彭恩超，張 瑞

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

0 引 言

數(shù)字陣列雷達(dá)對(duì)每個(gè)收發(fā)通道的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射波形產(chǎn)生與接收信號(hào)的全數(shù)字化處理。與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)相比，數(shù)字陣列雷達(dá)具有大動(dòng)態(tài)范圍、容易形成多波束、低損耗、低副瓣、系統(tǒng)任務(wù)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為雷達(dá)探測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)[1-2]。數(shù)字陣列模塊(Digital Array Module，DAM)是數(shù)字陣列雷達(dá)的關(guān)鍵核心部件之一，是一種采用集成化和數(shù)字化技術(shù)，將射頻收發(fā)單元、中頻數(shù)字收發(fā)單元、本振功分網(wǎng)絡(luò)、分布式電源、集中式電源、分布式參考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。目前國(guó)內(nèi)對(duì)DAM的研究取得了很大的進(jìn)步，研究成果覆蓋多個(gè)頻段[3-5]，但是研制得到的DAM結(jié)構(gòu)尺寸和重量往往較大，限制了其在小型化、輕量化要求較高的平臺(tái)的應(yīng)用。

近年來(lái)，基于衛(wèi)星平臺(tái)的天基雷達(dá)探測(cè)已成為軍事偵察和戰(zhàn)略預(yù)警的重要手段[6-7]。天基雷達(dá)要有效完成高分辨率對(duì)地成像、快速動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)搜索跟蹤等軍事任務(wù)，需要具備更大口徑和更強(qiáng)的電性能。在口徑不斷增大、電性能指標(biāo)不斷提高以至設(shè)備量越來(lái)越龐大的情況下，有源相控陣天線陣面(包括天線和收發(fā)組件)的低剖面、輕量化、高效率設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要[7-8]。

本文介紹了一種P頻段DAM設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)架構(gòu)、電路和結(jié)構(gòu)三個(gè)方面具體展開(kāi)設(shè)計(jì)，研制得到的DAM組件具備較高的單元發(fā)射功率，高效輕質(zhì)，結(jié)構(gòu)緊湊，在天基雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

P頻段DAM組件采用單元數(shù)字化技術(shù)，在光信號(hào)的控制下完成14通道雙極化P頻段信號(hào)的大功率發(fā)射和低噪聲接收。DAM內(nèi)部集成14路射頻收發(fā)(TR)單元、數(shù)字收發(fā)電路、圓極化校正網(wǎng)絡(luò)、儲(chǔ)能電容等，其系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 DAM系統(tǒng)架構(gòu)框圖

發(fā)射時(shí)，數(shù)字收發(fā)電路(簡(jiǎn)稱數(shù)字板)產(chǎn)生的射頻激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)TR單元發(fā)射通道的多級(jí)功率放大，獲得總共14路雙極化大功率信號(hào)，單極化輸出峰值功率大于55 W。雙極化方式通過(guò)90° 3 dB電橋功分來(lái)實(shí)現(xiàn)，而在送到電橋之前經(jīng)過(guò)一個(gè)校正耦合器，供系統(tǒng)發(fā)射定標(biāo)、校正之用。

接收時(shí)，從雙極化天線接收的兩路相差90°的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)3 dB電橋合成一路后經(jīng)過(guò)耦合器，耦合信號(hào)便于系統(tǒng)進(jìn)行接收定標(biāo)，直通信號(hào)通過(guò)TR單元的接收通道進(jìn)行限幅、放大、濾波，最后送入數(shù)字板直接采樣處理。

