祁華，張世文

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 空軍空通局，北京 100166）

0 引言

現(xiàn)代作戰(zhàn)平臺面臨的威脅越來越多，所處環(huán)境的電磁干擾日益復雜，為提高生存和作戰(zhàn)能力，平臺所配備的導航、雷達、電子戰(zhàn)和通信等設備越來越多，這些電子設備占據(jù)了越來越多的資源和空間，直接影響了平臺的機動作戰(zhàn)能力，降低了其抗干擾能力和作戰(zhàn)效能。導航—通信—雷達一體化的提出主要就是為解決上述這些問題。

導航、通信及雷達系統(tǒng)的工作原理大致相同，其子系統(tǒng)也有重復，如天饋系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)等，現(xiàn)階段實現(xiàn)導航通信雷達一體化設計的優(yōu)勢在于：

（1）利用雷達發(fā)射功率高和接收靈敏度高等優(yōu)勢，提高通信距離和質量；同時利用雷達天線的高方向性、頻率捷變、波束捷變等特點可提高通信的保密性和抗干擾能力。

（2）實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡化的導航通信雷達系統(tǒng)一體化設計后，可借助終端計算機形成導航—通信—雷達網(wǎng)，將目標信息通過終端計算機完成數(shù)據(jù)錄取、處理、傳遞等過程，避免人工誤差。

（3）通過對雷達系統(tǒng)進行相應改造，使其兼顧導航通信功能，可大幅提高電子設備的利用率。

本文主要基于導航通信雷達一體化設計的要求，對L波段TR組件實現(xiàn)了小型化、集成化設計。通過采用雙通道收發(fā)組件公用接收通道的方式實現(xiàn)了收發(fā)通道雙環(huán)形器隔離，該方式可有效降低設計成本，減小組件尺寸；在設計過程中，主要從組件的大功率發(fā)射、脈沖頂降控制、電磁兼容性設計、發(fā)射通道穩(wěn)定性設計、通道幅相一致性設計等方面進行了分析，保證了組件的性能。

1 TR組件原理

TR組件的電路原理圖如圖1所示，主要由射頻電路、控制電路、電源三個部分。其中射頻電路主要完成發(fā)射信號的放大和回波信號的低噪聲放大；控制電路主要對射頻電路中的數(shù)控移相器、數(shù)控衰減器和收發(fā)開關提供數(shù)字控制信號；電源為組件各部分有源器件和數(shù)控器件提供直流電信號。

圖1 組件電路原理圖

數(shù)控移相器可改變各通道的相位值，從而實現(xiàn)波束掃描（改變波束方向），由于收發(fā)通道均須完成移相，故置于公共通道；

發(fā)射通道與接收通道可利用環(huán)形器公用天線單元，可用滿足要求的雙工器或開關替換；

限幅器可換為滿足要求的接收機保護開關，主要防止低噪放在發(fā)射態(tài)或大功率激勵信號進入時的器件損傷，雷達工作時所存在的大功率發(fā)射情況主要由以下幾種：發(fā)射態(tài)時的發(fā)射通道信號泄露；天線端口失配時的大功率信號反射；天線近端遮擋等極限情況下的大功率信號反射等；

LNA決定了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，天線與LNA之間的鏈路插損在很大程度上影響系統(tǒng)的噪聲系數(shù)；為提高TR組件的靈敏度，需將LNA、PA靠近天線，減小鏈路傳輸損耗。

2 L波段雙通道TR組件設計

本文的L波段的雙通道TR組件主要由射頻部分、控制部分、模擬電路部分和功分部分構成。射頻控制部分主要完成射頻信號的收發(fā)切換、功率放大、低噪聲接收、移相衰減、定標耦合功能；功分部分主要完成接收信號合成/發(fā)射激勵信號分配；控制部分主要完成移相衰減的控制、收發(fā)開關狀態(tài)切換的控制、定標耦合器工作狀態(tài)的控制和鏈路中各放大器供電狀態(tài)的控制；模擬電路部分主要包含供電電路和檢測電路。

發(fā)射狀態(tài)下，收發(fā)開關處于發(fā)射態(tài)，信號由前端電路進入組件，經(jīng)數(shù)控移相器的移相作用，利用L波段功分器進行發(fā)射激勵信號的功率分配，兩路發(fā)射信號分別進入兩個發(fā)射鏈路中，分別經(jīng)各自的前級驅放和后級放大器的線性放大作用，經(jīng)一級環(huán)形器由天線輻射至空間。其中，前級驅放的放大要滿足后級放大器的參數(shù)要求，避免傳輸信號經(jīng)放大作用失真，而不能滿足通信放大鏈路線性度的要求；環(huán)形器的耐功率值需滿足發(fā)射功率要求，避免燒毀。

