顏廷臣，王立亞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051）

0 引言

T/R 組件是有源相控陣的核心部件，每個(gè)相控陣?yán)走_(dá)中的T/R 組件少則上百部，多則近千部，因此數(shù)組T/R 體積和性能直接影響了整部雷達(dá)的工作性能，T/R 組件的小型化和可生產(chǎn)性異常關(guān)鍵。T/R 組件分為模擬T/R 組件和數(shù)字T/R 組件，現(xiàn)模擬T/R組件仍是應(yīng)用主流。在有源相控陣?yán)走_(dá)中，多個(gè)T/R 組件對(duì)應(yīng)一個(gè)變頻模塊，實(shí)現(xiàn)頻率的變換。

本文介紹一種C 波段的T/R 組件，將常規(guī)模擬T/R 和變頻部分集成到一個(gè)電路板上，實(shí)現(xiàn)二次變頻。器件上采用多芯片組裝（MCM），利用MMIC 金絲鍵合組裝工藝縮小組件的體積。通過(guò)腔體的合理設(shè)計(jì)，多功能芯片的應(yīng)用及仿真軟件的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)波形控制及各項(xiàng)電性能特性。

1 工作原理

C 波段八通道TR 模塊主要包含兩個(gè)單元，一個(gè)單元為模擬T/R 單元，另一單元為收發(fā)變頻單元。模擬T/R 單元含八個(gè)通道，每個(gè)通道包含一個(gè)接收支路和一個(gè)發(fā)射支路，八個(gè)通道通過(guò)功分網(wǎng)絡(luò)合成單元合成一個(gè)通道，連接收發(fā)變頻單元。收發(fā)變頻單元含接收和發(fā)射支路，接收支路將C 波段射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻到P波段中頻信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波放大；發(fā)射支路的功能是將P 波段中頻信號(hào)上變頻至C 波段濾除諧、雜波后放大輸出。

產(chǎn)品主要包括環(huán)形器、收發(fā)開(kāi)關(guān)、接收支路、低噪聲放大器、發(fā)射支路驅(qū)動(dòng)放大器、功率放大器和混頻濾波等。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 腔體設(shè)計(jì)

組件內(nèi)部含高功率功率放大器，最大輸出可到48dBm，因此組件內(nèi)蓋的屏蔽性和隔墻的隔離效果，是防止自激的重要因素。另外，組件通道間距同波束合成效果有直接關(guān)系，根據(jù)公式：

式中，d 表示通道間距；λmin表示頻段內(nèi)最小波長(zhǎng)；θmax表示最大波束掃描角。

式中，λ 表示波長(zhǎng)；C 表示電磁波速度；H 表示帶內(nèi)最高頻率。將微波信號(hào)在電路板內(nèi)的傳播速度，近似為光在真空中的速度，即C=3×108m/s；該項(xiàng)目的最高頻率為H 為6GHz，這樣算出波長(zhǎng)為50mm，將sin（θmax）取最大值，并結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，最終將通道間距定為18mm。

組件內(nèi)器件的最大輸出可到48dBm，加之腔體間距很小，這對(duì)功率放大器和限幅低噪聲放大器的體積及擺放位置提出了很高的要求，尤其在體積上面。功率放大器采用第三代寬禁帶材料GaN 制作，為保證與前級(jí)匹配良好，輸入和輸出端采用蘭格功分器合成的形式，這比采用威爾金森的功放體積大了許多，但能保證電性能的穩(wěn)定。另外由于輸出功率較大，散熱和電磁耦合等都對(duì)器件體積提出一定的需求，經(jīng)電性能和熱仿真，最終在20mm×11mm×0.8mm 的體積內(nèi)設(shè)計(jì)出符合指標(biāo)要求的功率放大器。

同樣，保證級(jí)聯(lián)特性和耐功率要求的限幅低噪聲放大器的體積也較大，設(shè)計(jì)完后的最終體積為13mm×5mm×1mm，兩個(gè)器件在寬度上占據(jù)了16mm。同時(shí)，為保證通道間的隔離，通道間設(shè)計(jì)了1mm 的隔墻。由于PCB 上器件較多，對(duì)PCB 的面積需求較大，同時(shí)為保證工藝裝配的便捷性，PCB 不能做分板設(shè)計(jì)，因此隔墻不能由盒體內(nèi)伸出而將PCB 分?jǐn)?。而功放部分增益較高，這對(duì)內(nèi)蓋板的緊密度提出很高的要求，為保證內(nèi)蓋板的緊密性，采用隔墻與盒體一體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。增加正面大功率部分蓋板螺釘數(shù)量，增加屏蔽和隔離效果，防止腔體自激。

