李 旭

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

相控陣測控系統(tǒng)的基本原理是在同一時刻將不同通道的信號進(jìn)行幅度、相位加權(quán)，從而達(dá)到信號在天線遠(yuǎn)場形成波束精確合成指向的功能[1]。實現(xiàn)不同通道的信號幅度、相位加權(quán)來進(jìn)行波束合成指向主要有模擬T/R組件合成和數(shù)字T/R組件合成兩種方式，由于數(shù)字加權(quán)合成波束方式速度響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)定性好、波束可擴(kuò)展性強(qiáng)，因此數(shù)字波束合成架構(gòu)對應(yīng)的數(shù)字T/R組件成為了目前相控陣測控系統(tǒng)核心部件的主流實現(xiàn)方式[2-4]。

性能良好的T/R組件設(shè)計既是相控陣測控系統(tǒng)設(shè)計中的難點，也是相控陣測控系統(tǒng)設(shè)計中的核心，一個性能優(yōu)異的相控陣測控系統(tǒng)必須要有一個性能可靠、設(shè)計合理、使用維修方便的T/R組件設(shè)計來支撐。隨著相控陣測控系統(tǒng)的集成度越來越高，通道數(shù)越來越多，高集成度一體化數(shù)字T/R組件設(shè)計也顯得越來越迫切。

數(shù)字T/R組件根據(jù)其集成方式和結(jié)構(gòu)形態(tài)的不同一般可分為縱向集成橫向組裝的磚式T/R組件和橫向集成縱向組裝的瓦式一體化T/R組件兩種形式[5]。傳統(tǒng)的磚式T/R組件是由多個功能完整的小模塊橫向組裝成一個子陣級T/R組件模組，每個小模塊單獨完成子陣內(nèi)部分通道T/R組件的信號處理。傳統(tǒng)磚式T/R組件主要存在尺寸大、功耗高、集成度低、安裝復(fù)雜、散熱效果差和可靠性不高等問題。

為了解決磚式T/R組件存在的一系列問題，目前一般采用瓦式T/R組件解決方案。新型瓦式一體化T/R組件的形態(tài)結(jié)構(gòu)為多層瓦片式層疊結(jié)構(gòu)，每一層瓦片完成整個子陣所有通道的部分獨立功能。典型的相控陣測控系統(tǒng)從天線陣面往后依次分為天線陣元、背板、雙工器、接收模塊、發(fā)射模塊、冷板、多通道預(yù)處理模塊和子陣電源模塊等幾個部分。

傳統(tǒng)磚式T/R組件和新型瓦式T/R組件的不同結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)特點也決定了它們對于元器件技術(shù)指標(biāo)要求的不同。相控陣測控系統(tǒng)中新型瓦式一體化T/R組件由于集成度更高、尺寸更小，帶來的設(shè)計挑戰(zhàn)是系統(tǒng)的收發(fā)隔離設(shè)計要求更高。除了系統(tǒng)頻譜規(guī)劃上的收發(fā)隔離設(shè)計外，瓦式一體化T/R組件對收發(fā)鏈路有源器件的隔離度和線性度要求更高，對于雙工器、連接器、印制板和腔體結(jié)構(gòu)等無源器件的隔離度和無源互調(diào)性能也提出了更高的要求。

1 新型瓦式一體化T/R組件設(shè)計

下面以16個陣元通道規(guī)模的相控陣測控系統(tǒng)的子陣為例來進(jìn)行T/R組件的設(shè)計說明。該相控陣測控系統(tǒng)具備多個波束左右旋同時接收和多個波束左右旋分時發(fā)射的能力，每個天線子陣有16個陣元，32個旋向的同時接收處理和16個旋向的分時發(fā)射處理能力。單個子陣級T/R組件的組成框圖如圖1所示。

圖1 16個陣元子陣級T/R組件組成框圖

傳統(tǒng)的磚式T/R組件示意圖如圖 2所示，16個陣元的子陣級T/R組件模組由4個獨立的T/R組件模塊組成，每個T/R組件完成4個陣元(8個接收通道，4個發(fā)射通道)的收發(fā)處理。

圖2 磚式T/R組件示意圖

圖2所示的磚式子陣級T/R組件模組由4個直插式的磚式T/R組件構(gòu)成，每個磚式T/R組件先完成4個陣元通道的信號收發(fā)、放大、變頻、采樣處理及第一級的子陣級的波束合成與處理，再通過分離的高速數(shù)字線纜組件連接到陣面后端進(jìn)行下一級子陣間更大規(guī)模的數(shù)字波束合成與處理。

