李樹良，朱潤月，劉　楊

(1. 南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039;　2. 酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，　甘肅 酒泉 735000)

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X波段有源相控陣?yán)走_(dá)子陣驅(qū)動延時組件的設(shè)計與實現(xiàn)

李樹良1，朱潤月2，劉楊1

(1. 南京電子技術(shù)研究所，南京 210039;2. 酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 735000)

分析了X波段有源相控陣?yán)走_(dá)子陣驅(qū)動延時組件的功能及其工作原理，介紹了驅(qū)動延時組件高精度與小型化設(shè)計的實現(xiàn)方式。針對任務(wù)需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種集成五位延時、收/發(fā)增益補(bǔ)償功能的驅(qū)動延時組件。根據(jù)實測結(jié)果，該驅(qū)動延時組件接收增益為16 dB±1 dB，發(fā)射功率為27.5 dBm±0.5 dBm，延時切換時幅度精度≤±0.8 dB，相位精度≤±5°。

子陣；驅(qū)動延時；高精度；小型化

0　引　言

隨著雷達(dá)技術(shù)水平的提高，相控陣?yán)走_(dá)的寬帶化成為目前發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)窄帶雷達(dá)相比，寬帶雷達(dá)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。雷達(dá)瞬時帶寬的提高，會產(chǎn)生寬帶大掃描角度帶來的波束空間指向色散問題。為解決這一問題，需要對相控陣天線接收/發(fā)射信號進(jìn)行延時補(bǔ)償。若對每個天線通道信號均進(jìn)行延時補(bǔ)償，會較大程度上增加天線陣面的成本。在子陣級加入延時線，即可對波束指向精度有著明顯提高，又能兼顧延時線的應(yīng)用成本[1-3]。

目前國內(nèi)外文獻(xiàn)中，實現(xiàn)延時補(bǔ)償主要有微帶傳輸線[3-4]、慢波傳輸線[5]、左手傳輸線[6]等方式。微帶傳輸線方式結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但體積較大不利于集成。慢波、左手傳輸線方式體積較小，但帶寬有限，帶內(nèi)幅度平坦度較差。

本文采用微波多層工藝，選擇多層帶狀線傳輸線方式設(shè)計延時電路，在較小體積內(nèi)實現(xiàn)了X波段4 GHz寬帶延時，并具備較好的帶內(nèi)幅相特性。此外，本文將發(fā)射驅(qū)動、接收增益補(bǔ)償與延時電路一體化設(shè)計，一方面可以補(bǔ)償寬帶大角度掃描帶來的波束空間指向色散；另一方面補(bǔ)償延時帶來的損耗，有利于陣面收/發(fā)鏈路電設(shè)計。該組件輸出功率≥27 dBm、接收增益≥15dB，可實現(xiàn)步進(jìn)0.1ns，延時量為0～3.1 ns，具備一定的實用性。

1　子陣驅(qū)動延時組件的功能

傳統(tǒng)的窄帶波束形成器中，每一個傳感器的信號都乘以復(fù)數(shù)加權(quán)系數(shù)而形成陣列天線的輸出信號。當(dāng)信號帶寬增加時，由于天線修正的相位和頻率不構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，窄帶波束形成器的性能開始惡化，所以，對于信號傳輸中不同的頻率成分來說相位響應(yīng)會有所變化[7]。因此，處理寬帶、超寬帶陣列信號時必須將每個天線單元收發(fā)信號之間的時延差補(bǔ)償?shù)胶侠淼姆秶?。以接收天線為例，如圖1所示。

圖1　引入延時線補(bǔ)償后的陣列天線示意圖

假設(shè)第n路天線陣元的接收信號為xn(t)，由于存在時延，則

(1)

式中：τn為第n路天線接收信號時延；d為陣元間距；θ為陣元垂直方向與接收信號夾角；n=1,2,…,N，N為陣元總數(shù)量。

對每個天線接收信號進(jìn)行時延補(bǔ)償，去除時延值

(2)

則補(bǔ)償后的信號為

x1(t-T0)

(3)

可以求得合成信號為

(4)

