李江達(dá)，薛培，魏斌

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無(wú)錫214072）

一種高功率密度T/R組件的設(shè)計(jì)

李江達(dá)，薛培，魏斌

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無(wú)錫214072）

主要針對(duì)某款C波段大功率T/R組件的小型化進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)T/R組件的電路與結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，制作了發(fā)射功率大于100 W、接收通道增益大于8 dB、體積90 mm×80 mm×37 mm的T/R樣機(jī)，該項(xiàng)研究對(duì)高功率密度T/R組件的設(shè)計(jì)與研制具有一定的工程指導(dǎo)意義。

T/R組件；放大器；接收機(jī)

1 引言

本文提出的組件產(chǎn)品是用戶成熟產(chǎn)品上使用的部件，為了適用其重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目的小型化設(shè)計(jì)要求，需要將體積進(jìn)一步縮小（達(dá)到原來(lái)的一半），其他性能參數(shù)均不變。

2 原理簡(jiǎn)介

小型化C波段功率收發(fā)組件由微波本振源、發(fā)射支路和接收支路組成。輸入中頻參考信號(hào)給本振源，然后由本振源產(chǎn)生的微波信號(hào)，經(jīng)功分器后與輸入的中頻脈沖調(diào)制信號(hào)上變頻至所需的發(fā)射頻率，由邊帶濾波器濾除不需要的雜散信號(hào)，形成所需要的發(fā)射脈沖信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)脈沖功率放大器放大到所需的功率電平后輸出。當(dāng)發(fā)射周期結(jié)束后，接收通道被打開(kāi)，接收到的脈沖信號(hào)首先經(jīng)由環(huán)形器、邊帶濾波器、限幅器、接收開(kāi)關(guān)后，經(jīng)低噪聲放大器放大，最后與微波本振源產(chǎn)生的本振信號(hào)一起完成下變頻，產(chǎn)生最終的中頻輸出信號(hào)。

圖1 收發(fā)組件原理框圖

由原理框圖可見(jiàn)組件由本振源、功率耦合器、上變頻器、邊帶濾波器、功率放大器、限幅器、接收開(kāi)關(guān)、低噪聲放大器、下變頻器、偏置電源及脈沖驅(qū)動(dòng)電路組成。

3 電路設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案的進(jìn)一步解析，我們可以通過(guò)優(yōu)化組件的器件選型及結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到小型化設(shè)計(jì)要求，主要設(shè)計(jì)如下。

3.1 本振源及功分器

微波本振源作為發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的泵源，需提供足夠的推動(dòng)功率和頻率穩(wěn)定度。本組件的本振源采用定制的微封裝鎖相源，它采用一體化管殼設(shè)計(jì)，具有全密封、體積小、低雜散、低相噪、低功耗、高可靠性的特點(diǎn)。參考信號(hào)輸入功率大于0 dBm，輸出本振信號(hào)功率典型值為15 dBm，雜波抑制不小于-65 dBc。接收和發(fā)射部分需要同樣的本振信號(hào)進(jìn)行上下變頻，我們采用Mini-Circuits公司生產(chǎn)的GP2X+功分器對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行分配，其差損在-3.6 dB。

我國(guó)目前最基本的國(guó)情，就是正處于并將長(zhǎng)期處于社會(huì)主義初級(jí)階段，公有制經(jīng)濟(jì)作為國(guó)家最主要的經(jīng)濟(jì)制度，它的主要代表國(guó)有企業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)力量，這是由于國(guó)有企業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵和重要部門處于支配地位、在國(guó)家財(cái)政收入主要來(lái)源的國(guó)有經(jīng)濟(jì)中貢獻(xiàn)最大所決定的。國(guó)有企業(yè)的存在和發(fā)展對(duì)整個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著決定作用，對(duì)保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康的發(fā)展也發(fā)揮著重大作用?？梢哉f(shuō)，國(guó)有企業(yè)的存在與發(fā)展，是鞏固黨和國(guó)家事業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和政治基礎(chǔ)的必然要求，是壯大國(guó)有經(jīng)濟(jì)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的必然要求，是加強(qiáng)社會(huì)主義精神文明建設(shè)的必然要求，具有巨大而深刻的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 上下變頻器

發(fā)射支路中使用上變頻，對(duì)本振信號(hào)與輸入中頻信號(hào)進(jìn)行頻率搬移，產(chǎn)生所需要的發(fā)射頻率信號(hào)。接收支路中使用下變頻，對(duì)本振信號(hào)與接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行頻率搬移，產(chǎn)生所需要的接收中頻信號(hào)。我們選用Mini-Circuits公司單片混頻器MAC-80LH+實(shí)現(xiàn)此電路功能，MAC-80LH+在5～8 GHz的變頻損耗為7 dB，LO與RF的隔離度典型值為39 dB，LO到IF的隔離度為27 dB，需要的本振功率為7～13 dBm。它具有性能優(yōu)良、電路尺寸小、性能穩(wěn)定、無(wú)需調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 邊帶濾波器