接收狀態(tài)下，收發(fā)開關處于接收態(tài)，兩路接收信號由天線分別進入一級環(huán)形器后由L波段功分器的功率合成作用變?yōu)橐宦沸盘?，?jīng)二級環(huán)形器、接收路開關、L波段濾波器、限幅器、低噪聲放大器、數(shù)控衰減器和數(shù)控移相器的作用，進入后端處理電路中。其中，一級環(huán)形器、二級環(huán)形器及接收路開關主要為保證收發(fā)的隔離度，防止組件發(fā)射功率（大于50dBm）泄露導致接收路的功率器件及限幅器的燒毀；L波段濾波器主要對回波信號進行濾波處理，提高組件的信號帶外抑制度；限幅器主要為保護后端功率器件；數(shù)控衰減由6位數(shù)字信號控制，可完成0.5～31.5dB的衰減，主要為提高組件的接收動態(tài)范圍，防止較大功率輸入時的飽和輸出；數(shù)控移相可完成 180°，90°，45°，22.5°，11.25°，6.125°的移相過程，移相精度須保證在±5°內；

組件的離線檢測功能主要由定標耦合器與檢測電路實現(xiàn)。其中，發(fā)射狀態(tài)的檢測由輸入端口加入發(fā)射信號，利用定標耦合器將發(fā)射輸出端口的信號耦合檢波入檢測電路，實現(xiàn)發(fā)射態(tài)的檢測功能；接收態(tài)的檢測由定標耦合器對組件的接收輸入口加入檢測信號，由接收通道的輸出口實現(xiàn)接收態(tài)的檢測功能。

圖2 L波段雙通道TR組件原理圖

為保證收發(fā)隔離度35dB的要求，需采用雙環(huán)形器完成收發(fā)通道的隔離，但由于所屬L頻段環(huán)形器尺寸較大，約為140*80*26mm，采用傳統(tǒng)的四通道TR組件設計無法控制整體尺寸，不滿足組件小型化的要求。故采用雙通道收發(fā)組件公用接收通道的方式實現(xiàn)收發(fā)通道雙環(huán)形器隔離，該方式可有效降低設計成本，減小組件尺寸。

3 組件收發(fā)鏈路分析

3.1 發(fā)射通道指標實現(xiàn)

在本方案中，環(huán)形器的損耗取值 0.5dB，根據(jù)上述設計，對技術指標逐一分析。

（1）發(fā)射通道飽和輸出功率

在L波段f1～f2頻率范圍內，脈沖輸入功率電平為15dBm，從表1和圖3可以看出，組件功放輸出脈沖功率：48±1dBm（輸出功率：≥50W，組件功放帶內增益波動：≤2dB）。

（2）發(fā)射通道輸入駐波

輸入端使用6dB衰減器，可將輸入模塊回波損耗衰減12dB，最終發(fā)射通道的輸入駐波小于1.3。

（3）大功率發(fā)射脈沖頂降控制

產(chǎn)生脈沖頂降形成的原因包括電源功率、儲能電容容量、組件散熱效率等。在本文發(fā)射通道設計中，主要采取以下幾種方法用于減小脈沖頂降：

a.選擇合理的盡量大的儲能電容，減小引線電感，儲能電容離饋電越近越好，同時增加旁路濾波，減小脈沖電壓的紋波和高頻噪聲對射頻信號的影響；

b.增加假負載，使開關工作時，負載電阻不再由0變化為∞；

c.改善驅動器輸入端匹配狀態(tài)，可通過串聯(lián)一個RL并聯(lián)網(wǎng)絡或并聯(lián)一個RC串聯(lián)網(wǎng)絡，對脈沖功率頂降進行補償，使脈沖產(chǎn)生一個頂升，從而補償輸出脈沖波形的頂降；

d.對晶體管良好匹配，良好散熱，避免晶體管輸入信號產(chǎn)生過激勵，提高晶體管效率；

e.組件和電源模塊由穿心電容連接，對電源濾波。

3.2 接收通道性能分析

接收通道主要由開關、限幅器、低噪聲放大器、數(shù)控衰減器、收發(fā)切換開關、移相器等器件構成。

（1）增益計算：25±0.5dB

根據(jù)圖3計算接收通道的增益在不衰減態(tài)，全頻段、移相狀態(tài)下為25dB；

圖3 發(fā)射通道鏈路圖

表1 飽和輸出功率分析

圖4 接收通道鏈路圖

（2）在兩級低噪放中間加數(shù)控衰減器來實現(xiàn)大的動態(tài)范圍；在二級放大器后加數(shù)控衰減器來調節(jié)輸出信號幅度，實現(xiàn)幅度調制。

（3）噪聲系數(shù)：

噪聲系數(shù)是衡量接收系統(tǒng)性能的重要指標，且主要與鏈路前幾級器件選擇密切相關，由式（1）可以計算出本接收通道的噪聲系數(shù)為3.6dB。

（4）接收通道需要具備抗燒毀功率達到 50W以上，同時應具有低噪聲要求，故設置開關與限幅器保證大功率反射導致的器件燒毀，可能導致大功率反射的極限情況主要包括：雷達天線近端遮擋、發(fā)射通道大功率信號泄露和天線端口失配導致的大功率信號反射等。

