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        X波段四通道定標T/R組件設計

        2023-04-01 07:33:32周演飛王道暢
        電子制作 2023年5期
        關鍵詞:設計

        周演飛,王道暢

        (中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥,230088)

        0 引言

        T/R組件作為有源相控陣雷達的核心部件,廣泛應用于各種探測、制導及成像雷達系統(tǒng)[1]。T/R組件的指標決定了雷達系統(tǒng)的性能,隨著微波單片集成電路的大規(guī)模應用,微波器件的功率、效率和噪聲系數等指標得到較大提升,T/R組件也實現了小型化和輕量化發(fā)展。T/R組件作為相控陣雷達數量最多的有源模塊,其成本在整個雷達系統(tǒng)中占比較高,限制了其在低成本領域的應用。技術指標滿足系統(tǒng)要求的情況下,需要從設計上降低T/R組件的成本。

        在SAR應用領域,雷達系統(tǒng)要求對T/R組件的收發(fā)通道做到精確監(jiān)測,需要在T/R組件內集成定標耦合器,來采集收發(fā)通道的幅度和相位信息,實現對空間的精確輻射掃描,定標耦合器的性能對系統(tǒng)的檢測精度至關重要。T/R組件一般采用多通道設計,而一部雷達往往有成百上千或更多的T/R組件,將每個通道對應一個耦合電路,若是強耦合,則合成到定標總口的能量是很大的,因此一般要求T/R組件內的耦合器必須是弱耦合,保證定標合成總口的信號幅度適宜。

        定向性是關鍵性指標,關系著系統(tǒng)檢測的靈敏度和精度,因此,高性能的定標耦合器兼具有弱耦合和高定向性特點。為減少定標端口數量,定標耦合器采用兩通道合成設計,如圖1所示。定標耦合器包括功分器和兩個定向耦合器。

        圖1 定標T/R組件

        發(fā)射定標時,大功率信號經耦合網絡到定標口輸出弱耦合信號,負載作為隔離端;接收通道定標時,信號從定標口灌入,經耦合網絡耦合到接收主通道[2],端口1/2為隔離端口。定向耦合器處于接收前端,會帶來額外的插入損耗,需要降低該損耗,盡可能地減小對T/R組件輸出功率、效率以及接收噪聲系數的影響。

        本文設計一款單通道輸出功率超過30W,具有弱耦合、高定向性定標功能的X波段四通道T/R組件。

        1 設計方案

        為減少射頻器件使用,需要更高集成度的芯片。采用射頻“三芯片”設計:限幅低噪放大器芯片、多功能芯片和功率放大器芯片。限幅低噪聲放大器將限幅器和低噪聲放大器集成一款芯片,在實現將弱回波信號低噪聲放大的同時,還能將外來有害大功率信號反射至環(huán)行隔離器的負載電阻吸收,保護接收鏈路;多功能芯片在集成收發(fā)開關和幅相控制的情況下,還內置驅動放大器,發(fā)射時直接將激勵信號推至功率放大器需要的功率電平。通道鏈路指標分解如圖2所示。

        圖2 通道鏈路指標分解

        功率放大器芯片飽和輸出45.6dBm,扣除環(huán)行隔離器和傳輸損耗,T/R組件輸出功率45dBm(31.6W),接收單通道增益26.4dB,噪聲系數2.6dB。

        T/R組件發(fā)射是脈沖工作,脈沖工作時,電源瞬間拉不出尖峰電流,尖峰電流由組件內的儲能電容提供[3],儲能電容的大小由脈沖寬度及所能允許的脈沖壓降來決定,依據經驗公式,計算所需電容量。

        Ip為脈沖峰值電流,▽V是允許的脈沖內電壓的壓降,τ為工作最大脈沖寬度,代入數據,計算得到發(fā)射單通道所需電容量為70μF,因此需在組件內放置280μF電容為發(fā)射漏壓供電,保證脈沖波形平整。