邊帶濾波是為了濾除上變頻器產(chǎn)生的無(wú)用的邊帶信號(hào)，以保證進(jìn)入功率放大器的信號(hào)比較純凈。如果直接將上變頻的信號(hào)送入功放，會(huì)降低功率放大器的效率，同時(shí)不需要的信號(hào)也會(huì)形成干擾。綜合考慮組件對(duì)濾波器的通帶帶寬、帶外抑制等要求后，我們選擇了腔體濾波器。根據(jù)指標(biāo)要求，Δf 1dB≥8 MHz（接收），Δf 1dB≥12 MHz（發(fā)射）；帶內(nèi)插損≤2.5 dB。由于腔體濾波器的尺寸較大，考慮到組件的整體結(jié)構(gòu)，最后確定濾波器的帶內(nèi)插損為≤3dB，比指標(biāo)要求的2.5dB大了0.5 dB，但是由于我們?cè)谑瞻l(fā)兩路濾波器的前面都設(shè)有放大器，可以把電平調(diào)整到所需的范圍，同時(shí)也可以保證接收支路的噪聲系數(shù)不會(huì)受到影響。

3.4 發(fā)射開(kāi)關(guān)

發(fā)射開(kāi)關(guān)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的脈沖調(diào)制。開(kāi)關(guān)設(shè)置在發(fā)射支路放大器的輸入端，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射開(kāi)關(guān)的調(diào)制，從而將輸入的連續(xù)微波信號(hào)變成微波調(diào)制信號(hào)。開(kāi)關(guān)采用Hittite公司生產(chǎn)的HMC232LP4，其差損為-1.5 dB，開(kāi)關(guān)隔離度為52 dB，開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間小于10 ns。

3.5 發(fā)射前級(jí)放大電路

圖2 發(fā)射前級(jí)放大鏈路圖

發(fā)射前級(jí)放大鏈路圖見(jiàn)圖2。前級(jí)功率放大器采用Hittite公司的HMC407MS8G，它采用5 V供電，具有通道開(kāi)關(guān)控制功能，電路增益為15 dB，開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間小于30 ns。我們使用組件的功放開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行控制，開(kāi)關(guān)隔離度在-20 dB左右。該電路采用50 Ω阻抗內(nèi)匹配，外圍電路簡(jiǎn)單，便于小型化布局。

3.6 發(fā)射后級(jí)功率放大電路

圖3 發(fā)射功率級(jí)放大鏈路圖

由于我們?cè)瓉?lái)采用兩路60 W功率放大器進(jìn)行合成輸出100 W，占用了組件的體積和空間，因此重新選用了兩款國(guó)產(chǎn)C波段GaN內(nèi)匹配功率模塊HEG039L、HEG603B。兩模塊采用50 Ω阻抗匹配，使用標(biāo)準(zhǔn)金屬功率管殼封裝，適應(yīng)各種脈沖波工作條件，易級(jí)聯(lián)使用。發(fā)射功率級(jí)放大鏈路圖見(jiàn)圖3。

3.7 接收支路放大電路

圖4 接收支路放大鏈路圖

接收支路放大鏈路圖如圖4所示。對(duì)于接收系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)或選擇合適的低噪聲放大器是決定系統(tǒng)級(jí)聯(lián)噪聲的最關(guān)鍵因素。為了減小后置級(jí)的影響，低噪聲放大器前面的開(kāi)關(guān)、限幅器、濾波器及耦合器等電路的插入損耗也應(yīng)當(dāng)盡可能減小[1]。

本組件中采用兩級(jí)單片低噪聲放大器NBB500DS，其噪聲為3.2 dB，增益16 dB，完全可以滿足15 dB的噪聲系數(shù)要求。

為了保護(hù)接收機(jī)在發(fā)射級(jí)工作時(shí)不受到突發(fā)大功率微波信號(hào)的損傷，設(shè)計(jì)中需要在耐受功率和插入損耗兩者之間綜合考慮限幅器的選擇。發(fā)射功率為110W，占空比在百分之一以下，等效平均功率不到1W，采用硅微波PIN二極管作為控制元件。通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了良好的限幅保護(hù)功能，同時(shí)較小的插入損耗也保證了接收機(jī)的噪聲系數(shù)不受太大的影響。