數(shù)字板集成數(shù)字波形產(chǎn)生和數(shù)字接收機(jī)，工作原理見(jiàn)圖2。數(shù)字接收機(jī)完成P頻段射頻信號(hào)的直接采樣、數(shù)字下變頻和數(shù)據(jù)融合，輸出基帶I/Q信號(hào)，如圖2(a)所示；數(shù)字波形產(chǎn)生采用基于直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技術(shù)的波形產(chǎn)生，如圖2(b)所示。DDS技術(shù)可以直接對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)波形參數(shù)(如頻率、相位、幅度)中的1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)同時(shí)進(jìn)行直接調(diào)制，以適應(yīng)復(fù)雜的雷達(dá)信號(hào)形式的要求；能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的相位控制，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射數(shù)字波束形成[9]。

圖2 數(shù)字收發(fā)工作原理

P頻段DAM面向天基雷達(dá)的應(yīng)用需求，為了滿足整個(gè)有源天線陣面的低剖面、輕量化要求，在系統(tǒng)架構(gòu)上作了精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)：通過(guò)大容量高速光纖與信號(hào)處理通信實(shí)現(xiàn)波形產(chǎn)生和高速采集數(shù)據(jù)回傳，接口簡(jiǎn)潔；模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)校正耦合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)內(nèi)校正功能，避免了大型天線因校正網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的額外復(fù)雜度；采用射頻直接采樣的方式工作，從而省去了變頻電路和本振信號(hào)分配網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了可靠性，節(jié)約了系統(tǒng)功耗和質(zhì)量。

2 電路設(shè)計(jì)

DAM的電路主要包括TR單元電路、數(shù)字收發(fā)電路、圓極化校正網(wǎng)絡(luò)以及其他信號(hào)連接過(guò)渡電路。電路設(shè)計(jì)具有高密度集成的特點(diǎn)：TR單元采用高度集成的微波電路模塊；多通道數(shù)字收發(fā)一體化設(shè)計(jì)；采用立體安裝方式和多層電路基板，實(shí)現(xiàn)靈巧緊湊三維布局。

2.1 高集成TR單元設(shè)計(jì)

TR單元包括發(fā)射通道和接收通道。為降低其體積重量，TR單元高度集成化設(shè)計(jì)，將發(fā)射通道、接收通道以及穩(wěn)壓控制保護(hù)電路集成于一個(gè)多功能模塊。模塊尺寸為40 mm×50 mm×8 mm，質(zhì)量低于50 g。

接收通道主要功能是將天線接收到的回波信號(hào)進(jìn)行限幅、放大、濾波，最后送給多通道數(shù)字板上的ADC。接收鏈路主要包含平衡限幅低噪放、溫補(bǔ)衰減、多級(jí)放大、濾波器及開(kāi)關(guān)等元件。低噪聲放大器調(diào)制工作，在發(fā)射期間處于斷電狀態(tài)，保護(hù)低噪聲放大器不燒毀，同時(shí)也切斷了收發(fā)通道之間的增益環(huán)路，盡量避免可能出現(xiàn)的自激現(xiàn)象。限幅低噪放設(shè)計(jì)為雙平衡低噪放，輸入端采用低損耗的90° 3 dB電橋。電橋?qū)⒋蠊β瘦斎胄盘?hào)功分兩路，降低了后面限幅電路的耐功率設(shè)計(jì)難度；并且將限幅電路反射回來(lái)的功率合成到電橋的隔離端，并被大功率負(fù)載吸收，實(shí)現(xiàn)了吸收式限幅的功能；同時(shí)，雙路工作也大大提高了系統(tǒng)可靠性，其中一路損壞，系統(tǒng)仍可工作，僅僅噪聲系數(shù)增加3 dB。濾波器為通頻帶為80 MHz的帶通濾波器，起到抗混疊和抑制帶外雜散的作用。圖3給出了接收通道增益和噪聲系數(shù)分配設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真計(jì)算得到通道增益為53.8 dB，噪聲系數(shù)為1.36 dB。

