劉曉莉，郝金中

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

Ka波段多通道發(fā)射組件的設(shè)計(jì)

劉曉莉，郝金中

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

摘要：衛(wèi)星通信雷達(dá)工作頻率越高,信道容量越大，通信的抗干擾性越強(qiáng)。采用印制電路板(PCB)多層布線技術(shù)設(shè)計(jì)了一款Ka波段十六通道高集成度發(fā)射組件，應(yīng)用于衛(wèi)星通信雷達(dá)中，既滿足信道容量的要求，又適應(yīng)了雷達(dá)對(duì)小型化、輕量化的要求。發(fā)射組件每個(gè)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(guān)鍵詞：有源相控陣?yán)走_(dá)；Ka波段；小型化；發(fā)射組件

0引言

有源相控陣天線廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等系統(tǒng)中。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，低頻段的頻譜已經(jīng)越來(lái)越擁擠，對(duì)高質(zhì)量大容量無(wú)線通信設(shè)備的需求，使得通信頻率不斷提高，推動(dòng)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(shè)備體積小、重量輕,天線波束窄、方向性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。 實(shí)現(xiàn)該頻段的高性能收發(fā)信機(jī)是實(shí)現(xiàn)該頻段通信的首要問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)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(shù)將16個(gè)發(fā)射通道、功分網(wǎng)絡(luò)及電源控制電路集成在一個(gè)組件內(nèi)，通過(guò)采取合理的結(jié)構(gòu)布局及多芯片微組裝工藝實(shí)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(gè)發(fā)射通道、一分十六功分網(wǎng)絡(luò)、波束控制電路和電源控制電路。每個(gè)發(fā)射通道都包含6位數(shù)控移相衰減器、推動(dòng)放大器和末級(jí)功率放大器，一分十六功分網(wǎng)絡(luò)由4級(jí)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(fù)壓保護(hù)電路和放大器加電控制。在組件輸入端口公共支路加一級(jí)放大器，可以提高整個(gè)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(shè)計(jì)

2.1　多層PCB設(shè)計(jì)

由于組件通道數(shù)多，每個(gè)通道的移相衰減均需要通過(guò)串并轉(zhuǎn)換來(lái)控制，放大器也需要電源控制電路來(lái)加電，另外通道的選擇需要通過(guò)4-16譯碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)，走線復(fù)雜，因此組件采用PCB多層布線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的走線控制。一般PCB多層板的結(jié)構(gòu)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(gòu)成。通過(guò)定位系統(tǒng)與由樹(shù)脂和增強(qiáng)材料構(gòu)成的粘合片交替在一起，導(dǎo)電圖形按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行電氣互連。它主要是使用刻蝕和印制法制作銅導(dǎo)線，鉆出通孔、盲孔及埋孔并用銅進(jìn)行金屬化。層與層之間的電氣互連則一般通過(guò)金屬化的通孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具有工期短、成本低等優(yōu)勢(shì)[2]。

這里選用3張環(huán)氧板進(jìn)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(hào)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(zhǎng)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(dāng)加粗，減小壓降;第5層(bottomlayer)為地，保證微波信號(hào)地

的連續(xù)性。PCB板剖面圖如圖2所示,實(shí)物圖如圖3所示。

圖2　PCB板剖面圖

圖3　PCB板實(shí)物圖

微波板選用RT5880，厚度為0.254 mm，環(huán)氧板和微波板通過(guò)燒結(jié)工藝燒結(jié)在一起。微波板的參考地一種是通過(guò)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(shí)現(xiàn)方式

2.2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組件采用多芯片組裝形式實(shí)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(jié)構(gòu)。微波腔體為矩形，相當(dāng)于一節(jié)矩形波導(dǎo)[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(dǎo)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(gè)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(hào)和微波信號(hào)的串?dāng)_。功放芯片通過(guò)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(shí)地,保證了微波信號(hào)的正常傳輸。盒體材料為鋁，需要燒焊的地方局部鍍金，增強(qiáng)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(luò)設(shè)計(jì)

通道內(nèi)多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)，由于微波傳輸不連續(xù)性以及末級(jí)功放自身線性增益差等原因造成組件每個(gè)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(luò)來(lái)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(kāi)路型諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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

(2)

(3)

隨著長(zhǎng)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(zhǎng)度可以控制枝節(jié)的諧振頻率，寬度可以對(duì)諧振頻率和Q值進(jìn)行微調(diào)。仿真模型和仿真結(jié)果如圖7所示，利用單枝節(jié)均衡器，在2 GHz帶寬內(nèi)可補(bǔ)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(jié)果

2.4　工藝設(shè)計(jì)

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(shè)置好合適的裝配溫度梯度，成為裝配成功與否的關(guān)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(jiǎn)單性，同時(shí)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(cè)試結(jié)果

組件成品圖如圖9所示。

圖9　組件成品圖

組件最終實(shí)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(méi)有出現(xiàn)尖峰或凹坑。最終測(cè)試[6]指標(biāo)如表1所示，主要技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)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(biāo)不是很理想，主要因?yàn)楣Ψ判酒?階交調(diào)指標(biāo)差，在日后的工作中要改進(jìn)芯片的3階交調(diào)性能。

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了Ka波段多通道發(fā)射組件，通過(guò)采用PCB多層布線技術(shù)及合理的結(jié)構(gòu)布局,實(shí)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(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了雷達(dá)低成本的要求。

表1　組件測(cè)試指標(biāo)

參考文獻(xiàn)

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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(hào)：TN820.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2015)03-0099-04