一種X 波段高性能多通道T/R 組件的設計

張立

(西安導航技術研究所，陜西 西安 710068)

引言

隨著有源相控陣在雷達中的廣泛應用，T/R 組件變得越來越重要。作為有源相控陣雷達的核心部件，T/R 組件的性能和功能將極大地影響雷達的探測精度、反應時間、探測范圍和可靠性[1-2]。在多功能雷達的集成設計中，高效率、小型化、高性能T/R 組件的研制是非常關鍵的工作之一。

本研究設計了一款X 波段小型化四通道T/R 組件，該組件具有接收通道低噪聲接收、發(fā)射通道功率放大、移相衰減等功能。采用微組裝工藝提高T/R 組件的集成度，通過微調(diào)微帶分支，優(yōu)化不同通道間的幅相一致性，實測數(shù)據(jù)表明該T/R 組件具有低噪聲、大功率、小型化、高可靠性等特點。

1 電路設計

1.1 總體方案設計

本組件由接收電路、發(fā)射電路、公共電路和控制電路組成，集成四個收發(fā)通道，采用收發(fā)分時工作模式，原理框圖見圖1。

圖1 接收通X 波段T/R 組件原理框

接收電路的主要功能是將射頻信號低噪聲接收并放大，由限幅器和低噪聲放大器組成。在接收電路中，限幅器防止組件因接收信號過大而燒毀，低噪聲放大器確保接收通道的增益和噪聲系數(shù)滿足系統(tǒng)要求。發(fā)射電路主要完成激勵信號的傳輸功率放大的功能，由驅動放大器、功率放大器和耦合器組成。在發(fā)射電路中，功率放大器保證組件的發(fā)射功率滿足指標的要求，輸出功率通過耦合器耦合到檢測器，從而檢測發(fā)射功率是否正常。為保證功率放大器可以穩(wěn)定工作，通道之間和發(fā)射鏈路放大器之間采用金屬隔墻的設計，增加隔離度以防止放大器自激。

公共電路由雙向放大器、溫度互補衰減器、功分器和多功能芯片組成。多功能芯片集成了數(shù)控衰減、移相、收發(fā)開關等射頻器件，大大減少了組件中的芯片數(shù)量。溫度互補衰減器用于調(diào)節(jié)收發(fā)器通道不同溫度狀態(tài)的增益。控制電路由電源電路、負電保護電路、波控電路和檢測電路組成，使組件可以根據(jù)系統(tǒng)要求，實現(xiàn)收發(fā)切換、波束形成、狀態(tài)檢測的功能。

1.2 接收通道設計

在T/R 組件中，接收通道的主要指標是增益和噪聲系數(shù)（NF）。NF 是影響系統(tǒng)的靈敏度的重要指標。接收通道前端的器件損耗對NF 有很大的影響，因此環(huán)行器和限幅器的損耗應盡可能小，前置放大器的增益應盡可能高[3]。

接收電路中各芯片的電氣參數(shù)見表1。根據(jù)NF的公式，電路的噪聲系數(shù)為2.41 dB，總增益為25.1 dB。

表1 接收通道的芯片指標

1.3 發(fā)射通道設計

發(fā)射通道的核心指標是發(fā)射功率和效率。為了滿足發(fā)射功率（20 W）的要求，考慮到輸出環(huán)行器、微帶線和連接器造成的損耗，最后一級功率放大器采用GaN HEMT 功率放大器，飽和功率為27 W，X波段附加效率超過38%。作為第三代寬帶隙半導體功率器件，GaN 功率放大器在高頻、高功率、高效率和寬帶應用方面具有明顯的優(yōu)勢。使用MEMS 環(huán)行器做為天線端口的收發(fā)轉換器件，與傳統(tǒng)環(huán)形器相比，MEMS 環(huán)形器具有體積小、精度高、一致性好、批量生產(chǎn)好等優(yōu)點。

1.4 負壓保護和控制電路設計

功率放大器的柵極電源和漏極電源存在先后順序，避免上電錯誤，導致功放燒壞，在T/R 組件內(nèi)部設計負壓保護電路。并且通過電源調(diào)制實現(xiàn)每個通道的獨立電源通斷控制，見圖2。