2.2 多功能芯片實(shí)現(xiàn)波形控制

組件同用戶整機(jī)采用串行數(shù)據(jù)通訊，要求5μs 傳輸完成。數(shù)據(jù)主要實(shí)現(xiàn)通道選擇、波形控制、增益變化等。由于數(shù)據(jù)通信簡(jiǎn)單，組件決定采用串轉(zhuǎn)并芯片實(shí)現(xiàn)用戶整機(jī)和組件的通信。串轉(zhuǎn)并芯片的工作頻率為10MHz，組件八個(gè)通道每次需要傳輸192位數(shù)據(jù)，每次傳輸需要19.2μs。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸，組件采用4根數(shù)據(jù)傳輸線，兩個(gè)通道共用一根，串轉(zhuǎn)并芯片采用兩路串聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。這樣，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間縮短為4.8μs。

組件內(nèi)部波形控制采用多功能芯片實(shí)現(xiàn)，串轉(zhuǎn)并芯片和移相多功能級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)移相及數(shù)控衰減。多功能芯片將數(shù)控衰減器、數(shù)控移相器，收發(fā)開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)放大器集成到一起，通過(guò)開(kāi)關(guān)切換實(shí)現(xiàn)收發(fā)通道控制、移相、衰減功能，以及組件組網(wǎng)校準(zhǔn)時(shí)關(guān)閉通道的匹配。芯片內(nèi)部驅(qū)動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)高增益和高功率輸出，直接與功放級(jí)聯(lián)，節(jié)省空間，實(shí)現(xiàn)“兩片式”T/R 組件。

2.3 諧波抑制的實(shí)現(xiàn)

由于電磁兼容設(shè)計(jì)，組件要求諧波要求在55dBc 以上。功率放大器的諧波抑制為30dBc，環(huán)形器對(duì)諧波的抑制在18dBc 以上，為滿足協(xié)議要求，功放后增加一級(jí)濾波器。濾波器PCB 采用6002板材，厚度為20mil，設(shè)計(jì)目標(biāo)是：帶內(nèi)插損小于0.3dB，諧波抑制在10dB 以上，面積小于13mm×7mm。在滿足諧波抑制前提下，盡量減少帶內(nèi)插損對(duì)組件效率的影響。

采用ADS 和HFSS 進(jìn)行級(jí)聯(lián)仿真。在ADS 中進(jìn)行原理圖參數(shù)設(shè)計(jì)，利用ADS 向?qū)?，設(shè)置濾波器的電性能參數(shù)，自動(dòng)生成原理圖參數(shù)。將原理圖參數(shù)人為改進(jìn)、仿真、優(yōu)化。仿真曲線滿足組件要求后，再生成版圖進(jìn)一步進(jìn)行仿真，并根據(jù)組件內(nèi)的PCB 空間，調(diào)整尺寸以及端口位置，調(diào)整諧振線寬度及長(zhǎng)度，保證電性能合格。為保證一次布版成功率，將ADS 中的濾波器版圖導(dǎo)入HFSS 中，進(jìn)行三維建模仿真，模擬組件內(nèi)的腔高和三維環(huán)境，以便使仿真結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用盡量吻合。

將HFSS 建模仿真后，濾波器帶內(nèi)插損≤0.25dB，諧波抑制≥12dBc，滿足組件要求。

圖1 HFSS建模

3 測(cè)試結(jié)果

TR 組件的最終體積為：144mm×55mm×10.8mm，微波信號(hào)接口為SMP 和SBMA，電源控制為J30J 多芯接插件。該組件八路獨(dú)立開(kāi)關(guān)電，通過(guò)串并轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)通道選擇和上電控制。調(diào)測(cè)后，TR 組件實(shí)際測(cè)試噪聲系數(shù)在2.7dB 以下，發(fā)射功率大于47dBm。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于C 波段的T/R 組件，輸出功率大于46dBm，諧波抑制在55dBc 以上。通過(guò)合理布局，將每個(gè)通道的寬度限制在18mm 以下。該組件具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，為模擬T/R 減小體積，提高集成度提供了一種參考。