因此，時延補(bǔ)償技術(shù)可以消除陣列天線孔徑效應(yīng)引起的波束色散并補(bǔ)償孔徑渡越時間。在實際工程應(yīng)用中，隨著對延時總量要求的增加，延時線的體積、成本與電損耗不可忽略。若對每個通道均進(jìn)行延時補(bǔ)償，會較大程度上增加天線陣面的成本。因此，一般在子陣級加入延時線。同時，為了兼顧收/發(fā)鏈路電平設(shè)計并補(bǔ)償延時線帶來的損耗，將延時電路與收/發(fā)放大電路集成設(shè)計，形成子陣驅(qū)動延時組件。

子陣驅(qū)動延時組件在天線陣面中的位置與功能，如圖2所示，由陣列天線接收到的信號經(jīng)T/R通道放大后通過合成網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入子陣驅(qū)動延時組件進(jìn)行增益補(bǔ)償與延時，一定數(shù)量的有源子陣接收信號合成后進(jìn)入接收機(jī)。發(fā)射信號通過陣面網(wǎng)絡(luò)分配至各個有源子陣，然后進(jìn)入驅(qū)動延時組件進(jìn)行信號放大與延時，再分配至每個T/R通道放大后由天線輻射而出。

圖2　天線陣面示意圖

2　子陣驅(qū)動延時組件的原理與設(shè)計

根據(jù)天線陣面的應(yīng)用需求，對子陣驅(qū)動延時組件的設(shè)計提出的要求有：

1)驅(qū)動延時組件需實現(xiàn)五位延時功能，接收增益≥15 dB，發(fā)射輸出功率≥27 dBm；

2)驅(qū)動延時組件需具備較高的延時精度，延時幅度精度≤±1 dB，延時相位精度≤±12°；

3)驅(qū)動延時組件體積盡可能小，以便于子陣集成與裝配。

2.1組件原理設(shè)計

根據(jù)子陣驅(qū)動延時組件的設(shè)計要求，我們設(shè)計的驅(qū)動延時組件原理圖，如圖3所示。子陣驅(qū)動延時組件集成了發(fā)射驅(qū)動、接收增益補(bǔ)償與五位延時功能。為滿足接收增益與發(fā)射輸出功率的要求，發(fā)射鏈路采用了三級功率放大器，接收鏈路采用兩級低噪聲放大器。同時，在組件內(nèi)部電平分配時，將放大器采用延時電路隔開。一方面可以拉大放大器之間的物理間距；另一方面可避免增益電路過于集中，防止自激，增加組件的穩(wěn)定性。

圖3　子陣驅(qū)動延時組件原理圖

五位延時電路主要由可以通過開關(guān)切換的參考/延時態(tài)位組成，共有1λ、2λ、4λ、8λ、16λ五種態(tài)位。以中心頻率f0=10 GHz為例，每增加一個λ，電延時量增加1/f0，即0.1 ns。延遲線工作在基態(tài)時，五個態(tài)位全部選擇走參考支路，此時延時量記為T0；工作在全延時態(tài)時，五個態(tài)位全部選擇走延時支路，此時時間延遲為T0+3.1 ns。因此，通過開關(guān)選通不同路徑，可以實現(xiàn)步進(jìn)0.1 ns、延時量T0+(0～3.1 ns)的時間延遲。

2.2組件性能設(shè)計

延時開關(guān)切換時，延時電路產(chǎn)生的時延是由參考態(tài)與延時態(tài)的路程差來實現(xiàn)的，當(dāng)時延量提高時，路程差也需對應(yīng)增加，即延時態(tài)的傳輸電長度也需增加。這會帶來兩個問題：1)參考態(tài)與延時態(tài)的插入損耗不同；2)由于材料與加工帶來的誤差也隨之增加，這將使延時相位精度較難保證滿足指標(biāo)。為此，本文設(shè)計了衰減電路補(bǔ)償參考/延時態(tài)之間的插損不一致性，并采用調(diào)相電路用于保證延時相位精度，如圖4所示。

圖4　衰減與調(diào)相電路在驅(qū)動延時組件中的應(yīng)用

驅(qū)動延時組件內(nèi)部包含開關(guān)二極管、電感、電容、放大器等射頻元器件，之間互相級聯(lián)會造成內(nèi)部駐波的疊加。因此，為了保證在較寬的帶寬內(nèi)具備較好的幅度、相位帶內(nèi)平坦度，需要對組件內(nèi)部電路進(jìn)行優(yōu)化。圖5為一切二開關(guān)與端口水平過度的級聯(lián)仿真結(jié)果，通過電路匹配與優(yōu)化，可以將駐波控制在1.5以下。