3.8 偏置電源及脈沖驅(qū)動(dòng)電路

本組件的供電電源分別為+28 V、+12 V、-5 V。+28 V電源用來(lái)給發(fā)射功率模塊進(jìn)行供電。其余放大器、本振源的供電電壓均為+5 V。為了提高效率且盡最大可能減少元器件的熱散耗，采用Ti公司的LMZ14202H電源模塊將+12 V電壓變換到6 V，然后再使用TI公司的射頻LDO進(jìn)行穩(wěn)壓輸出+5 V，該LDO輸出電壓紋波抑制大于55 dB，可以有效減小電源中的雜波對(duì)放大器及本振源的干擾。

圖5 電源變換原理圖

功放為漏極脈沖調(diào)制方式，漏調(diào)制的電流很大，這就要求在電源設(shè)計(jì)、器件選擇上充分考慮承受功率、熱效應(yīng)以及電磁兼容等問(wèn)題。組件應(yīng)該具有負(fù)壓和脈沖雙重保護(hù)功能，保證大功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵極在沒(méi)有負(fù)壓或沒(méi)有外加功放脈沖信號(hào)的情況下，漏極不可能有正壓加上，保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管不受損壞。因此我們使用TC4425驅(qū)動(dòng)電路分別設(shè)計(jì)了負(fù)壓保護(hù)電路和功率管漏極電壓調(diào)制電路，見(jiàn)圖6。

圖6 負(fù)壓保護(hù)、漏極調(diào)制驅(qū)動(dòng)原理圖

如圖6所示，當(dāng)組件沒(méi)有外加-5 V時(shí)U1的7腳輸出低電平，開(kāi)關(guān)管U2B關(guān)斷，因此P-MOS管Q2關(guān)斷，28 V電壓沒(méi)有可能加在功率放大器的漏極。負(fù)壓上電后，P-MOS管Q2開(kāi)通。TTL功放開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)從U1的4腳輸入，5腳同相輸出驅(qū)動(dòng)電壓給N-MOS開(kāi)關(guān)管U2A的柵級(jí)，U2A導(dǎo)通，將Q3的柵極電壓由原來(lái)的+28 V降到+20 V，P-MOS管Q3開(kāi)通，功率放大器漏極電壓開(kāi)通（+28V），功率管的靜態(tài)工作點(diǎn)建立。

3.9 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)本組件的超小型化設(shè)計(jì)要求，為了防止接收支路與發(fā)射支路之間的相互干擾，繼續(xù)將兩支路分別放置在殼體的上下兩面，并且做以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

（1）電源控制部分與接收支路放置于接收支路一側(cè)，為了盡可能防止開(kāi)關(guān)信號(hào)對(duì)接收支路的影響，分別對(duì)兩部分單獨(dú)開(kāi)腔，且將接收支路單獨(dú)用蓋板密封。

（2）考慮到本振源的組件結(jié)構(gòu)布局和抗干擾性，在組件中給振蕩源提供一個(gè)單獨(dú)的腔體，并且用單獨(dú)的蓋板進(jìn)行閉合。

（3）為了防止發(fā)射支路發(fā)生自激，需要在適當(dāng)?shù)姆糯笃髑昂髢啥颂砑痈綦x器，并且對(duì)各單元電路進(jìn)行獨(dú)立開(kāi)腔，在保證性能的前提下最大程度地減小電路尺寸，盡可能緊湊地放置元器件，從而達(dá)到小型化的目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

筆者通過(guò)對(duì)以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化和微調(diào)，研制出符合設(shè)計(jì)要求的樣機(jī)（見(jiàn)圖7），測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從測(cè)試數(shù)據(jù)可知，產(chǎn)品的研制性能基本達(dá)到了理論預(yù)計(jì)，這不僅說(shuō)明本文提出的理論在實(shí)際中的有效性，而且為今后進(jìn)一步研制更大功率密度的T/R組件提供了必要的基礎(chǔ)。

表1 考核條件下樣機(jī)的測(cè)試參數(shù)

圖7 樣機(jī)照片

[1]弋穩(wěn)，等.雷達(dá)接收技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

Design of a High Power Density T/R Module

LI Jiangda,XUE Pei,WEI Bin
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

The research on miniaturization of C-Band high power T/R module is presented in the paper.The analysis on T/R module structure brings about a prototype with 8 dB of reception channel gain and 100 watts of transmission power.The prototype is 90 mm×80 mm×37 mm in scale.The research work is of significance to the design and manufacture of high power density T/R module.

T/R module;amplifier;receiver

TN402

A

1681-1070（2017）02-0017-04

李江達(dá)（1981—），男，湖南益陽(yáng)人，本科，工程師，就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，現(xiàn)主要從事射頻收發(fā)組件設(shè)計(jì)。

2016-9-20