王樹慶, 唐 濤, 鄒 林, 雍 政

(1.四川斯艾普電子科技有限公司,四川 成都 610051;2.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院,四川 成都 610225;3.電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 611731)

0 引言

T/R 組件廣泛應(yīng)用于有源相控陣?yán)走_(dá)及通信系統(tǒng)中,其作用是將輸入的發(fā)射信號經(jīng)過功分、移相、放大再饋至天線發(fā)射出去,經(jīng)過空間合成后形成特定的波束特性。接收時(shí)剛好相反,將天線接收的信號經(jīng)過低噪放放大、移相,然后功率合成。其指標(biāo)對系統(tǒng)的性能有直接的影響,功率和噪聲影響系統(tǒng)的最大作用距離,移相精度影響系統(tǒng)的波束指向誤差,電源調(diào)制時(shí)間則影響系統(tǒng)的最小作用距離,具有較高的研究價(jià)值。

本文設(shè)計(jì)的T/R 組件為雙波束多通道架構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)兩個發(fā)射波束納秒級別的快速切換,而接收則設(shè)計(jì)成兩個獨(dú)立的波束,在系統(tǒng)應(yīng)用中不會丟失需要接收的信息,既滿足了功能要求,又節(jié)省了成本。

1 工作原理

雙波束T/R 組件是雙波束相控陣天線中的重要組成部分,其完成兩個發(fā)射波束信號的分時(shí)移相放大和兩個接收波束信號的同時(shí)放大移相衰減。該組件每個通道包含用于收發(fā)信號分離的環(huán)形隔離器組件及限幅放大芯片、接收兩路移相衰減芯片、發(fā)射移相芯片、串并轉(zhuǎn)換芯片、功率放大芯片、電源調(diào)制芯片。發(fā)射時(shí)激勵信號從饋電網(wǎng)絡(luò)輸入,功分成8 路后分別進(jìn)入每個通道的移相器,移相后放大再經(jīng)環(huán)形器輸出到天線；該移相器搭配串并轉(zhuǎn)換電路,串并轉(zhuǎn)換電路可以預(yù)先存儲兩套移相碼,根據(jù)控制信號兩套移相碼可以快速切換,每套移相碼對應(yīng)一個波束,因此發(fā)射可以完成兩個波束的快速切換。

接收時(shí)兩個波束的回波信號可以同時(shí)進(jìn)入組件,放大后功分兩路分別進(jìn)行移相衰減,然后8 路相同波束的信號進(jìn)行合成,最后形成兩個獨(dú)立的波束輸出,其工作原理如圖1 所示。

圖1 雙波束TR 組件原理框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射通道設(shè)計(jì)

天線口的收發(fā)切換器件可以使用開關(guān)或者環(huán)形器,相控陣天線在大掃描時(shí)有源駐波較大,如果使用開關(guān),可能會引起功放不穩(wěn)定或者輸出功率降低。在T/R 組件中,環(huán)形器一般會搭配隔離器組件,或者在接收支路搭配吸收式限幅放大,使功率輸出端形成良好的匹配。

組件中功放后級的無源插損對T/R 組件非常重要,該損耗將直接減少系統(tǒng)的輸出功率和效率,增加功耗和發(fā)熱,因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對這部分電路進(jìn)行優(yōu)化。功放后級器件主要是環(huán)形器,帶狀線環(huán)形器通常比微帶環(huán)形器插損小、功率容量高,但其體積更大。由于組件體積小,并且需要使用環(huán)形隔離組件,因此本文選擇使用微帶環(huán)形器,該微帶環(huán)形器在X 波段插損為0.5 dB。環(huán)形器由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通常使用焊料燒結(jié)在殼體上。多通道設(shè)計(jì)中電路部分使用多層板設(shè)計(jì)具有顯著的優(yōu)勢,因此需要解決多層板微帶線到環(huán)形器的過渡問題。同時(shí)發(fā)射使用超小型推入式射頻同軸連接器SMP 從組件底面輸出,該垂直過渡需要專門仿真優(yōu)化,避免出現(xiàn)駐波大甚至諧振問題。垂直過渡模型如圖2 所示,仿真結(jié)果如圖3 所示,其電壓駐波比在8 ～12 GHz頻帶范圍內(nèi)小于1.2,滿足使用要求。

圖2 垂直過渡仿真模型

圖3 垂直過渡仿真結(jié)果

組件單通道輸出功率需要達(dá)到2 W,由于該頻段微帶環(huán)形器的插損為0.5 dB,連接器損耗、線損及失配損耗為0.3 dB,因此功放輸出功率需要大于2.5 W,該功率量級使用GaAs 芯片即可。發(fā)射移相器需要在兩個波束間快速切換,使用27 位串并轉(zhuǎn)換芯片,具有二選一開關(guān)功能及上電控制位,可以預(yù)存兩組移相碼,配合電源調(diào)制芯片可以對每個通道進(jìn)行獨(dú)立上下電,發(fā)射串并轉(zhuǎn)換芯片框圖如圖4 所示。