圖5　級聯(lián)仿真結(jié)果

2.3組件實現(xiàn)工藝

驅(qū)動延時組件的小型化設(shè)計采用了微波多芯片組裝技術(shù)與微波多層印制板工藝。微波多芯片組裝技術(shù)包含微波多芯片貼裝技術(shù)與微波高密度互聯(lián)技術(shù)。驅(qū)動延時組件內(nèi)部包含了延時開關(guān)、收發(fā)開關(guān)、放大器芯片、控制芯片、驅(qū)動芯片、環(huán)行器等多種元器件，因此，微波多芯片組裝技術(shù)使驅(qū)動延時組件的設(shè)計具備較高的一致性與可生產(chǎn)性。微波多層印制板工藝將多塊印制板黏合/層壓成一體，采用金屬化孔實現(xiàn)各層之間互聯(lián)，可以有效地減少電路設(shè)計面積。五位延時電路的小型化設(shè)計采用的微波多層板由五層介質(zhì)層壓而成，之間采用半固化片黏合。如圖6所示，延時電路采用了兩層帶狀線與一層微帶線設(shè)計，可以較大程度節(jié)省設(shè)計面積。

圖6　延時電路的微波多層結(jié)構(gòu)

3　子陣驅(qū)動延時組件的實現(xiàn)與測試

子陣驅(qū)動延時組件的實物圖如圖7所示，組件本體尺寸102 mm×45 mm×10 mm，重量≤120 g。

圖7　驅(qū)運延時組件實物圖

對驅(qū)動延時組件各延時狀態(tài)的接收增益與發(fā)射功率進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖8～圖10所示。根據(jù)測試結(jié)果可見驅(qū)動延時組件滿足指標(biāo)要求。接收增益為16 dB±1 dB，發(fā)射功率為27.5 dBm±0.5 dBm，延時切換時幅度精度≤±0.8 dB，相位精度≤±5°。

圖8　各態(tài)接收增益實測曲線

圖9　各態(tài)移相精度實測曲線

圖10　發(fā)射輸出功率實測曲線

4　結(jié)束語

本文分析了子陣驅(qū)動延時組件在天線陣面中的功能，并根據(jù)陣面應(yīng)用需求設(shè)計了一種集成五位延時、接收增益補(bǔ)償與發(fā)射功率放大的驅(qū)動延時組件。該組件具備較為平坦的帶內(nèi)特性、較高的延時幅相精度與小型化的特點，已應(yīng)用于X波段艦載有源相控陣?yán)走_(dá)中。

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李樹良男，1985年生，工程師。研究方向為雷達(dá)天線饋電技術(shù)。

朱潤月男，1984年生，雷達(dá)技師。研究方向為雷達(dá)陣面技術(shù)。

劉楊女，1982年生，高級工程師。研究方向為雷達(dá)天線收發(fā)組件技術(shù)。

Design and Realization of an X-band Subarray Drive Time-delay Module for Active Phased Array Radar

LI Shuliang1，ZHU Runyue2，LIU Yang1

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China) (2. Jiuquan Satellite Launch Center,Jiuquan 735000, China)

The function and working principle of the subarray drive time-delay module, applied in X-band multifunctional active phased array radar are analyzed. The solutions for high accuracy design and miniaturization of drive time-delay module are also introduced. According to the task requirements，a drive time-delay module is designed and realized, integrating 5-bit time-delay, receive and transmit gain compensation. According to the measured results, the drive time-delay module achieves the receive gain within 16 dB±1 dB, transmit power within 27.5 dBm±0.5 dBm，time-delay amplitude accuracy better than±0.8 dB and time-delay phase accuracy better than ±5°.

subarray; drive time-delay module; high accuracy; miniaturization

李樹良Email：shuliangli1985@126.com

2016-03-22

2016-05-23

TN959.71

A

1004-7859(2016)07-0052-03

·天饋伺系統(tǒng)·

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.013