一種緊湊型Ka波段八通道T/R組件的設(shè)計

張生春 廖 原 雷國忠 李 寧 華根瑞 楊 莉 康 穎 楊 春

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

現(xiàn)代有源相控陣雷達的快速發(fā)展對T/R組件的電性能、體積、重量等提出了越來越高的要求。尤其是Ka頻段相控陣雷達，由于工作波長為8mm，T/R組件的體積、重量受到嚴格的限制[1-4]。多芯片組件(Multi-chip Module,MCM)工藝為實現(xiàn)Ka波段雷達所需的多功能、高密度和小型化T/R組件提供了技術(shù)保證[5]。LTCC技術(shù)和微波多層混壓板集成技術(shù)提供了比傳統(tǒng)的混裝組件集成技術(shù)更加靈活的設(shè)計方式，多層基板結(jié)構(gòu)可以將微波傳輸、邏輯控制、電源等多種混合信號分層設(shè)計，將它們集成設(shè)計在同一印制板中，是實現(xiàn)高集成T/R組件的一種理想的集成設(shè)計技術(shù)[6-7]。相比于LTCC基板，微波混壓板的加工成本更低，加工周期更短，通用性更強。將多層混壓板集成技術(shù)應(yīng)用于Ka波段T/R組件中可提升T/R組件的集成度和通道一致性。

本文提出一種基于多層混壓板集成組件技術(shù)和MCM工藝的Ka波段八通道T/R組件，與傳統(tǒng)T/R組件相比具有體積小、集成度高、通道一致性好的特點，適用于多種多功能Ka波段相控陣雷達。

1 T/R組件工作原理

T/R組件工作原理如圖1所示。T/R組件主要由8個收發(fā)通道、1分8功分網(wǎng)絡(luò)、前級雙向放大器和電源調(diào)制及控制電路組成。每個收發(fā)通道由PIN開關(guān)、功率放大器、限幅器、低噪聲放大器、收發(fā)多功能放大器和數(shù)控移相衰減多功能芯片組成。

圖1 T/R組件工作原理框圖

發(fā)射工作時，發(fā)射輸入信號經(jīng)前級雙向放大器驅(qū)動后功分為8路，進入每個收發(fā)通道。數(shù)控移相衰減多功能芯片完成發(fā)射信號移相控制，收發(fā)多功能放大器完成信號驅(qū)動放大，功率放大器將信號飽和放大后經(jīng)PIN開關(guān)后輸出。

接收工作時，接收信號經(jīng)PIN開關(guān)和限幅器后由低噪聲放大器放大后，再經(jīng)進入收發(fā)多功能放大器和數(shù)控移相衰減多功能芯片，收發(fā)多功能放大器完成接收信號第2級放大，數(shù)控移相衰減多功能芯片完成接收信號相位控制和幅度控制，最后經(jīng)1分8功分網(wǎng)絡(luò)合成后再經(jīng)雙向放大器放大后輸出。

T/R組件的激勵信號與接收信號是分時的，在Ka波段T/R組件內(nèi)部通過4組開關(guān)實現(xiàn)激勵/接收信號與發(fā)射通道/接收通道間的切換。T/R組件的收發(fā)脈沖控制信號分別對發(fā)射和接收放大器進行電源調(diào)制。

T/R組件通過將輸入的串口信號轉(zhuǎn)換為并口信號控制每個通道的移相器和衰減器，實現(xiàn)通道移相和幅度控制功能。串口數(shù)據(jù)信號8路共用，通過地址片選信號位進行通道選擇后輸入到串并轉(zhuǎn)換芯片，再通過鎖存脈沖信號執(zhí)行幅相控制指令信息。

2 T/R組件詳細設(shè)計

2.1 T/R組件組成構(gòu)架

T/R組件應(yīng)用于一維Ka波段相控陣雷達，陣列單元排布為兩排線陣。T/R組件通道間距5mm，輸入輸出口均為波導(dǎo)口，采用磚塊方式進行設(shè)計。

裸芯片全部采用微組裝工藝封裝在核心收發(fā)模塊內(nèi)，射頻信號通過射頻絕緣子和微帶相接，再通過微帶E面探針轉(zhuǎn)為波導(dǎo)接口，波導(dǎo)接口采用6mm×2mm。T/R組件波導(dǎo)接口在上表面，下表面為散熱面。T/R組件內(nèi)部剖面如圖2所示。

圖2 T/R組件內(nèi)部剖面圖

2.2 發(fā)射通道設(shè)計

由圖1所示，發(fā)射通道由三級放大器、收發(fā)開關(guān)、數(shù)控移相衰減多功能芯片、功分網(wǎng)絡(luò)組成。末級開關(guān)采用高功率反射式PIN開關(guān)，典型插入損耗0.6～0.8dB。功率放大器采用GaAs功放芯片，飽和輸出功率30.5dBm，效率30%。數(shù)控移相衰減多功能集成衰減器和移相器，實現(xiàn)發(fā)射移相和高低溫增益調(diào)節(jié)。雙向放大器和收發(fā)多功能放大器完成兩級前級驅(qū)動放大。

T/R組件發(fā)射鏈路功率增益預(yù)算如表1所示。

表1 T/R組件發(fā)射鏈路預(yù)算表

輸入信號(0～4dBm)，經(jīng)輸入波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換、2dB衰減器后，可將前級雙向放大器推至飽和輸出(22dBm)，再經(jīng)功分網(wǎng)絡(luò)、數(shù)控移相衰減多功能芯片后，可將收發(fā)多功能放大器推至飽和輸出(13dBm)，再經(jīng)衰減器后，可將功率放大器推動到飽和輸出(Pout=30～31dBm)。最后經(jīng)過PIN開關(guān)(-0.7dB)和波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換(-0.3dB)后輸出，輸出功率Pout=29～30dBm。

