唐亮 陳興國(guó) 李佩

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

數(shù)字陣列模塊(Digital Array Module, DAM)是采用集成化和數(shù)字化技術(shù)，將射頻收發(fā)單元、本振功分單元、中頻數(shù)字收發(fā)單元、電源等功能電路整合并一體化設(shè)計(jì)，完成雷達(dá)數(shù)字化收發(fā)、數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)傳輸功能的新型多通道收發(fā)模塊。未來(lái)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)是寬頻帶、多功能、大功率、高效率、高集成度、低成本，而新一代的數(shù)字陣列模塊具有片式、寬帶、高密度、高效率等技術(shù)特點(diǎn)。

相對(duì)于磚塊式組件，瓦片式DAM 利用高密度組裝技術(shù)與新穎的互聯(lián)技術(shù)，大幅度減小了縱向高度、重量與成本，將多個(gè)相同功能的芯片或電路集成在數(shù)個(gè)平行放置的瓦片上，然后垂直互聯(lián)，構(gòu)成薄而緊湊的“三明治”結(jié)構(gòu)，適應(yīng)多平臺(tái)使用。本文設(shè)計(jì)的S 波段數(shù)字陣列模塊采用了分布數(shù)字化、集中數(shù)字處理的電訊架構(gòu)，集成十六個(gè)單元數(shù)字化收發(fā)通道，構(gòu)成一個(gè)高密度瓦片式DAM；和傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)DAM 相比，減小了體積和重量，實(shí)現(xiàn)大功率高效率輸出和寬帶高速數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。

2 瓦片式DAM設(shè)計(jì)

2.1 DAM總體設(shè)計(jì)

瓦片式DAM 采用單通道數(shù)字化收發(fā)單元和16 通道數(shù)字收發(fā)集成設(shè)計(jì)，包含16 個(gè)單通道數(shù)字化收發(fā)單元、本振功分網(wǎng)絡(luò)、16通道數(shù)字收發(fā)電路等部分，其組成框圖如圖1 所示。

瓦片式DAM 在接收工作狀態(tài)時(shí)，回波信號(hào)由天線送到數(shù)字收發(fā)單元，經(jīng)過(guò)模擬收發(fā)前端中低噪聲放大，下變頻到中頻頻率，中頻信號(hào)經(jīng)高速AD 采集形成高速串行數(shù)據(jù)，傳輸?shù)蕉嗤ǖ罃?shù)字收發(fā)電路上，進(jìn)行數(shù)字下變頻處理，解調(diào)得到數(shù)字I、Q 信號(hào)再經(jīng)光纖傳給信號(hào)處理系統(tǒng)；在發(fā)射工作狀態(tài)時(shí)，由多通道數(shù)字收發(fā)電路將幅度、相位等控制碼送給DDS 產(chǎn)生中頻激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)一本振上變頻到射頻激勵(lì)信號(hào)，再經(jīng)功率放大送至天線單元。16 通道數(shù)字收發(fā)電路（母板）和16 個(gè)單元數(shù)字化收發(fā)SIP 相連，通過(guò)母板上的主處理器（FPGA）完成16 通道的寬帶信號(hào)數(shù)字解調(diào)、數(shù)據(jù)融合、DDS 控制、高速光纖大容量數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 單元數(shù)字化收發(fā)SIP設(shè)計(jì)

瓦片式DAM 中集成了16 個(gè)單元數(shù)字化收發(fā)SIP，其功能組成包括環(huán)行器、限幅低噪聲放大器、GaN 功率放大器、Si 基混頻器、LTCC 濾波器、MEMS 濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字頻率合成器、電源等器件。

SIP 接收時(shí)主要完成信號(hào)的低噪聲放大，并對(duì)射頻工作頻帶外信號(hào)進(jìn)行濾波，經(jīng)過(guò)頻譜搬移后，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成信號(hào)采集，送一體化數(shù)字母板FPGA 進(jìn)行處理。SIP 發(fā)射時(shí)通過(guò)DDS 產(chǎn)生中頻激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)上變頻、濾波和GaN 功率放大，最終通過(guò)天線陣元進(jìn)行空域信號(hào)輻射。

2.3 16通道數(shù)字收發(fā)母板設(shè)計(jì)