新型瓦式一體化T/R組件的形態(tài)結(jié)構(gòu)為多層瓦片式層疊結(jié)構(gòu)，每一層瓦片完成整個16陣元子陣所有通道的部分獨立功能。瓦式一體化T/R組件中，天線及雙工器作為無源器件一般會進(jìn)行綜合設(shè)計考慮，除子陣電源外其他各個模塊作為瓦式一體化T/R組件進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計。新型瓦式一體化T/R組件示意圖如圖3所示。

圖3 新型瓦式一體化T/R組件示意圖

1.1 收發(fā)模塊設(shè)計

收發(fā)模塊為高性能、高集成度的頻分雙工(Frequency Division Duplexing,FDD)收發(fā)組件，該組件集射頻放大、混頻、本振為一體，一般采用超外差變頻電路結(jié)構(gòu)設(shè)計。在接收方向，接收模塊的射頻前端完成32路左旋和右旋射頻信號的耦合、低噪聲放大、濾波、模擬下變頻等處理；在發(fā)射方向，發(fā)射模塊的射頻前端完成16路左旋或右旋信號的模擬濾波、上變頻、功率放大、耦合輸出、極化選擇等處理。為了完成各通道的幅相一致性標(biāo)校，收發(fā)模塊均集成有收發(fā)校準(zhǔn)功能。

由于新型瓦式一體化T/R組件通道集成度高，所以收發(fā)鏈路之間的通道隔離就成了T/R組件設(shè)計時的關(guān)注重點。為了降低發(fā)射鏈路對接收鏈路的干擾，在實際設(shè)計時發(fā)射模塊和接收模塊一般分成兩個獨立的腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局設(shè)計。

接收模塊采用多層板設(shè)計，多層板正面為中頻電路部分，背面為射頻電路部分，布局示意圖如圖4所示。接收模塊部分發(fā)熱量較小，所以在瓦式一體化T/R組件整體層疊設(shè)計時接收模塊靠近天線雙工器一側(cè)布局。

圖4 接收模塊布局

發(fā)射模塊也采用多層板設(shè)計，多層板正面為中頻電路部分，背面為射頻部分，布局示意圖如圖5所示。發(fā)射模塊功放發(fā)熱量大，為了實現(xiàn)良好的液冷散熱效果，瓦式一體化T/R組件層疊設(shè)計時將發(fā)射模塊的末級功放安裝面直接與液冷板接觸貼合。

圖5 發(fā)射模塊布局

1.2 多通道預(yù)處理模塊設(shè)計

多通道預(yù)處理模塊前端通過盲插的接插件與收發(fā)模塊的中頻接口垂直互聯(lián)，完成32路中頻接收信號的模擬數(shù)字(Analog-Digital,A/D)轉(zhuǎn)換處理，同時完成16路中頻發(fā)射信號的數(shù)字模擬(Digital-Analog,D/A)轉(zhuǎn)換處理。接收方向上，采樣完成后的數(shù)字信號一般通過JESD204B串行高速接口傳輸至預(yù)處理板上的數(shù)據(jù)處理芯片進(jìn)行第一級的波束合成處理，處理完成的串行數(shù)據(jù)再通過高速光纖傳輸至陣面后端進(jìn)行下一級的波束匯聚。發(fā)射的上行數(shù)據(jù)流程和接收數(shù)據(jù)方向相反。

多通道預(yù)處理模塊在設(shè)計上統(tǒng)一考慮了多種工作模式的使用需求，除了配置有一片用于數(shù)據(jù)處理的現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片外，一般還配置由一片主控FPGA芯片，陣面后端設(shè)備可以通過數(shù)據(jù)/控制協(xié)議復(fù)用的高速光纖鏈路對主控FPGA進(jìn)行不同的配置與管理，以適應(yīng)不同的工作模式加載。為了滿足大規(guī)模子陣級的程序升級，多通道預(yù)處理模塊設(shè)計有支持功能代碼的在線更新，支持硬件平臺的工作狀態(tài)監(jiān)控等功能，可以滿足相控陣測控系統(tǒng)多通道、多波束形成的應(yīng)用場景。多通道預(yù)處理模塊的功能組成框圖如圖6所示。

圖6 多通道預(yù)處理模塊功能組成框圖

典型的16陣元(32個接收通道，16個發(fā)射通道)多通道預(yù)處理模塊采用1片主控FPGA芯片完成預(yù)處理模塊的配置與管理，1片數(shù)據(jù)處理FPGA芯片完成上下行數(shù)據(jù)的合成與傳輸，16片雙通道AD芯片完成32個接收鏈路的數(shù)據(jù)采樣，4片四通道的DA芯片完成16個發(fā)射通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換。除此之外，還需要配置有數(shù)字光模塊、時頻處理模塊等功能模塊。