圖3 接收通道增益和噪聲系數(shù)分配

發(fā)射通道的主要功能是將數(shù)字板DAC輸出的-10 dBm的激勵(lì)小信號(hào)通過(guò)濾波、開(kāi)關(guān)、多級(jí)放大，最后飽和輸出大功率的射頻信號(hào)。末級(jí)功放采用平衡式設(shè)計(jì)，兩個(gè)功放芯片通過(guò)輸入電橋和大功率輸出電橋?qū)崿F(xiàn)功率合成。與平衡式限幅低噪放類似，平衡式功放設(shè)計(jì)有諸多優(yōu)點(diǎn):一方面通過(guò)電橋隔離端的大功率負(fù)載吸收由于輸出端口失配所形成的駐波能量，從而提高功放輸出端阻抗拉偏時(shí)的穩(wěn)定性和抗燒毀能力；另一方面降低了單個(gè)芯片的功率和散熱要求，提高了系統(tǒng)的可靠性，即便有一個(gè)芯片失效也有部分功率輸出。功放芯片采用高效GaN芯片，工作電壓+28 V，單芯片飽和輸出80 W左右，效率達(dá)70%。圖4給出了發(fā)射通道增益分配，通過(guò)仿真計(jì)算得到通道總增益為61.5 dB，輸出功率為140 W，發(fā)射效率60%。

圖4 發(fā)射通道增益分配

2.2 圓極化校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圓極化校正網(wǎng)絡(luò)集成了14個(gè)通道的耦合器和90° 3 dB電橋，如圖5所示。發(fā)射時(shí)每個(gè)TR單元的發(fā)射輸出信號(hào)先通過(guò)耦合器，再經(jīng)過(guò)3 dB電橋形成兩路互相正交的信號(hào)送給圓極化天線。接收時(shí)圓極化天線接收的兩路互相正交的信號(hào)先通過(guò)3 dB電橋合成一路信號(hào)，再經(jīng)過(guò)耦合器送給TR單元的接收通道。圓極化校正網(wǎng)絡(luò)采用多層的帶狀線結(jié)構(gòu)，所有的射頻信號(hào)均通過(guò)內(nèi)層走線增強(qiáng)屏蔽，減小通道之間的電磁干擾。經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)單元實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)為，插入損耗小于0.3 dB，電橋隔離大于20 dB，耦合器耦合度28±2 dB，耦合器定向性大于15 dB。

圖5 圓極化校正網(wǎng)絡(luò)原理圖

為了進(jìn)一步減小體積提高系統(tǒng)的集成度，圓極化校正網(wǎng)絡(luò)上面集成了電源匯流印制板和儲(chǔ)能電容。儲(chǔ)能電容采用高容量密度的表貼電容，外部送入的+28 V直流電源先通過(guò)儲(chǔ)能電容再饋送至每個(gè)功放單元，這樣可有效保證功放芯片脈沖工作狀態(tài)輸出信號(hào)的脈內(nèi)功率頂降不至過(guò)大[9]。

儲(chǔ)能電容的容量C與功率放大器的峰值工作電流Ip、脈寬Tp、工作電壓Vcc以及要求的頂降δ有關(guān)，它們之間滿足[10]

(1)

考慮到單個(gè)TR單元發(fā)射輸出峰值功率140 W，效率60 %，工作電壓Vcc= 28 V，由此計(jì)算出組件峰值電流Ip=8.3 A。DAM最大工作脈寬Tp=100 μs，脈內(nèi)電壓降δ不超過(guò)5%，計(jì)算得到每個(gè)TR單元需要儲(chǔ)能電容為593 μF，考慮25%余量選用11個(gè)68 μF的鉭電容即可滿足要求。

2.3 數(shù)字收發(fā)電路設(shè)計(jì)

