王連貴 雷興旺 沈亮 顧江川

摘 要 本文主要介紹了一種多通道寬帶延時(shí)放大組件的工作原理、設(shè)計(jì)仿真以及實(shí)現(xiàn)。實(shí)際制作出的延時(shí)組件具有多通道集成、高延時(shí)精度、大寬帶以及小型化的特點(diǎn)，產(chǎn)品滿(mǎn)足高性能、高可靠性的需求，具有易于批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 延時(shí)組件;多通道;寬帶;共面波導(dǎo)

引言

目前，相控陣?yán)走_(dá)寬帶化成為發(fā)展的趨勢(shì)。寬帶雷達(dá)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但雷達(dá)瞬時(shí)帶寬的提高，會(huì)產(chǎn)生寬帶大掃描角度帶來(lái)的波束空間指向色散問(wèn)題。在相控陣天線(xiàn)的寬角掃描情況下，要獲得大的瞬時(shí)信號(hào)帶寬方法之一就是在陣列各單元或各子天線(xiàn)陣級(jí)別上采用實(shí)時(shí)延時(shí)線(xiàn)[1]。

由于延時(shí)線(xiàn)的插損較大，在實(shí)際工程使用中往往需要在電路中加入微波功率放大的功能。另外，由于微波信號(hào)在共面波導(dǎo)中傳輸?shù)纳⒌陀谄渌?lèi)型的平面?zhèn)鬏?，因此本次設(shè)計(jì)采用共面波導(dǎo)形式實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的延時(shí)放大。本次研究旨在探索延時(shí)組件的超寬帶、高精度、大延時(shí)的技術(shù)，解決寬帶雷達(dá)色散問(wèn)題。

1組件設(shè)計(jì)

1.1 電路原理

本項(xiàng)目研制的延時(shí)組件工作頻率高，單元間距較小，主要完成射頻信號(hào)的延時(shí)、低噪聲放大、功率合成及發(fā)射信號(hào)功率放大等功能。

為了實(shí)現(xiàn)多通道、寬帶、大延時(shí)組件的小型化設(shè)計(jì)，本方案采用多通道集成的方式。延時(shí)組件內(nèi)采用一個(gè)一分四Wilkinson功分器[2]，功分器為接收、發(fā)射共用。發(fā)射與接收同頻分時(shí)工作，即發(fā)射的時(shí)候不接收，接收的時(shí)候不發(fā)射。發(fā)射時(shí)，將一路發(fā)射信號(hào)功分為四路，分別進(jìn)行延時(shí)、功率放大后，經(jīng)收發(fā)環(huán)形器輸出至天線(xiàn)端。接收時(shí)，信號(hào)經(jīng)收發(fā)環(huán)形器進(jìn)入接收通道，通過(guò)限幅、放大和延時(shí)后，經(jīng)四合一功率合成網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)合為一路，送入下一級(jí)電路。

組件單通道集成電原理圖如圖1所示。

1.2 設(shè)計(jì)仿真

開(kāi)關(guān)延時(shí)線(xiàn)的原理如圖2所示，每位延時(shí)單元由2個(gè)FET開(kāi)關(guān)和2條微波傳輸線(xiàn)組成[3]，通過(guò)FET開(kāi)關(guān)在2路不同的傳輸線(xiàn)之間切換，得到不同的相移量，產(chǎn)生射頻信號(hào)相位差[4]：

式中：為相位常數(shù)，為相速，f為頻率，和為兩條不同通路的傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度[4]。

此次研制采用共面波導(dǎo)（CPWG）微帶線(xiàn)傳輸形式，實(shí)現(xiàn)了0.5λ，1λ，2λ，4λ，4λ，8λ共19.5λ長(zhǎng)度的延時(shí)。介質(zhì)基板采用Rogers5880板（介電常數(shù)2.2，厚度0.127mm），理論計(jì)算各延時(shí)傳輸線(xiàn)在中心頻點(diǎn)處的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)0mm、2*L0mm、4*L0mm、8*L0mm、8*L0mm、16*L0mm。其中L0mm延時(shí)線(xiàn)的仿真結(jié)果如圖3所示，由圖可知，相位在中心頻點(diǎn)f0處的相位約為0°，在（f0±X）GHz處的相位對(duì)稱(chēng)，帶狀線(xiàn)結(jié)構(gòu)的線(xiàn)性度較好。

1.3 關(guān)鍵指標(biāo)計(jì)算

延時(shí)組件接收支路鏈路指標(biāo)計(jì)算如表1所示，組件單通道增益理論值22dB，噪聲理論值2.79dB。

延時(shí)組件發(fā)射支路工作時(shí)，以占空比20%計(jì)算組件功耗：其中公共電路0.3W，單通道發(fā)射驅(qū)放0.25W，接收支路0.8W，功放輸出32.5dBm（1.78W）功率時(shí)，功耗5W。理論計(jì)算多通道延時(shí)組件在占空比20%時(shí)，效率為17%。

2測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，最終研制出的多通道延時(shí)放大組件實(shí)物如圖4所示，實(shí)測(cè)值如表2所示。

如表可知，延時(shí)放大組件接收增益≥23.2dB，噪聲系數(shù)≤2.5dB，延時(shí)誤差≤2.5%，飽和輸出功率≥32.6dBm。

3結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種多通道寬帶延時(shí)放大組件的設(shè)計(jì)方法，最終研制的T/R組件可實(shí)現(xiàn)共19.5λ的延時(shí)放大，延時(shí)誤差小于3%，通道間一致性小于±1dB，接收鏈路增益大于23dB，發(fā)射飽和輸出功率大于32.7dBm。尺寸為125mm×110mm×10mm，重量小于240g。經(jīng)過(guò)測(cè)試，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] MOESSINGER R，MARIN R，MUELLER S，et al. Electronically reconfigurable reflectarrays with nematic liquid crystals [J]. Electronics Letters，2006，42（16）：899-900.

[2] E.Wilkinson.An N-Way Hybrid Power Divider[J]. IRE Trans.on Microwave Theory and Techniques，1960（8）：116-118.

[3] Hu W，ISMAIL M Y，CAHILL R，et al. Liquid-crystal-based reflectarray antenna with electronically switchable monopulse patterns [J]. Electronics Letters，2007，43（14）：744-745.

[4] 劉曉莉，于明紅.基于LTCC技術(shù)的大延遲收發(fā)組件[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（15）：66-68.

作者簡(jiǎn)介

王連貴（1990-），男，安徽淮南人;學(xué)歷：碩士學(xué)位，職稱(chēng)：工程師，現(xiàn)就職單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，研究方向：微波電路設(shè)計(jì)。