某C波段收发子阵系统设计

崔敏张娟

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

有源相控阵雷达以其探测距离远，效率高、波束指向灵活和数据率高等特点，广泛应用于各种雷达之中，发挥了重要作用。

T/R组件是有源相控阵阵列天线最关键的部件，无论哪个频段，何种用途的有源相控阵雷达，其每个天线辐射单元后均接有一个固态T/R组件，它是集高频、低频、大信号、小信号、数字与模拟为一体的复杂电子设备［1］。一部有源相控阵雷达少则需要几百个，多则需要成千上万个T/R组件。因此，有源相控阵雷达的性能、体积、重量、成本以及可靠性都与T/R组件息息相关。从某种意义上讲，有源相控阵雷达的发展取决于T/R组件的发展［1-5］。

收发子阵系统是在T/R组件的基础上进一步提高阵面硬件设备的集成度而形成的，其中包含模拟式T/R组件，电源变换、子阵馈电网络、监测保护电路、驱动及波控电路等，有的还包含本振输入和变频输出等更多系统功能，可以形成有源相控阵中的最小可更换单元，便于有源相控阵的维修、拓展和重构［3］。采用子阵形式的收发子阵系统设计可简化阵面、提升性能，将进一步集成雷达功能。

1 收发子阵系统组成

根据雷达整机设计的要求，收发子阵系统工作在C波段，每个收发子阵中包括16个T/R组件、发射预放大模块、接收下变频处理模块、DC/DC电源变换模块、温度监测保护电路和波控电路等。

图1给出了收发子阵系统的原理框图。如图所示来自频综的射频激励信号经过放大和收发转换开关进入一分十六路功分合成网络，功分后的16路射频信号分别进入16个T/R组件的集合口，这16个T/R组件的结构与电气性能均一样，该设计可大大提高收发子阵通道间的一致性，特别是相位一致性。进入每个T/R组件集合口的射频信号通过其公共通道的收发转换开关来完成雷达发射状态与接收状态之间的转换，在雷达发射状态下完成发射信号的功率放大并送至天线辐射单元，在雷达接收状态下完成回波信号的低噪声放大，其下变频以及滤波、中频放大是在16个天线单元构成的子天线阵级别上实现的。电源变换模块将输入的直流48V电源经过DC/DC模块变换为收发子阵所需要的各种直流电源。波控电路由FPGA实现，主要功能是完成与实控机的数据通信以及对各个T/R组件的工作状态进行控制。

图1 收发子阵系统的原理框图

2 收发子阵系统设计

2.1 T/R组件设计

根据T/R组件的设计指标要求，在保证其性能的前提下，为了减小组件的体积、重量，降低成本，在组件发射支路和接收支路设计中尽可能多地共享功能电路，增加可靠性［2］。基于这一设计原则，T/R组件的构成框图如图2所示。

图2 T/R组件的构成框图

由于本收发系统阵列天线单元的间距固定，T/R组件的宽度和高度均受到了一定限制，而且组件间必须预留温度监测电路位置，因此T/R组件的宽度必须小于24mm。在如此小的空间内传输大功率、高增益容易引起自激振荡，严重时会造成器件的损坏。经过对腔体进行HFSS本征模仿真实验，得到当腔体为23mm×5.5mm时，所有谐振点都在工作频带外，可以防止组件自激，降低组件调试量，对组件间的一致性起关键作用。腔体仿真模型见图3，腔体谐振频率见图4。

图3 腔体仿真模型

图4 腔体谐振频率

仿真结果表明优化后腔体的最低谐振频率约为6.8GHz，在工作频率之外，而且在激励模式下末级功放输出端辐射的场强较小，并被限制在较小的范围内，不会形成反馈。

要在有限的体积内实现T/R组件功能及要求，其中要考虑的因素很多，例如各微波功能电路之间的合理布局，收发支路的高隔离设计，小体积高增益引起的自激问题，微波电路、电源调制电路及控制驱动电路之间高效、可靠地互连，组件内的电磁兼容设计以及散热问题，外部接口要选择超小型、可烧结的射频接头与控制电源接头等一系列问题［4］。