時頻處理模塊的主要功能是完成對各個子陣上下行多路時頻信號的傳輸與分配，上行信號主要包括接收本振、發(fā)射本振、接收標(biāo)校、時鐘和同步信號，下行信號主要是發(fā)射標(biāo)校信號。為了提高相控陣測控系統(tǒng)時頻信號分配的可靠性和集成度，目前的相控陣測控系統(tǒng)主要采用波分復(fù)用的光傳輸架構(gòu)進(jìn)行時頻信號分發(fā)。時頻光處理模塊中的光波分復(fù)用器解出上行的多路時頻光信號，分別對其光電轉(zhuǎn)換和放大，最后由電接口輸出分配給收發(fā)組件和多通道預(yù)處理模塊使用。下行的1路發(fā)射標(biāo)校信號先放大再電光轉(zhuǎn)換為下行光信號，下行光信號與上行光信號波分復(fù)用為一芯光纖進(jìn)行傳輸[6]。時頻處理模塊主要由光放大器和光波分復(fù)用器組成，其組成框圖如圖7所示。

圖7 時頻處理模塊組成示意圖

1.3 子陣電源設(shè)計

為了降低傳輸損耗，提高電源分配效率，目前的相控陣測控系統(tǒng)一般采用高壓直流方式進(jìn)行子陣級的T/R組件電源分配：首先通過陣面后端的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備將市電轉(zhuǎn)化為高壓直流電，然后再通過電源線將高電壓、低電流的直流電送到各個子陣處。子陣電源的主要功能是將后端輸入到陣面的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電后給瓦式一體化T/R組件各個功能模塊供電。高壓直流的傳輸方式可以大大減少電源傳輸?shù)哪芰繐p耗，提高系統(tǒng)的用電效率。典型的子陣電源主要由保險、浪涌電流抑制電路、電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)濾波電路、濾波電路、直流(Direct Current，DC)變換器、電壓電流檢測電路、指示電路和控制器等組成。

1.4 子陣互聯(lián)設(shè)計

子陣互聯(lián)設(shè)計主要包含低頻互聯(lián)設(shè)計和射頻互聯(lián)設(shè)計。低頻互聯(lián)主要指瓦式一體化T/R組件各模塊間電源和時鐘信號的互相連接，射頻互聯(lián)主要指天線陣面和雙工器、雙工器和收發(fā)模塊、收發(fā)模塊和多通道預(yù)處理模塊之間的射頻連接。射頻互聯(lián)設(shè)計時主要有兩個方面的考慮：一是降低各連接面及接插件的無源互調(diào)值，避免相控陣測控系統(tǒng)在多載波大功率工作時產(chǎn)生過大的互調(diào)信號，影響相控陣測控系統(tǒng)的接收工作性能并對周邊其他系統(tǒng)產(chǎn)生額外干擾；二是加強(qiáng)不同通道連接面的隔離設(shè)計，避免同一子陣內(nèi)不同通道之間的信號串?dāng)_。

以雙工器和T/R組件連接面的連接方式為例，該連接面采用低互調(diào)的雙陰連接器進(jìn)行互聯(lián)設(shè)計。雙陰連接器的半浮動特性可以降低對于安裝面連接器位置的加工精度要求，提高瓦式一體化T/R組件各模塊安裝的工程可實現(xiàn)性。為了進(jìn)一步提高雙工器和T/R組件連接面各通道間的隔離性能，在雙工器各連接器端面處設(shè)計有凸臺結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的在T/R組件連接面處設(shè)計有對插的凹槽結(jié)構(gòu)，通過凸臺和凹槽的插合配合，一方面可以提高不同通道的屏蔽隔離性，另一方面可以起到導(dǎo)銷定位功能，降低多個連接器安裝面同時對插安裝的復(fù)雜性。

2 新型瓦式一體化T/R組件性能分析

2.1 功耗分析

如表1所示，16個陣元(32收16發(fā)通道)的新型瓦式一體化T/R組件的單個子陣功耗為267 W，遠(yuǎn)小于同樣通道數(shù)的傳統(tǒng)磚式T/R組件的350 W，T/R組件形態(tài)的優(yōu)化和集成度的提高顯著降低了組件的功耗，從而減少了整個系統(tǒng)的散熱壓力和用電負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的可靠性。

表1 瓦式一體化組件功耗分析

2.2 熱仿真分析

瓦式一體化T/R組件集成度越來越高，熱流密度也越來遠(yuǎn)大，傳統(tǒng)的風(fēng)冷對流散熱方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足T/R組件的散熱需求，所以新型瓦式一體化T/R組件一般采用液冷散熱方式。散熱的液冷冷板采用流體冷卻的方式，以冷卻液為流體載熱介質(zhì)，通過流體循環(huán)流動將整個系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量帶出。