4 電磁兼容性設計

4.1 接地性

良好的接地可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，引入較小電磁輻射。射頻電路的傳輸阻抗為分布參數(shù)，應大面積接地，就近接地，接地線應盡量短，地板與殼體間保持接地性良好；對控制電路，采用集中接地，且盡量與射頻低分開。

4.2 腔體設計

腔體設計時，充分利用波導的高通濾波效應，對于寬為a的矩形波導，可傳輸電磁波的臨界波長為2a，對應的臨界頻率為c/2a。當頻率接近該截止頻率時，傳輸衰減急劇增大，故設計時腔體的寬度應遠小于2a，設計時腔體的截止頻率一般取為工作頻率的 3～4倍；考慮裝配及信號傳輸質量問題，腔體深度不宜過深，一般為微帶板厚度的 10倍以上，且小于其寬度。

4.3 收發(fā)轉換時序的影響

TR組件一般采用分時工作的方式，但收發(fā)狀態(tài)切換時，收發(fā)開關隔離度較低，通道之間易形成回路，產(chǎn)生震蕩，故實際設計時，將TR開關錯開一定的時間，使一個通道完全關斷后再打開另一個通道。

4.4 TR發(fā)射脈沖前后沿抖動的影響

TR進入發(fā)射態(tài)時，脈沖在前后沿存在一定的抖動，影響信號頻譜質量，增加了系統(tǒng)的雜散，實際設計時，通過控制電源來消除前后沿抖動對組件發(fā)射信號性能的影響：前沿，電源連接時間提前于射頻信號；后延，電源斷開時滯后于射頻信號。

4.5 發(fā)射通道穩(wěn)定性設計

由于發(fā)射通道的功率較大，在設計時需考慮其穩(wěn)定性設計，本文主要從以下幾個方面進行了考慮：

（1）鏈路增益合理分配，防止局部增益過高而信號諧振。采用模塊化設計：中小功率與大功率模塊進行鏈路增益分配后分腔設計，在空間上防止信號串擾。末級功放靠近輸出，減小插損，焊于殼體，保持散熱。

（2）發(fā)射通道主要為功放器件，需柵壓偏置（負電），由內部轉換電路生產(chǎn)，收發(fā)通道采用電源調制方案，包含邏輯處理電路單元，設計時引入負電診斷邏輯，即上電時序須加載負電后，才能正常加載正電以防燒毀。TR組件收發(fā)狀態(tài)的快速切換，主要通過關斷各路放大器的漏極電流，P-溝道MOSFET用于控制放大器的關斷，可提供較小的導通阻抗；

（3）合理的布局：避免信號間相互耦合，走線時信號線盡量遠離；兩信號線間應通過地進行隔離；多個通道間應分腔隔離，避免通道間相互干擾；對信號空間隔離，防止泄露，引發(fā)自激；信號線應盡量走直線，彎折會導致信號傳輸?shù)牟贿B續(xù)性，影響匹配；

（4）多級放大器級聯(lián)時，需防止耦合，各級間應進行腔體隔離；單級增益較高（大于30dB）時應對放大器輸入輸出端進行空間隔離，否則可能對其特性造成影響，甚至自激。

（5）放大器與濾波器、天線、混頻器等帶外阻抗特性復雜的器件級聯(lián)時，易導致阻抗失配，從而自激。一般采用鐵氧體隔離器（單向器件，帶內匹配特性良好）或穩(wěn)定衰減器（π型或T型）進行改善。

（6）輸入輸出隔直電容：實際電容有不同的諧振頻率，當使用頻率超過其自身諧振頻率時，感抗增加，且隔直電容過大也會造成脈沖工作時退飽和時間加長，故一種電容只適用于一定的頻率范圍，在50?射頻系統(tǒng)一般使其容抗在最低頻率≤15?。

5 幅相一致性設計

組件的幅度相位一致性主要受射頻芯片、無源電路和裝配工藝的影響。為了保證組件滿足用戶要求的一致性指標，需要從射頻芯片的批次一致性管理、無源電路加工一致性管理、裝配一致性管理雙個方面入手嚴格把控，來滿足指標要求的幅度相位一致性。

在電路設計方面主要采用如下措施：合理分配通道增益，保證各級器件在正常的工作狀態(tài)；優(yōu)選元器件，選用一致性和重復性較好的元器件；引入幅度和相位補償電路，發(fā)射和接收通道都包含增益和相位調整器件；電路布局采用完全對稱設計，各通道電路結構完全一致。

6 結束語

本文采用雙通道收發(fā)組件公用接收通道的方式實現(xiàn)了收發(fā)通道雙環(huán)形器隔離，并從組件的大功率發(fā)射脈沖的頂降控制、電磁兼容性設計、發(fā)射通道穩(wěn)定性設計、通道幅相一致性設計等方面進行了分析設計，最終完成了小型化、集成化L波段TR組件設計，可應用于L波段導航通信雷達一體化機的工程研制。

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