某C波段收發子陣系統設計

崔敏張娟

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

有源相控陣雷達以其探測距離遠，效率高、波束指向靈活和數據率高等特點，廣泛應用于各種雷達之中，發揮了重要作用。

T/R組件是有源相控陣陣列天線最關鍵的部件，無論哪個頻段，何種用途的有源相控陣雷達，其每個天線輻射單元后均接有一個固態T/R組件，它是集高頻、低頻、大信號、小信號、數字與模擬為一體的復雜電子設備［1］。一部有源相控陣雷達少則需要幾百個，多則需要成千上萬個T/R組件。因此，有源相控陣雷達的性能、體積、重量、成本以及可靠性都與T/R組件息息相關。從某種意義上講，有源相控陣雷達的發展取決于T/R組件的發展［1-5］。

收發子陣系統是在T/R組件的基礎上進一步提高陣面硬件設備的集成度而形成的，其中包含模擬式T/R組件，電源變換、子陣饋電網絡、監測保護電路、驅動及波控電路等，有的還包含本振輸入和變頻輸出等更多系統功能，可以形成有源相控陣中的最小可更換單元，便于有源相控陣的維修、拓展和重構［3］。采用子陣形式的收發子陣系統設計可簡化陣面、提升性能，將進一步集成雷達功能。

1 收發子陣系統組成

根據雷達整機設計的要求，收發子陣系統工作在C波段，每個收發子陣中包括16個T/R組件、發射預放大模塊、接收下變頻處理模塊、DC/DC電源變換模塊、溫度監測保護電路和波控電路等。

圖1給出了收發子陣系統的原理框圖。如圖所示來自頻綜的射頻激勵信號經過放大和收發轉換開關進入一分十六路功分合成網絡，功分后的16路射頻信號分別進入16個T/R組件的集合口，這16個T/R組件的結構與電氣性能均一樣，該設計可大大提高收發子陣通道間的一致性，特別是相位一致性。進入每個T/R組件集合口的射頻信號通過其公共通道的收發轉換開關來完成雷達發射狀態與接收狀態之間的轉換，在雷達發射狀態下完成發射信號的功率放大并送至天線輻射單元，在雷達接收狀態下完成回波信號的低噪聲放大，其下變頻以及濾波、中頻放大是在16個天線單元構成的子天線陣級別上實現的。電源變換模塊將輸入的直流48V電源經過DC/DC模塊變換為收發子陣所需要的各種直流電源。波控電路由FPGA實現，主要功能是完成與實控機的數據通信以及對各個T/R組件的工作狀態進行控制。

圖1 收發子陣系統的原理框圖

2 收發子陣系統設計

2.1 T/R組件設計

根據T/R組件的設計指標要求，在保證其性能的前提下，為了減小組件的體積、重量，降低成本，在組件發射支路和接收支路設計中盡可能多地共享功能電路，增加可靠性［2］?；谶@一設計原則，T/R組件的構成框圖如圖2所示。

圖2 T/R組件的構成框圖

由于本收發系統陣列天線單元的間距固定，T/R組件的寬度和高度均受到了一定限制，而且組件間必須預留溫度監測電路位置，因此T/R組件的寬度必須小于24mm。在如此小的空間內傳輸大功率、高增益容易引起自激振蕩，嚴重時會造成器件的損壞。經過對腔體進行HFSS本征模仿真實驗，得到當腔體為23mm×5.5mm時，所有諧振點都在工作頻帶外，可以防止組件自激，降低組件調試量，對組件間的一致性起關鍵作用。腔體仿真模型見圖3，腔體諧振頻率見圖4。

圖3 腔體仿真模型

圖4 腔體諧振頻率

仿真結果表明優化后腔體的最低諧振頻率約為6.8GHz，在工作頻率之外，而且在激勵模式下末級功放輸出端輻射的場強較小，并被限制在較小的范圍內，不會形成反饋。

要在有限的體積內實現T/R組件功能及要求，其中要考慮的因素很多，例如各微波功能電路之間的合理布局，收發支路的高隔離設計，小體積高增益引起的自激問題，微波電路、電源調制電路及控制驅動電路之間高效、可靠地互連，組件內的電磁兼容設計以及散熱問題，外部接口要選擇超小型、可燒結的射頻接頭與控制電源接頭等一系列問題［4］。

在T/R組件微波電路設計中，由于發射支路的兩級功率放大器級聯的增益很高，若處理不當極容易引起自激振蕩現象，經過我們反復優化仿真和驗證試驗發現將連接發射支路的兩級功率放大器之間的50Ω微帶線電長度定為λ/4，可有效改善兩級功率放大器級聯引起的自激振蕩現象，解決了發射支路增益高難布局的問題，提高了發射支路工作的穩定性。T/R組件和陣面天線單元之間端口連接我們采用了“drop-in”結構形式的鐵氧體微帶隔離器環行器組件，給發射支路提供了一個穩定的負載，進一步保證了發射支路的穩定工作和輸出功率的恒定。

在T/R組件控制電路設計中，主要針對引線鍵合導致微波傳輸結構的不連續性和SMP接頭連接微帶線的同軸微帶過渡進行了分析和建模仿真設計，引線鍵合模型見圖5，同軸微帶過渡模型見圖6。