數(shù)字收發(fā)電路基于FPGA、多通道DAC和多通道ADC，在一塊印制板上實(shí)現(xiàn)14通道的數(shù)字化接收機(jī)和14通道的數(shù)字波形產(chǎn)生器。數(shù)字收發(fā)電路基本組成如圖6所示，4片四通道ADC器件完成14路中頻信號(hào)的采集，4片四通道DAC器件完成14路中頻信號(hào)產(chǎn)生，F(xiàn)PGA內(nèi)主要進(jìn)行數(shù)字下變頻、數(shù)字上變頻、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍幚恚饽K負(fù)責(zé)完成信號(hào)的光電與電光轉(zhuǎn)換，TTL驅(qū)動(dòng)芯片用來(lái)控制射頻前端TR單元脈沖調(diào)制和收發(fā)開(kāi)關(guān)切換。

圖6 數(shù)字收發(fā)電路原理圖

考慮系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)，減小大信號(hào)對(duì)小信號(hào)的干擾、數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，將數(shù)字板的+12 V電源和TR單元的+28 V電源互相隔離，同時(shí)將兩者在空間上分開(kāi)，各自布置在DAM殼體的雙面。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)DAM組件布局緊湊，采用雙層結(jié)構(gòu)形式，一層布置14通道模擬收發(fā)電路，包括TR單元、圓極化校正網(wǎng)絡(luò)等；另一層布置一體化數(shù)字收發(fā)板。組件殼體采用薄壁局部加厚的方法，在保證固件強(qiáng)度的同時(shí)減少重量。組件盡量壓縮厚度方向的尺寸，以滿足系統(tǒng)低剖面的要求。

按照發(fā)射脈沖占空比為10%，根據(jù)前面的理論設(shè)計(jì)，TR單元輸出峰值功率140 W，效率60%，計(jì)算得到TR單元功耗23.3 W，熱耗9.3 W。數(shù)字板功耗為50 W，全部轉(zhuǎn)化為熱量。由于TR發(fā)射輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)圓極化校正網(wǎng)絡(luò)后有0.3 dB的損耗，計(jì)算得到DAM單通道雙極化輸出峰值功率130 W，單極化輸出峰值功率65 W，DAM效率理論值為48.3%。

DAM內(nèi)部發(fā)熱器件主要為TR單元和數(shù)字板上的ADC、DAC、FPGA等發(fā)熱器件。為了增強(qiáng)發(fā)熱器件的散熱效果，通過(guò)以下途徑來(lái)解決：TR模塊下表面與組件殼體墊導(dǎo)熱銦箔；TR模塊上表面與組件蓋板加導(dǎo)熱襯墊；在殼體和蓋板上設(shè)計(jì)散熱凸臺(tái)來(lái)傳導(dǎo)數(shù)字板上器件產(chǎn)生的熱量。為了實(shí)現(xiàn)有源天線陣面的低剖面設(shè)計(jì)要求，將DAM組件緊貼天線反射板(同時(shí)作為散熱冷板)安裝，因此DAM可通過(guò)導(dǎo)冷的方式散熱，這樣可精簡(jiǎn)DAM殼體散熱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，也便于系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)。

具體熱設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)冷板維持恒溫45 ℃(系統(tǒng)最高環(huán)境溫度)，將組件緊貼于冷板上。通過(guò)仿真優(yōu)化，得到組件溫度分布，如圖7所示，模擬通道最高溫度為53.6 ℃，通道間最大溫差為5.6 ℃，數(shù)字板的最高溫度位于ADC器件為72.2 ℃。

(a)正面

(b)背面圖7 DAM組件熱仿真結(jié)果

根據(jù)公式(2)通過(guò)計(jì)算和查看器件手冊(cè)，TR每個(gè)功放芯片的熱耗約9.3 W/2=4.65 W，熱阻為0.7 ℃/W；ADC熱耗為1.66 W，熱阻為1.0 ℃/W。計(jì)算得到功放芯片最高結(jié)溫為56.9 ℃，ADC最高結(jié)溫為73.9 ℃，滿足使用要求。

θj=θc+Rth×Pr。

(2)