        T/R組件的小型化需要高布線密度的多層基板,常用的高頻基板是LTCC和多層復合介質板。LTCC采用金銀貴金屬作為導體漿料,在高頻微波有著良好的性能,可靠性高,多應用于航空、航天產品,而過高的成本限制了T/R組件低成本設計。多層復合介質板采用半固化片將多層雙面板壓合,外形可以隨意切割,滿足各種腔體結構,但介質板導熱率太低,散熱問題限制了高集成設計。

        HTCC是以鎢金屬作為填充和導體材料,與氧化鋁陶瓷在1600℃左右實現共燒[4],結構強度高,散熱好,布線密度高,是低成本化微波多層基板,可做高集成設計。鎢金屬電導率為1.0×107S/m,微波傳輸性能不及金銀,隨著頻率升高,傳輸損耗就越大。在X頻段及以上,微波傳輸線應多走表面,減少微波信號的垂直過渡和帶狀線設計。

        2 定標耦合器

        耦合器廣泛應用于微波測試和雷達監(jiān)測系統(tǒng),主要完成功率分配和信號耦合,是一種重要的四端口微波元件。耦合度和定向性是耦合器的核心指標,耦合度的大小代表能量分配比例,定向性決定了系統(tǒng)檢測精度和靈敏度[5],是系統(tǒng)性能和技術水平的關鍵,因此設計高定向性的耦合器是追求的目標。

        傳統(tǒng)的帶狀線、鋸齒線等高定向耦合器,結構復雜、體積大,無法滿足T/R組件的小型化需求,而微帶線定向耦合器結構簡單,是微波混合單片集成電路系統(tǒng)的最佳選擇。一般應用弱耦合的耦合度為10~20dB,可得到較高的定向性,更弱耦合(耦合度30dB)場合下,要獲得高定向性是很困難的。對稱微帶耦合線應用較為廣泛,文獻[5]給出了相同特性阻抗的對稱微帶耦合線的理論分析,通過補償電容,使奇模電容大于偶模電容,獲得高定向性,對于指導設計提供了理論支撐。

        平行對稱微帶耦合器合成定標耦合器時,50Ω微帶線較寬,合成器占用尺寸大,為更方便的嵌入T/R組件,需要更加小型化的耦合網絡,采用非對稱平行微帶耦合設計電路,一邊是高阻抗傳輸線,一邊是50Ω的傳輸線,高阻抗的微帶線寬較窄,做合成網絡比50Ω微帶線更節(jié)省空間,僅有對稱平行微帶耦合器尺寸一半多點,在弱耦合場也可以達到對稱耦合器同樣的耦合特性。

        選用厚度0.508mm的Rogers RT6002介質板,在HFSS仿真軟件中建立模型。

        圖3 仿真模型

        定標耦合器由非對稱平行耦合線和合成器兩部分組成,端口間距與T/R組件的通道間距保持一致,為保證定標端口的合成效果,兩邊的耦合特性應完全一致,采用對稱設計。100Ω射頻電阻作為吸收負載,代入模型,增加一對叉指補償電容用于提高定向性。主傳輸微帶線需要做缺口設計,補償叉指帶來的影響。

        調整耦合線間距和一對叉指尺寸位置,優(yōu)化參數,得到仿真結果如圖4、5所示。

        圖4 隔離度和耦合度仿真結果

        圖5 端口駐波仿真結果

        由此可見,X波段1GHz帶寬的耦合度為32.5dB,帶內波動0.3dB,隔離度超過-60dB,計算得到定向性優(yōu)于28dB,定標端口駐波1.27。仿真結果表明了該設計具有較高的方向性,所有端口匹配良好。耦合器傳輸長度不足1cm,仿真?zhèn)鬏敁p耗小于0.04dB,對T/R組件的輸出和噪聲系數影響極小,滿足設計要求。

        3 結構設計

        硅鋁合金是非金屬硅和金屬鋁形成的復合材料,是新一代封裝外殼材料,具有輕質、高散熱、熱膨脹系數與陶瓷基板匹配等優(yōu)點,可有效解決大功率器件散熱及熱匹配問題,尤其是對重量比較敏感的航空、航天等領域優(yōu)勢更加明顯[6]。由于Si和Al都是低廉材料,硅鋁合金作為封裝管殼具有低成本優(yōu)勢。封裝本體選用AlSi50%材料,蓋板選用AlSi30%材料,采用激光封焊,保證密封氣密性。