圖4 發(fā)射串并轉(zhuǎn)換芯片框圖

2.2 接收通道設(shè)計(jì)

接收通道主要完成信號的低噪聲放大及移相衰減。由于前端使用了環(huán)形器,天線阻抗失配時(shí)反射信號較大,為了保護(hù)低噪放,在低噪放前加入限幅器。接收有兩個波束,放大后功分為兩路分別移相衰減,常規(guī)移相衰減器體積大,由于通道間距受限,選擇使用兩通道的幅相多功能芯片,該芯片集成兩個通道的移相衰減和串轉(zhuǎn)并,簡化了電路設(shè)計(jì),其原理框圖如圖5 所示。

圖5 接收雙通道幅相多功能芯片原理框圖

2.3 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

該組件有兩個波束,接收時(shí)兩個波束同時(shí)工作,因此需要兩套獨(dú)立的8 合1 合成網(wǎng)絡(luò)；而發(fā)射為分時(shí)雙波束,可以使用同一個套網(wǎng)絡(luò),因此需要三套網(wǎng)絡(luò)。但是三套網(wǎng)絡(luò)在電路布局難度較大,且增加成本,由于收發(fā)分時(shí)工作,因此考慮將其中一套接收網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射共用,通過開關(guān)切換,簡化設(shè)計(jì)。

2.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

保護(hù)電路單元有接收限幅保護(hù)和發(fā)射負(fù)電、掉電保護(hù)和超溫保護(hù)三部分。

(1)限幅保護(hù)電路

由于發(fā)射通道多,在測試時(shí)可能存在誤操作,功放打開時(shí)輸出端沒有負(fù)載,引起信號全反射到接收支路,而且波束掃描時(shí)天線駐波增加也會引起強(qiáng)反射,反射信號對放大器造成損傷。因此在放大器前設(shè)置限幅器,使大信號經(jīng)過限幅器后被限制在低噪放可以承受的功率電平以下。

(2)負(fù)電、掉電保護(hù)電路

柵極電壓需要保持在一定的范圍內(nèi)功放才能安全工作,由于誤操作或者負(fù)電開路導(dǎo)致在柵壓沒有加上的情況下打開功放漏壓,會引起功放燒壞。因此在電路設(shè)計(jì)了負(fù)電、掉電保護(hù)電路,對負(fù)電進(jìn)行檢測。當(dāng)負(fù)電電壓超出安全范圍時(shí),檢測電路輸出低電平,該檢測信號與電源調(diào)制相與,使功放漏極電壓不被打開。

(3)超溫保護(hù)電路

使用溫度檢測電路對組件殼體溫度進(jìn)行采集,并反饋至整機(jī)控制電路,當(dāng)溫度超出安全范圍時(shí),控制電路將電源調(diào)制信號置低,關(guān)閉功放和低噪放,組件不再發(fā)熱,溫度降到安全范圍時(shí),繼續(xù)工作。

2.5 電路布局

電路使用射頻多層板設(shè)計(jì),如圖6 所示。元器件及主要射頻走線布置在頂層,其中一個波束的網(wǎng)絡(luò)布局在底層,避免微帶線交叉,提高隔離度；通道間使用隔條進(jìn)行隔離,控制線及電源線設(shè)計(jì)在中間層,通過地層進(jìn)行隔離,組件電路布局如圖7 所示。

圖6 多層板疊層示意圖

圖7 組件電路布局圖

3 加工與測試

組件射頻接口使用SMP,控制和電源接口使用聯(lián)排絕緣子,用錫銀銅合金焊料將多層板和連接器燒結(jié)在封裝腔體上,環(huán)形隔離組件使用鉛錫合金焊料燒結(jié)在腔體內(nèi),芯片則采用導(dǎo)電膠粘接在多層板上。芯片壓焊點(diǎn)與多層板間使用金絲和金帶鍵合,實(shí)物樣品如圖8 所示。

圖8 組件實(shí)物照片

對T/R 組件進(jìn)行測試,如圖9 和圖10 所示,輸出功率達(dá)到33 dBm以上,噪聲系數(shù)小于3.2 dB。另外測試顯示,通道隔離度大于45 dB。

圖9 輸出功率測試曲線

圖10 噪聲系數(shù)測試曲線

圖11 通道隔離度測試曲線

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種X 波段雙波束多通道T/R 組件,設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化了原理圖,將其中一套接收網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射共用,通過開關(guān)切換,降低了電路復(fù)雜度。使用微組裝工藝,最終加工的樣品組件輸出功率＞33 dBm,噪聲系數(shù)＜3.2 dB,通道隔離度＞45 dB。整個組件在一張多層板上完成設(shè)計(jì),減小了裝配難度,提高了一致性,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。