圖1：DAM 組成框圖

圖2：16 通道一體化數(shù)字收發(fā)母板框圖

16 通道一體化數(shù)字收發(fā)母板主要由2 片大容量FPGA、1 個(gè)4路并行收發(fā)光模塊、16 個(gè)高密度高速連接器、時(shí)鐘分配電路、本振分配電路和電源分配電路組成，其功能框圖如圖2 所示。數(shù)字母板主要功能是16 個(gè)數(shù)字收發(fā)單元ADC 輸出數(shù)據(jù)的解碼及單元對(duì)齊、16 通道數(shù)字混頻、數(shù)字濾波以及通道均衡、16 通道數(shù)字基帶信號(hào)光纖實(shí)時(shí)傳輸、接收雷達(dá)系統(tǒng)控制命令和時(shí)序信號(hào)并同步控制DDS 產(chǎn)生雷達(dá)所需各種信號(hào)、同時(shí)提供16 個(gè)數(shù)字收發(fā)單元所需時(shí)鐘、本振、電源和時(shí)序信號(hào)。

2.4 電源設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)架構(gòu)和瓦片式的布局，電源采用二次分配方案，由多通道數(shù)字收發(fā)板提供給每個(gè)數(shù)字收發(fā)單元所需要的各種電源。電源分配框圖如圖3 所示。

圖3：電源分配框圖

圖4：瓦片式DAM 和天線子陣實(shí)物圖

圖5-1：輸出功率測(cè)試結(jié)果

圖5-2：噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖5-3：動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試結(jié)果

圖5-4：波形采集測(cè)試結(jié)果

2.5 結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)

DAM 采用片式架構(gòu)和微通道高效散熱設(shè)計(jì)。DAM 由16 個(gè)數(shù)字收發(fā)單元、冷板、多通道一體化數(shù)字收發(fā)電路以及高低頻混裝插座、光連接器、SMP 連接器、水接頭等組成。瓦片式DAM 結(jié)構(gòu)分縱向分為數(shù)字化收發(fā)單元、一體化冷板、本振功分網(wǎng)絡(luò)、多通道一體化數(shù)字收發(fā)電路。

對(duì)于系統(tǒng)熱管理而言，影響散熱效果的主要環(huán)節(jié)包括芯片的結(jié)溫，芯片與組件載板之間的接觸熱阻，載板與散熱流道的接觸熱阻，和散熱系統(tǒng)的流量、供液溫度等環(huán)控條件。提高系統(tǒng)散熱效果的關(guān)鍵是減小功放芯片到散熱流道之間的熱阻（包括芯片與載板之間的熱阻（芯片級(jí)散熱）），以及散熱通道與載板之間的熱交換能力（系統(tǒng)級(jí)散熱）。為了滿足GaN 功率芯片散熱要求，采用新型熱沉材料-金剛石銅。在冷板的冷卻槽道中增加微小型翅片結(jié)構(gòu)。

3 指標(biāo)與測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，研制S 波段瓦片式數(shù)字陣列模塊，圖4 為瓦片式DAM 和數(shù)字陣列體制片式天線陣面的樣機(jī)的實(shí)物照片。對(duì)DAM 的電訊指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，主要測(cè)試曲線見(jiàn)圖5。DAM 在工作頻帶內(nèi)100MHz 信號(hào)帶寬工作時(shí)，輸出功率≥40W、噪聲系數(shù)≤2.46dB、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍≥60dB、效率≥40.6%、數(shù)據(jù)傳輸速率≥22.4Gb/s、散熱能力達(dá)到150W/cm2，同時(shí)體積和重量較傳統(tǒng)DAM 下降30%，可滿足多功能雷達(dá)系統(tǒng)的需求。

表1：瓦片式DAM 指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)S 波段瓦片式寬帶數(shù)字陣列模塊的研制，通過(guò)機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)，突破了片式高密度集成設(shè)計(jì)、微波垂直互連、三維微波數(shù)字混合設(shè)計(jì)、多通道數(shù)字收發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)。瓦片式數(shù)字陣列模塊將傳統(tǒng)體制DAM 數(shù)字母板中ADC 和DDS 前移，與射頻前端、模擬中頻進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)分布數(shù)字化、集中數(shù)字處理，可以對(duì)DAM 進(jìn)行4/8/16 通道靈活配置；采用彈性連接器完成高速、控制、電源信號(hào)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)22.4Gbps 高速數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸；采用整體水冷、局部毛細(xì)散熱方案，充分利用高熱流密度散熱技術(shù)，取得良好的散熱效果。與傳統(tǒng)DAM 相比，具有寬帶綜合射頻前端，軟件靈活定義系統(tǒng)功能的特點(diǎn)，將在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等多個(gè)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。