        硅鋁材料兼具有金屬和非金屬的特征,其材質相對于金屬材料而言脆性比較大,具有一定的局限性,應用時要充分考慮結構尺寸、重量對安裝結構強度的影響。T/R組件結構設計如圖6所示,設計多處加強筋提高T/R組件的整體結構強度,安裝凸耳采用圓角過渡設計,提高安裝抗應力能力。

        圖6 結構設計

        封裝管殼還需要解決散熱問題,T/R組件熱耗最大就是功率放大器,是熱量最集中的區(qū)域,功率放大器芯片與鉬銅襯底共晶焊接,整體再與盒體焊接,通過管殼底面將大量的熱量散出去,通過熱學仿真,滿足熱設計要求。

        T/R組件多通道同時工作,為減小通道間相互干擾,需要將收發(fā)通道進行分腔處理。需遵循以下原則:有源器件避免處于本征模場強較大的地方,以免引發(fā)腔體諧振或鏈路自激,嚴重時可能導致器件燒毀;通道寬度盡量窄,隔墻盡可能地長,減小公共區(qū)域長度,使最低本征諧振頻率高于工作頻帶;增益較大或者輸出較大的相鄰器件需增加隔離措施,從設計上消除腔體自激和通道相互耦合的風險。

        定標耦合器放在腔體左邊,兩個定標耦合器被隔墻從中間隔開,隔墻與蓋板緊密貼合,避免相互影響,保證設計與仿真相吻合。

        4 實物與測試

        采用微組裝工藝,完成T/R組件的裝配,實物圖如圖7所示。T/R組件本體 尺 寸62mm×63mm× 10.3mm,重量93g。

        圖7 T/R組件實物

        射頻端口均采用SSMA連接器,四通道端口間距相同,電源和控制信號使用低頻連接器與系統(tǒng)互連。定標耦合器是無源互易網絡,耦合度可以通過接收通道測量得到,也可以通過發(fā)射通道測試,測試端口匹配良好時,其結果是一致的。信號從定標口入,可得到耦合通道接收增益,主通道增益與耦合通道接收增益之差即定標耦合器的耦合度。定標口與相鄰端口的S21即為隔離度,定向性為隔離度與耦合度之差,實測結果如圖8、9所示。

        圖8 耦合度實測數據

        四個通道的耦合度實測基本一致,耦合度處于32~ 33dB之間,帶內平坦度也小于0.5dB,耦合度和帶內波動與仿真數據對比基本吻合。定向性實測大于16dB,略低于仿真結果,究其原因,有微帶圖形加工精度誤差的影響,但最主要的原因是仿真模型的端口匹配是完全匹配,沒有將環(huán)行隔離器代入仿真設計,環(huán)行隔離器端口駐波實測1.35,對定標耦合器的隔離度測試影響較大,導致了隔離度實測小于仿真結果。后續(xù)優(yōu)化環(huán)行隔離器的端口駐波,定向性指標會更優(yōu)。

        圖9 定向性實測數據

        耦合相位實測一致性僅±4°,定標端口駐波小于1.3,定標耦合器的通道一致性好。實現了X波段弱耦合高定向性的定標耦合器設計。

        T/R組件關鍵技術指標測試如表1所示。

        表1 關鍵指標測試

        組件實測輸出功率大于30W,尤其是組件效率高,全帶內超過35%,實現了大功率、高效率和低噪聲設計,移相精度和衰減精度也滿足使用要求。

        5 結論

        設計實現了一款高輸出和高效率的X波段四通道T/R組件,通過嵌入弱耦合、高定向性的合成定標耦合器,實現了對收發(fā)通道的定標測試。“三芯片”方案節(jié)省了射頻芯片的使用數量,生產裝配一致性和成品率更高,通道一致性更好。為進一步的應用在星載SAR平臺打下堅實的基礎。

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