2.3 接收通道設(shè)計

由圖1所示，接收通道由PIN開關(guān)、低噪聲放大器、收發(fā)多功能放大器、數(shù)控移相衰減多功能芯片、功率合成網(wǎng)絡(luò)、雙向放大器組成。低噪聲放大器采用GaAs芯片，噪聲系數(shù)2.0dB，增益22dB。數(shù)控移相衰減多功能集成衰減器和移相器，實現(xiàn)接收移相和增益控制。雙向放大器和收發(fā)多功能放大器完成兩級后級增益放大。

T/R組件接收鏈路預(yù)算如表2所示。

定義接收F為T/R組件接收通道噪聲系數(shù)，則計算組件接收通道噪聲系數(shù)為

F=10×lg2.64=4.21 dB

經(jīng)計算T/R組件噪聲系數(shù)4.21dB，單通道接收增益為22.5dB，八通道合成增益為31.5dB。接收通道增益壓縮1dB時的輸入功率為-25dBm。

2.4 關(guān)鍵電路的設(shè)計仿真

在T/R組件設(shè)計過程中，通常采用理論分析和微波仿真軟件的建模仿真相結(jié)合的方法。采用三維電磁仿真軟件有Ansoft HFSS可對組件中的電磁場進行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計，可以有效地加速組件的設(shè)計過程。本小節(jié)的內(nèi)容主要是利用仿真軟件對T/R組件設(shè)計中的關(guān)鍵的無源傳輸電路進行分析和仿真。

2.4.1 陣列波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換優(yōu)化仿真

設(shè)計中，對輸入輸出波導(dǎo)端口微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換電路進行了基于HFSS仿真設(shè)計。輸出微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換電路仿真模型和仿真結(jié)果如圖3所示，波導(dǎo)口尺寸為6mm×2mm。在工作頻率范圍內(nèi)，插損小于0.04dB，駐波小于1.08。

圖3 微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換仿真模型和仿真結(jié)果

2.4.2 Ka波段絕緣子過渡技術(shù)

由圖2可見，T/R組件裸芯片全部封裝在核心收發(fā)模塊內(nèi)，射頻信號通過射頻絕緣子過渡出來，再通過外部微帶E面探針轉(zhuǎn)為波導(dǎo)接口。

微帶-同軸-微帶轉(zhuǎn)換模型仿真模型和仿真結(jié)果如圖4所示。絕緣子兩側(cè)過渡均采用兩次空氣環(huán)進行過渡，在工作頻率范圍內(nèi)，插損小于0.04dB，駐波小于1.1。

圖4 微帶-同軸-微帶轉(zhuǎn)換模型及仿真結(jié)果

2.5 混壓板基板設(shè)計

與普通混裝MCM電路相比，T/R組件采用的多層混壓基板集成了微波電路、邏輯控制電路和電源電路。對低頻信號，只需按常規(guī)PCB電路原則進行設(shè)計即可；對于微波電路，則在遵循印制板的設(shè)計規(guī)范基礎(chǔ)上，采取合理的分層設(shè)計和微波大面積接地方式，重點解決微波信號傳輸中不連續(xù)性和通道之間的耦合，合理布置各功能元件在基板中的位置，優(yōu)化設(shè)計信號的分布和走線形式?；谝陨显瓌t完成了8層微波混壓板的設(shè)計，層功能說明如圖5所示。為確保微波信號傳輸?shù)倪B續(xù)性，輸入輸出微帶線接口均采用共面波導(dǎo)形式，采用金絲鍵合進行互連。

圖5 微波混壓多層基板層功能說明圖

3 T/R組件測試結(jié)果分析

T/R組件的裝配采用成熟的微組裝工藝，先將絕緣子和多芯插座以最高溫度燒結(jié)在殼體上，再將微波混壓板燒結(jié)在殼體底部，最后進行裸芯片裝配和金絲鍵合。由于需要裝配的芯片數(shù)量較大，而且沒有大功率器件，因此MMIC芯片的裝配采用環(huán)氧導(dǎo)電膠粘接工藝安裝到微波混壓基板上。裝配后的T/R組件內(nèi)部圖如圖6所示。

圖6 T/R組件內(nèi)部圖

T/R組件的電氣性能實測結(jié)果如表3所示。在5GHz的工作帶寬內(nèi)發(fā)射功率≥29dBm，接收增益≥22dB，噪聲系數(shù)≤4.5，移相精度≤4.0°(RMS)，衰減精度≤0.5dB(RMS)，主要技術(shù)參數(shù)均達到了設(shè)計指標要求。

表3 TR組件主要電氣性能測量結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹了一種緊湊型Ka波段八通道T/R組件的設(shè)計，詳細地論述了T/R組件組成構(gòu)架、收發(fā)通道指標預(yù)算、關(guān)鍵電路設(shè)計仿真、微波多層混壓基板設(shè)計。T/R組件采用微波多層混壓板集成設(shè)計技術(shù)，具有體積小、集成度高、通道一致性好的特點。測試結(jié)果表明，T/R組件具有良好的電氣性能，可適用于多種多功能Ka波段相控陣雷達。