孫安鋒 沈端 蔣鵬

摘 要 文章介紹了一種Ku波段多通道數(shù)字T/R組件小型化的電路原理設(shè)計和實現(xiàn)。FBAR濾波器、GaAs芯片、LTCC濾波器和聲表濾波器的應(yīng)用有效減小了組件的體積;通過合理的頻率分配，組件具有更高的鏡頻抑制度。合理的腔體設(shè)計進一步減小組件的體積和重量，并實現(xiàn)了較高的通道隔離度。

關(guān)鍵詞 數(shù)字T/R組件;小型化;高隔離度;高鏡頻抑制度

引言

相控陣T/R組件由于具有掃描速度快、控制靈活、幅度和相位連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點，正獲得越來越廣泛的應(yīng)用。對于數(shù)字T/R組件，或者多通道混合式相控陣T/R組件，每個通道或者子通道都采用變頻技術(shù)，所以混頻器和濾波器起著關(guān)鍵作用[1-2]。其中，濾波器的體積、重量、性能等指標直接影響T/R組件性能。基于芯片濾波器設(shè)計，不僅可以減小組件的體積和重量，也可以使組件的頻率選擇更靈活。

本文介紹了一款Ku波段多通道數(shù)字T/R組件，對組件關(guān)鍵指標進行分解、仿真設(shè)計并實測。組件具有高的鏡頻抑制度隔離度，小的體積和重量。

1組件設(shè)計

1.1 電路原理

T/R組件由收發(fā)支路組成。組件所用元器件均為MMIC芯片，實現(xiàn)小型化，組件的原理框圖見圖1。

圖1? 組件原理框圖

組件每個通道包含收發(fā)切換開關(guān)、低噪放、數(shù)控衰減器、濾波器、混頻器、中頻放大器、濾波器切換開關(guān)、發(fā)射驅(qū)放、發(fā)射末級放大器等元器件。

組件實現(xiàn)的功能有：①實現(xiàn)收發(fā)分時切換工作;②實現(xiàn)接收閉塞功能;③實現(xiàn)接收寬帶、窄帶濾波器切換功能;④實現(xiàn)收發(fā)調(diào)制功能;⑤實現(xiàn)9種校準功能。

發(fā)射支路要求輸出功率≥20dbm;雜散≤70dBc。

接收支路要求單通道增益32±1dB，噪聲系數(shù)≤18dB，隔離度≥50dBc，輸出P-1≥20dBm，鏡頻抑制度≥30dBc，輸出三階交截點≥40dBc@Pout=10dBm。

組件要求實現(xiàn)小型化設(shè)計，尺寸要求：

105.2mm×65.8mm×20mm。

1.2 仿真計算

為實現(xiàn)組件小型化設(shè)計，RF濾波器采用GaAs芯片濾波器，一中頻濾波器采用FBAR濾波器[3]，二中頻濾波器采用LTCC濾波器[4]和聲表濾波器。其中FBAR濾波器具有優(yōu)異的帶外抑制特性，相較于SAW，它可以工作在更高的頻段。較高的一中頻和一本振，可以大大減輕RF濾波器對帶外抑制的要求，特別是對發(fā)射時本振信號抑制的要求。本文選用C波段Fbar濾波器，其帶寬大于200MHz，在第二鏡頻處抑制能力>40dBc，在一本振處抑制能力>50dBc。FBAR濾波器仿真、單測特性如圖2所示，需要注意的是，F(xiàn)BAR濾波器帶外抑制特性與其接地金絲位置和角度都有較大關(guān)系。圖2表明，位置不合適時，可相差10dB以上。

圖2? Fbar濾波器仿真與測試數(shù)據(jù)

接收支路的級聯(lián)指標計算見表1所示，單通道增益設(shè)計值32dB，噪聲系數(shù)14.1dB，鏡頻抑制度大于35dB。

表1 接收增益、噪聲、鏡頻抑制級聯(lián)計算

發(fā)射支路工作于飽和狀態(tài)，輸入功率0dbm。輸出采用兩級放大器合成，單級放大器輸出功率21dbm，兩級合成后輸出功率≥23.5dbm，經(jīng)過開關(guān)2.5dB損耗，組件輸出功率大于21dbm。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

組件需要在長為105.2mm，寬為65.8mm的尺寸內(nèi)實現(xiàn)多個通道，而且由于鏈路較長，所需的元器件較多，一個組件無法放下所有元器件，所以組件充分利用縱向空間，采取兩個模塊上下互聯(lián)的設(shè)計結(jié)構(gòu)。上下模塊各完成8個通道的一次變頻，兩個模塊通過雙陰相連，由M2螺釘互聯(lián)鎖緊，實現(xiàn)完整功能。

組件采用了大量的裸芯片以提高組件封裝密度，因此必須對組件進行密封設(shè)計。模塊外殼選用鋁材料，封帽方式采用激光封帽?？梢员ＷC其穩(wěn)定性和長期可靠性。

圖3? 前端外形圖

2組件的實現(xiàn)

多通道數(shù)字T/R組件的制作實物如下圖4所示，上下模塊之間采用雙陰連接。組件RF端口為SMP接口，由于IF端口收發(fā)分開，所以IF端口分為接收SMP端口和發(fā)射SMP端口。LO口有2個SMP，另有1個耦合端口。電源與控制接口采用密封J301M系列接插件，13芯為下模塊所用，21芯為上模塊所用，采取垂直安裝形式。

圖4? 數(shù)字T/R組件實物圖

接收通道增益和噪聲系數(shù)測試結(jié)果如圖5所示，增益在31～33dB，噪聲系數(shù)14～16dB，滿足指標設(shè)計要求。

接收通道隔離度測試結(jié)果如圖6所示，以通道3到其余通道的隔離度為例，在50dbc以上。

接收通道鏡頻抑制度測試結(jié)果如圖7所示，第一鏡頻抑制度達到40dbc以上，第二鏡頻抑制度達到50dbc以上。

發(fā)射通道測試結(jié)果如圖8所示，輸出功率在21.2～22dBm之間。

圖5? 組件接收增益和噪聲測試結(jié)果

圖6? 組件接收隔離度測試結(jié)果

圖7 組件鏡頻抑制度測試結(jié)果

圖8 組件發(fā)射功率測試結(jié)果

3結(jié)束語

本文介紹了一種Ku波段多通道小型化數(shù)字T/R組件的電路原理設(shè)計和實現(xiàn)。通過濾波器的合理選擇和中頻頻率的合理劃分，設(shè)計并制作了樣品實測，來驗證指標中鏡頻抑制度、隔離度、增益、噪聲、功率等指標。多通道組件在滿足高鏡像抑制度和高隔離度指標的同時，最終實現(xiàn)的體積僅為105.2mm×65.8mm×20mm。

參考文獻

[1] 蘇力爭，鐘劍鋒，張建增，等.S波段八通道數(shù)字T/R組件研究與設(shè)計[J].現(xiàn)代雷達，2013，35（9）：66-68.

[2] 張衛(wèi)清，許厚棣，唐亮.雷達數(shù)字化收發(fā)系統(tǒng)芯片設(shè)計與實現(xiàn)[J].雷達科學(xué)與技術(shù)，2016，14（3）：317-323.

[3] 趙洪元，夏燕，王亞寧，等.基于FBAR技術(shù)的S波段低插損濾波器[J].固體電子學(xué)研究與進展，2019，39（4）：297-300.

[4] 常鈺敏，羅雨，戴永勝.一種基于LTCC的寬阻帶高抑制帶通濾波器的設(shè)計[J].固體電子學(xué)研究與進展，2019，39（4）：264-272.