圖2 負壓保護電路原理

組件的波控命令通過串行數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)，見圖3，通道選擇位通過2-4 譯碼器對4 通道的串轉并的片選信號進行控制，來完成串行數(shù)據(jù)執(zhí)行通道的選擇，4 通道的幅相碼通過同一根數(shù)據(jù)線路完成傳輸，這樣可以大降低控制電路的復雜性。

圖3 通道選擇和串轉并驅動器邏輯關系

1.5 電磁兼容設計

電磁兼容性（EMC）是T/R 模塊重要的特性之一。T/R 模塊中可能出現(xiàn)的電磁干擾問題主要包括控制電路與射頻電路之間的串擾、收發(fā)電路之間的相互干擾、不同通道之間的相互耦合以及腔體本身的諧振干擾。一種電磁干擾會影響發(fā)射和接收信號的頻譜純度，嚴重影響模塊的電氣性能。

通過以下措施來減少上述電磁兼容問題的風險。首先，射頻電路和控制電路分別分布在模塊的上下兩側，通過金線鍵合的方式連接，這樣可以有效減少RF電路和控制電路之間的串擾。其次，組件采用時分雙工的模式，嚴格控制器件切換時間和切換時序，可以有效避免發(fā)送和接收電路切換引起的瞬時沖擊引起的電磁干擾。第三，在通道之間設置金屬隔墻，并將吸波材料附著在蓋板上，解決通道間電磁干擾問題。最后，通過合理設計腔體結構可以避免由組件結構的諧振頻率和工作頻率一致引起的自激現(xiàn)象。

1.6 結構設計

T/R 模塊主要由微波印制板、多層線路板、蓋板等結構件組成。使用鉬銅板做為射頻前端芯片的基板，射頻前端芯片包括功率放大器芯片，限幅器和低噪聲放大器等核心器件。鉬銅板的熱膨脹系數(shù)與GaN 芯片非常匹配，可以最大化的保證射頻前端芯片的性能。同時，采用基板的方式可以簡化后續(xù)的組裝過程，提升批產(chǎn)裝配效率。整個結構以一體化的方式加工和成型。

2 關鍵技術

2.1 金絲鍵合仿真

金線和金帶鍵合互連的模型可以用由串聯(lián)電阻R、串聯(lián)電感L、并聯(lián)電容C1 和C2 組成的低通濾波網(wǎng)絡來表示。在寬帶電路中，特別是在高頻電路中，金線鍵合造成的損耗非常高。如圖4 所示，在仿真軟件HFSS 中建立了3D 模型，并使用階梯阻抗諧振器進行電路匹配。

圖4 金線鍵合匹配模型

通過優(yōu)化階梯阻抗諧振器的參數(shù)，工作頻帶的駐波比（VSWR）從1.33 降低到1.039，見圖5。

圖5 金線鍵合駐波比

2.2 一分四功分器設計

為了提高通道的一致性和可靠性，應用威爾金森原理設計微帶功分器。該功分器采用葫蘆形布局，弧形匹配線可在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)寬帶特性。隔離電阻分別為91 Ω 和270 Ω，見圖6。

圖6 一分四功分器仿真模型

經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，在8 GHz～12 GHz 范圍五個端口的駐波均小于1.15，見圖7，功分插損小于0.3 dB，且功分一致性較好，見圖8。

圖7 功分器個端口駐波比

圖8 功分器插損仿真結果

3 組件實物及測試結果

本研究研制的T/R 組件，射頻板采用RT/duroid 6 002，介電常數(shù)2.94,厚度0.254 mm?？刂瓢宀捎? 層FR4板材,厚度為2 mm，實物見圖9，尺寸為86×65×16 mm3。組件發(fā)射功率大于22 W，發(fā)射效率大于30%，噪聲系數(shù)小于3 dB，其他指標見表2，滿足系統(tǒng)要求。

圖9 T/R 組件實物

表2 指標測試結果

4 組件實物及測試結果

本研究研制了一款高集成度、高性能的X 波段四通道T/R 組件，詳細介紹了研制過程中的技術難點和常見問題，并使用HFSS 軟件對金絲鍵合點進行了仿真優(yōu)化，大大提高了T/R 組件的性能，仿真設計了X波段的一分四功分器。測試結果表明，該組件的指標滿足多功能相控陣雷達的系統(tǒng)需求。