傳統(tǒng)磚式T/R組件散熱冷板位于T/R組件和子陣天線陣面之間，4個獨立的磚式T/R組件只有靠近冷板的發(fā)射模塊散熱效果較好，后端的接收模塊尤其是T/R組件發(fā)熱量巨大的數(shù)字板距離冷板過遠(yuǎn)，熱阻大，散熱效果差，直接影響了T/R組件的工作性能及可靠性。

新型瓦式一體化T/R組件散熱冷板位于發(fā)射模塊和數(shù)字板之間，散熱面積大，散熱路徑短，組件中發(fā)熱量大的發(fā)射模塊和多通道預(yù)處理數(shù)字板均緊貼散熱冷板的兩側(cè)，散熱效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的磚式T/R組件。

按照供液溫度30 ℃、流量1 L/min、環(huán)境溫度45 ℃、總熱耗267 W、流體介質(zhì)為65#防凍液的條件進(jìn)行工程流體動力學(xué)仿真分析，瓦式一體化T/R組件整體及內(nèi)部各芯片的殼溫溫度云圖如圖8和圖9所示。

圖8 瓦式一體化T/R組件溫度云圖

根據(jù)仿真結(jié)果，所有芯片的殼溫最高溫度為85.95 ℃，最低溫度為 39.43 ℃。最高溫度分布在發(fā)射模塊的功放芯片處，該處芯片熱流密度比較高，所以此處芯片殼溫相對較高。整個一體化組件外表面最高殼溫53.61 ℃，集中在子陣電源處。仿真結(jié)果顯示各模塊芯片均工作在適宜的工作溫度點，設(shè)備運行環(huán)境良好。

2.3 尺寸重量分析

16個陣元(32收16發(fā)通道)的子陣級傳統(tǒng)磚式T/R組件的整體外形尺寸約為300 mm×300 mm×170 mm，質(zhì)量約為25 kg。該新型瓦式一體化T/R組件的整體尺寸為245 mm(長)×237 mm(寬)×58 mm(高)(不含連接器及把手等)，質(zhì)量為17 kg，遠(yuǎn)小于同樣通道數(shù)目的傳統(tǒng)磚式T/R組件。T/R組件高度尺寸的大幅降低可以顯著優(yōu)化相控陣天線內(nèi)部的操作空間，徑向集成度的提高可以有效降低整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安裝復(fù)雜性，從而方便操作人員對于設(shè)備的安裝及后期維護(hù)。

2.4 安裝及維護(hù)性

傳統(tǒng)的磚式T/R組件安裝時需要先將液冷板和天線背板進(jìn)行安裝連接，然后再將各個獨立的磚式T/R組件依次通過液冷板和天線陣面進(jìn)行連接，各T/R組件模塊安裝完成后再將各磚式T/R組件通過高速線纜和后端的下一級波束合成設(shè)備進(jìn)行連接，安裝過程復(fù)雜，維修維護(hù)不便。

新型瓦式一體化T/R組件在進(jìn)行集成安裝時可以先在產(chǎn)線上將收發(fā)模塊、液冷板、多通道預(yù)處理模塊、子陣電源以及互聯(lián)線纜進(jìn)行安裝連接，安裝完成后再將整個瓦式一體化T/R組件通過盲插連接器和天線背板進(jìn)行一次性連接，大大簡化了安裝流程，也為后期天線陣面上T/R組件的維修更換提供了便利條件[7]。

3 結(jié)束語

本文針對相控陣測控系統(tǒng)T/R組件的設(shè)計需求，分析了傳統(tǒng)磚式T/R組件存在的集成度低、尺寸大、功耗高、安裝復(fù)雜和后期維護(hù)性差等問題，設(shè)計了一種新型瓦式一體化T/R組件。實驗測試數(shù)據(jù)分析和工程實例表明，該新型瓦式一體化T/R組件在集成度、尺寸、重量、功耗、經(jīng)濟(jì)性以及安裝維護(hù)性等方面均比傳統(tǒng)的磚式T/R組件設(shè)計有明顯提升。

隨著相控陣測控系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，陣元數(shù)越來愈多，設(shè)備集成度也會越來越高，天線陣面內(nèi)部的操作空間也將越來越小，新型瓦式一體化T/R組件的集成度高、安裝維護(hù)方便、尺寸小和重量輕的優(yōu)勢也將變得越來越明顯，新型瓦式一體化T/R組件在相控陣測控系統(tǒng)中的使用也將愈加廣泛。