式中：θj為管芯的結(jié)溫，θc為芯片的殼溫，Pr為芯片平均熱耗，Rth為管芯到管殼的熱阻。

4 硬件實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

通過(guò)精心設(shè)計(jì)最終研制得到DAM樣機(jī)，如圖8所示，其結(jié)構(gòu)尺寸為339 mm×185 mm×30 mm，質(zhì)量為2.23 kg。該樣機(jī)具備14個(gè)收發(fā)通道，每個(gè)通道雙極化輸出。經(jīng)測(cè)試其性能指標(biāo)如下：帶寬80 MHz，單極化輸出峰值功率不小于55 W，噪聲系數(shù)小于等于2.0 dB，接收信噪比不小于60 dB。

圖8 DAM樣機(jī)實(shí)物圖

表1給出了接收通道噪聲系數(shù)和信噪比測(cè)試結(jié)果。根據(jù)前面仿真計(jì)算，TR單元的噪聲系數(shù)為1.36 dB，結(jié)合圓極化校正網(wǎng)絡(luò)的插入損耗0.3 dB，可得出總噪聲系數(shù)理論值為1.66 dB，與測(cè)試結(jié)果吻合得較好。

表1 接收通道噪聲系數(shù)和信噪比測(cè)試結(jié)果

圖9給出了80 MHz帶寬線性調(diào)頻模式下發(fā)射輸出信號(hào)頻譜，圖10給出了80 MHz帶內(nèi)F1～F5 5個(gè)頻點(diǎn)發(fā)射單極化輸出峰值功率測(cè)試結(jié)果。

圖9 80 MHz掃頻發(fā)射輸出信號(hào)頻譜

根據(jù)測(cè)試的功率和電流可計(jì)算出DAM的工作效率

(3)

式中：Pi為第i通道的單極化輸出峰值功率，由于通道雙極化輸出故乘以系數(shù)2；D為工作占空比；VA和IA分別為模擬通道電源電壓和電流；VD和ID分別為數(shù)字板電源電壓和電流。在工作比D=10%的情況下得到DAM的效率約為45%，與理論計(jì)算值較接近。通過(guò)提升DAM發(fā)射工作比可以進(jìn)一步提高效率，但應(yīng)權(quán)衡系統(tǒng)散熱條件的限制。

圖10 發(fā)射單極化輸出峰值功率測(cè)試

表2給出了本樣機(jī)與文獻(xiàn)[3]報(bào)道的DAM在尺寸、質(zhì)量和效率的比較，可見(jiàn)雖然工作于相近頻段，本樣機(jī)內(nèi)部集成的通道數(shù)較文獻(xiàn)[3]的通道數(shù)增加了幾乎一倍，但尺寸和質(zhì)量卻大幅減小，效率亦有明顯提高，這得益于本樣機(jī)基于射頻直采的精簡(jiǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)以及高密度集成的電路設(shè)計(jì)。

表2 本樣機(jī)和文獻(xiàn)[3]的DAM相關(guān)參數(shù)的比較

5 結(jié)束語(yǔ)

低剖面、輕量化和高效率是天基有源相控陣天線陣面的要求。本文提供了一種P頻段數(shù)字陣列模塊的設(shè)計(jì)方法并在此基礎(chǔ)上研制了樣機(jī)。該樣機(jī)具備14通道雙極化輸出，架構(gòu)簡(jiǎn)單，電路集成度高，性能可靠，結(jié)構(gòu)緊湊。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，通道噪聲系數(shù)小于2.0 dB，單極化輸出峰值功率大于55 W，10%工作比條件下效率達(dá)到45%， 整個(gè)模塊質(zhì)量低至2.23 kg。該DAM輕量化、高效率特點(diǎn)在同行研究成果中優(yōu)勢(shì)突出，在天基雷達(dá)等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用潛力。下一步研究工作是致力于提升功率密度(包括峰值功率和工作比)和帶寬，以滿足不同應(yīng)用需求。