剖面圖如圖2所示,實物圖如圖3所示。

圖2　PCB板剖面圖

圖3　PCB板實物圖

微波板選用RT5880，厚度為0.254 mm，環(huán)氧板和微波板通過燒結工藝燒結在一起。微波板的參考地一種是通過就近通孔共地，另一種是采用印制板金屬包邊共地[3]，如圖4所示。

圖4　微波板參考地實現(xiàn)方式

2.2　結構設計

組件采用多芯片組裝形式實現(xiàn)，基于可靠性和密封性要求，電路封裝于金屬殼體中，形成微波腔體結構。微波腔體為矩形，相當于一節(jié)矩形波導[4]，為防止微波輻射在腔體內(nèi)傳播，工作頻率要小于最低截止頻率：

f

(1)

式中:c為光速,c=3×108m/s;a為矩形波導寬邊尺寸,單位為m。

該組件最高工作頻率為31 GHz，由式(1)算得a=4.8 mm，因此組件的厚度和天線間距為4.8 mm。

單通道微波器件分布如圖5所示。為了減小通道間的干擾，每個通道間加隔離墻，隔墻還可以防止盒體變形。低頻器件和微波器件分區(qū)放置，防止低頻信號和微波信號的串擾。功放芯片通過載體直接燒焊在盒體上，一方面可以良好地散熱，另一方面微波地為實地,保證了微波信號的正常傳輸。盒體材料為鋁，需要燒焊的地方局部鍍金，增強接頭及環(huán)氧板與燒焊劑的相容性。盒蓋采用激光封焊的形式，保證組件的密封性。

圖5　器件分布圖

2.3　幅度均衡網(wǎng)絡設計

通道內(nèi)多級放大器級聯(lián)，由于微波傳輸不連續(xù)性以及末級功放自身線性增益差等原因造成組件每個通道的線性增益平坦度大于4 dB，所以在組件的公共端加入幅度均衡網(wǎng)絡來改善通道的線性增益。本文采用基于陶瓷基片的薄膜電阻加載的λ/4開路型諧振器來實現(xiàn)。

根據(jù)經(jīng)典的傳輸線理論，一段終端短路或開路傳輸線，其輸入阻抗和輸入導納為：

(2)

(3)

隨著長度的變化，短截線可以表現(xiàn)為感性、并聯(lián)諧振、容性和串聯(lián)諧振等特性。電路原理如圖6所示。調(diào)節(jié)加載電阻R值可以控制Q值，而控制微帶短截線的長度可以控制枝節(jié)的諧振頻率，寬度可以對諧振頻率和Q值進行微調(diào)。仿真模型和仿真結果如圖7所示，利用單枝節(jié)均衡器，在2 GHz帶寬內(nèi)可補償3.5 dB左右。

圖6　均衡器原理圖

圖7　均衡器仿真模型和仿真結果

2.4　工藝設計

組件中使用的元器件有硅材料芯片、砷化鎵芯片，并且還有大量的貼裝元件及貼片電容、電阻。因此，選擇合適的裝配工藝，設置好合適的裝配溫度梯度，成為裝配成功與否的關鍵[5]。在選擇裝配工藝流程中，要充分考慮到裝配工藝的可行性、簡單性，同時也要充分考慮到組件在日后維修的方便性。工藝流程如圖8所示。

圖8　工藝流程

3測試結果

組件成品圖如圖9所示。

圖9　組件成品圖

組件最終實現(xiàn)了工作頻帶內(nèi)的穩(wěn)定傳輸，發(fā)射增益曲線平坦，沒有出現(xiàn)尖峰或凹坑。最終測試[6]指標如表1所示，主要技術指標均滿足設計要求，移相精度和衰減精度比同類產(chǎn)品高。其中3階交調(diào)指標不是很理想，主要因為功放芯片的3階交調(diào)指標差，在日后的工作中要改進芯片的3階交調(diào)性能。

4結束語

本文設計了Ka波段多通道發(fā)射組件，通過采用PCB多層布線技術及合理的結構布局,實現(xiàn)了高頻發(fā)射組件多通道的高集成度和電路的高穩(wěn)定度，大大減小了組件體積，而且PCB板具有周期短、價格低的優(yōu)點，適應了雷達低成本的要求。

表1　組件測試指標

參考文獻

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[4]廖原,馮恩信.小型化高增益微波發(fā)射組件電磁兼容設計[J].火控雷達技術,2011,40(2):57-60.

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[6]吳俠儀,倪江.一種基于GPIB總線的TR組件測試系統(tǒng)的設計[J].計算機測量與控制,2007,15(5):582- 585.

Design of Ka-band Multi-channel Transmitting Module

LIU Xiao-li，HAO Jin-zhong

(The 13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang 050051,China)

Abstract:The higher working frequency of satellite communication radar，the larger channel capacity,the better anti-jamming capability of communication.This paper designed a Ka-band(29～31 GHz)16-channel transmitting module with high integration degree by means of multilayer wiring technique in printed circuit board (PCB),and the module is applied to satellite communication radar，which not only satisfies the demands of channel capacity,but also adapts the requirement of minimization and light for radars.Each channel of transmitting module includes 6 bit digital-control phase-shift attenuator,and the phase-shift error<5°(RMS),attenuation error<±(0.3+10%Aspan),linear gain of module is more than 25 dB,output saturated power>25 dBm,dimension is 60 mm×80 mm×4.8 mm．

Key words:active phased array radar；Ka-band；minimization；transmitting module

收稿日期:2015-03-18

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.027

中圖分類號：TN820.1

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0099-04