惠新亮

一種大功率X波段T/R組件的設計

惠新亮

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

本文設計了一種大功率T/R組件，對其原理和方案進行了闡述，并對發(fā)射峰值功率、接收增益和噪聲系數(shù)等主要指標進行了計算。單通道可實現(xiàn)發(fā)射峰值功率45.6 dBm，接收增益約30 dB，噪聲系數(shù)略大于3 dB，為大功率T/R組件的設計提供一種參考。

X波段；T/R組件；大功率

0 引言

有源相控陣雷達為現(xiàn)代雷達的主要發(fā)展方向，應用前景十分廣闊，其波束快速捷變、系統(tǒng)功率效率高、多功能、多目標跟蹤打擊、抗干擾能力強、可靠性高和天線隱身好等優(yōu)點已在應用中被證實。目前，該體制雷達已在防控反導、警戒探測、導彈控制、星載、機載火控、干擾和抗干擾等領域應用[1-4]。近年來，隨著有源相控陣雷達的應用需求增長和微電子技術的發(fā)展，T/R組件作為有源相控陣雷達的關鍵部件之一，其成本約占整個雷達的70 %，且其性能直接決定著有源相控陣雷達的探測距離、分辨率和靈敏度等關鍵參數(shù)，同時對有源相控陣雷達的尺寸和重量等具有重要影響。美國的戰(zhàn)區(qū)高空區(qū)域防御系統(tǒng)（Terminal High Altitude Area Defense，THAAD）的戰(zhàn)區(qū)導彈防御地基制導雷達（Theatre Missile Defense-Ground Based Radar，TMD-GBR）采用相控陣體制，有25344個T/R組件，1/4面陣X波段全固態(tài)相控陣實驗雷達探測1 m2目標的距離達到500 km。T/R組件為雷達系統(tǒng)發(fā)射功率的基礎，在相同T/R組件數(shù)量的情況下，增加T/R組件功率是提升雷達威力的最直接簡便的方法[5-8]。因此，通過結合第三代半導體材料的微波功率性能優(yōu)點，開展一種X波段大功率T/R組件的設計是必要的。

1 T/R組件原理

T/R組件主要由接收通道、發(fā)射通道、收發(fā)開關、衰減器和移相器等部分組成，其原理框圖如圖1所示。T/R組件的主要任務是在發(fā)射時將激勵信號經移相器、衰減器后輸入到發(fā)射通道，在發(fā)射通道內對其進行驅動放大和功率放大后，最終經天線輻射；在接收時，將從天線接收的微弱信號經開關后輸入至接收通道，經低噪放放大后，再經衰減器和移相器等后輸出至后端進行A/D采樣。

圖1 T/R組件原理框圖

2 T/R組件設計

T/R組件的整體設計方案如圖2所示。由圖2可知，T/R組件包括三個部分：發(fā)射通道、接收通道和邏輯控制等。邏輯控制主要包括收發(fā)開關切換、移相控制、衰減控制和直流供電控制，其中通過對移相和衰減的控制來實現(xiàn)接收/發(fā)射的幅相一致性和波束合成及相控掃描。

發(fā)射通道主要包括移相器、衰減器、驅動放大器、功率放大器、功分器和合成器等，主要通過兩路22 W（43.5 dBm）來合成不小于30 W（44.8 dBm）的輸出功率，發(fā)射信號到來時，切換收發(fā)開關至發(fā)射，首先經功分器后分為兩路，分別經移相器、衰減器、放大器和收發(fā)開關；兩級驅動放大后各功分為兩路，再分別對信號進行功率放大至22 W（43.5 dBm），兩路22 W（43.5 dBm）經合成器后輸出飽和功率約為36W（45.6 dBm），滿足大于30W（44.8 dBm）的設計目標。根據(jù)工作時序切換至接收通道，接收來自天線的微弱信號，經收發(fā)開關、開關、限幅器、低噪放、收發(fā)開關放大器、衰減器和移相器后輸出至后端，滿足A/D采樣的接收信號，其中移相器、衰減器、放大器與發(fā)射通道共用。

另外，接收通道采用開關和限幅器串聯(lián)的方式來增加收發(fā)通道的隔離度，優(yōu)化T/R組件工作時序，增加收發(fā)保護時間，同時增加挖漏信號設計，減小發(fā)射通道對接收通道的影響，確保雷達正常工作。

圖2 T/R組件設計方案圖

3 核心指標計算

3.1 發(fā)射峰值功率

發(fā)射鏈路原理圖如圖3所示，可知T/R功率的實現(xiàn)是通過信號經兩級驅放并功分后分別驅動兩路功率放大器，最后經合成器合成功率。第一級驅放的輸入功率為13 dBm，增益為22 dB，輸出飽和功率為31 dBm，放大器已飽和輸出；31 dBm的飽和輸出功率繼續(xù)驅動第二級驅動放大器，增益為10.5 dB，則輸出飽和功率為40 dBm；經功分器后輸出兩路信號，功率分別為36.7 dBm，分別驅動功率放大器，增益為9.5 dB，則每路飽和輸出功率為43.5 dBm；兩路經合成器（插損0.4 dB）、收發(fā)開關（插損0.5 dB）后輸出，功率約45.6 dBm（36 W）。另外，占空比為30 %時，T/R的功耗約39.8 W，則發(fā)射效率約為30.2 %。

圖3 發(fā)射鏈路原理圖

3.2 接收增益

接收鏈路原理框圖如圖4所示，接收信號經天線接收，通過收發(fā)開關、開關和限幅器后，增益為-1.6 dB，經第一級低噪放后，增益為22.4 dB，再經過開關后增益為21.9 dB，然后再進行一次放大，增益變?yōu)?1.9 dB，最后經數(shù)控衰減器、移相器，其插損分別為3.3 dB、8 dB，則增益變?yōu)?0.6 dB。

圖4 接收鏈路原理圖

3.3 噪聲系數(shù)

級聯(lián)器件的噪聲系數(shù)計算公式如式（1）所示：

4 結論

T/R組件是相控陣雷達的核心部件之一，其性能和成本對雷達的決定性作用較大。本文通過對X波段兩通道的大功率T/R組件進行設計，并對核心指標進行計算，最終可以實現(xiàn)36 W的發(fā)射功率，且效率可達30 %，接收通道增益大于30 dB，噪聲系數(shù)約為3 dB。本文所述對相控陣雷達的大功率T/R組件的設計具有較強的參考意義。

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Design of High Power X-Band T/R Module

HUI Xinliang

A high power X-band T/R module has been designed in the paper. The T/R module theory and scheme are expounded, the main technological indexes of The T/R module are calculated, such as peak power, receive gain, noise figure and so on. The transmit peak power is about 45.6 dBm. The receive gain is about 30 dB. The noise figure is slightly larger than 3 dB, which provides a reference for the design of high power T/R module

X-Band; T/R Module; High Power

TN958

A

1674-7976-(2021)-03-232-03

2021-02-24?；菪铝粒?989.02-），陜西榆林人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為數(shù)字與射頻電路設計。