圖5 引線鍵合模型

圖6 同軸微帶過渡模型

引線鍵合引入微波傳輸結構的不連續性，其寄生參量更是導致MMIC芯片與外部電路失配的主導因素，從而導致回波損耗增大，引起MMIC芯片，尤其是功率放大器的工作狀態的改變，其鍵合的絲長、附著程度和壓點等不一致性也是導致各個發射組件的幅相一致性變差的主要因素之一［5］。通過仿真實驗表明引線鍵合在工藝允許范圍內，應該盡量減小鍵合跨距，一般芯片焊區到基板微帶線的最佳距離為20mil～30mil，絲長控制在10mil左右較好。

T/R組件為保證密封性，其外部接口選用了超小型、可燒結的SMP射頻接頭，內部轉換為微帶結構時必須考慮轉換接頭的駐波和插入損耗。通過仿真發現采用空氣介質同軸過渡結構可以明顯改善傳輸效果。

T/R組件中控制信號復雜，芯片引腳多，電源和地的品種多，大量信號線交叉傳導，在布線設計時必須合理設置接地點，以使電路的環路電流、接地阻抗和轉移阻抗最小。多層板布線設計中采用電源網絡層、信號布線層與地線層交替排布的設計方法，其示意圖見圖7。如圖所示多層板中間層傳輸控制和電源信號，頂層傳輸微波信號。頂層微帶線的射頻參考面不在基板背面，而是位于中間層，通過若干接地通孔與基板背面金屬層相連，然后與系統殼體連接。該微帶結構的地實際上已經不是理想的射頻地，傳輸線的傳輸模式發生了改變。隨著頻率的升高，會出現高次模，表現出諧振特性等一系列問題。所以必須通過仿真實驗合理設置接地通孔，有效地抑制高次模，將高次模出現的最低頻率移出的工作頻率范圍。接地孔模型見圖8。

圖7 多層板布線示意圖

通過仿真實驗在微波傳輸線兩側采用兩排接地過孔的方式，并盡量減小地孔的間距，可以有效減小回波損耗，傳輸效果較好，而且較好地解決了高速信號中的延遲、互擾等問題。

2.2 一分十六路功分合成網絡設計

本功分合成網絡與16個T/R組件直接盲配相連，所以要求功分合成網絡與T/R組件的接口相匹配，要求輸出端口等幅同相，同時滿足端口隔離和匹配的要求，采用了Wilkinson形式的功分器，并且對其進行了建模仿真，仿真模型見圖9，仿真結果見圖1

圖8 接地孔模型

圖9 一分十六路功分合成網絡仿真模型

仿真結果表明一分十六路功分合成網絡16路插入損耗小于1.3dB，輸入輸出駐波小于1.3，隔離度大于25 dB。

圖10 一分十六功分合成網絡仿真結果

2.3 熱設計

本收發子陣的橫截面尺寸和縱向長度限制比較嚴格，其輸出功率較大，這里選擇液冷的方式。T/R組件中的功率放大器采用金/錫共晶焊工藝燒結到較大的CuW載體上，然后直接燒結到殼體底部，保證了GaAs芯片與載體良好的熱匹配［6］，同時用大面積焊接的方式最大程度的降低了T/R組件中的熱阻。T/R組件的發熱面直接貼在冷板上，冷卻液管道設計在冷板內，正對著T/R組件的發熱面，冷卻效率高。冷板的功能是冷卻T/R組件的功率放大器，同時它又是收發子陣系統結構的主要支撐件。其結構布局圖見圖11。根據收發子陣系統的結構布局圖，對其散熱冷板內的液冷管道進行了設計，散熱冷板內的水冷管道設計圖見圖12。

液冷系統的輸入輸出接口均采用自密封接頭，利用FLOTHERM軟件對其進行了仿真建模及熱分析。散熱冷板內水冷管道熱分析見圖13。

圖11 收發子陣結構布局圖

熱分析結果表明當該系統處于環境溫度為50℃的條件下，液體入口溫度50℃，水冷管道通徑為5mm×8mm，水道內液體流量2.5 L/min的條件下，熱源集中處的最高溫度低于65℃，滿足該系統的散熱設計要求。

3 收發子陣測試

最終設計出的T/R組件的實物照片見圖14，體積為80mm×23mm×9mm，重量約為32.0g。

圖12 散熱冷板內的水冷管道設計圖

圖13 散熱冷板內水冷管道熱分析

圖14 T/R組件實物照片

實測結果為:發射通道單個組件的輸出功率均大于10W，接收通道單個組件的噪聲系數均小于3.0，移相精度小于4°(RMS)，接收總增益72dB，線性動態范圍42dB，鏡像抑制度25dB。

4 結束語

本收發子陣系統中的T/R組件由于采用了MMIC芯片器件和MCM微組裝工藝技術，組件的尺寸、重量僅為使用傳統的混合集成電路為主的或使用封裝MMIC的同類產品的三分之一左右，充分驗證了提高集成度的可行性。同時系統中有效集成了電源變換、子陣饋電網絡、溫度監測保護電路、接收變頻輸出以及驅動和波控電路等系統功能，進一步驗證了采用子陣形式的收發子陣系統設計的可行性。

［1］張光義、趙玉潔.相控陣雷達技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［2］張德斌、周志鵬、朱兆麒.雷達饋線技術［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［3］胡明春、周志鵬、嚴偉.相控陣雷達收發組件技術［M］.北京:國防工業出版社，2010.

［4］崔敏.C波段收發子陣有源系統研究［D］.西安:西安電子科技大學，2009.

［5］廖原.X波段相控陣雷達發射子陣有源系統研究［D］.西安:西安交通大學，2012.

［6］何海丹、何慶強.毫米波相控陣天線高密度集成設計技術［C］.2013年全國微波毫米波會議論文集(上冊)，2013，2-7.