在T/R组件微波电路设计中，由于发射支路的两级功率放大器级联的增益很高，若处理不当极容易引起自激振荡现象，经过我们反复优化仿真和验证试验发现将连接发射支路的两级功率放大器之间的50Ω微带线电长度定为λ/4，可有效改善两级功率放大器级联引起的自激振荡现象，解决了发射支路增益高难布局的问题，提高了发射支路工作的稳定性。T/R组件和阵面天线单元之间端口连接我们采用了“drop-in”结构形式的铁氧体微带隔离器环行器组件，给发射支路提供了一个稳定的负载，进一步保证了发射支路的稳定工作和输出功率的恒定。

在T/R组件控制电路设计中，主要针对引线键合导致微波传输结构的不连续性和SMP接头连接微带线的同轴微带过渡进行了分析和建模仿真设计，引线键合模型见图5，同轴微带过渡模型见图6。

图5 引线键合模型

图6 同轴微带过渡模型

引线键合引入微波传输结构的不连续性，其寄生参量更是导致MMIC芯片与外部电路失配的主导因素，从而导致回波损耗增大，引起MMIC芯片，尤其是功率放大器的工作状态的改变，其键合的丝长、附着程度和压点等不一致性也是导致各个发射组件的幅相一致性变差的主要因素之一［5］。通过仿真实验表明引线键合在工艺允许范围内，应该尽量减小键合跨距，一般芯片焊区到基板微带线的最佳距离为20mil～30mil，丝长控制在10mil左右较好。

T/R组件为保证密封性，其外部接口选用了超小型、可烧结的SMP射频接头，内部转换为微带结构时必须考虑转换接头的驻波和插入损耗。通过仿真发现采用空气介质同轴过渡结构可以明显改善传输效果。

T/R组件中控制信号复杂，芯片引脚多，电源和地的品种多，大量信号线交叉传导，在布线设计时必须合理设置接地点，以使电路的环路电流、接地阻抗和转移阻抗最小。多层板布线设计中采用电源网络层、信号布线层与地线层交替排布的设计方法，其示意图见图7。如图所示多层板中间层传输控制和电源信号，顶层传输微波信号。顶层微带线的射频参考面不在基板背面，而是位于中间层，通过若干接地通孔与基板背面金属层相连，然后与系统壳体连接。该微带结构的地实际上已经不是理想的射频地，传输线的传输模式发生了改变。随着频率的升高，会出现高次模，表现出谐振特性等一系列问题。所以必须通过仿真实验合理设置接地通孔，有效地抑制高次模，将高次模出现的最低频率移出的工作频率范围。接地孔模型见图8。

图7 多层板布线示意图

通过仿真实验在微波传输线两侧采用两排接地过孔的方式，并尽量减小地孔的间距，可以有效减小回波损耗，传输效果较好，而且较好地解决了高速信号中的延迟、互扰等问题。

2.2 一分十六路功分合成网络设计

本功分合成网络与16个T/R组件直接盲配相连，所以要求功分合成网络与T/R组件的接口相匹配，要求输出端口等幅同相，同时满足端口隔离和匹配的要求，采用了Wilkinson形式的功分器，并且对其进行了建模仿真，仿真模型见图9，仿真结果见图1

图8 接地孔模型

图9 一分十六路功分合成网络仿真模型

仿真结果表明一分十六路功分合成网络16路插入损耗小于1.3dB，输入输出驻波小于1.3，隔离度大于25 dB。

图10 一分十六功分合成网络仿真结果

2.3 热设计

本收发子阵的横截面尺寸和纵向长度限制比较严格，其输出功率较大，这里选择液冷的方式。T/R组件中的功率放大器采用金/锡共晶焊工艺烧结到较大的CuW载体上，然后直接烧结到壳体底部，保证了GaAs芯片与载体良好的热匹配［6］，同时用大面积焊接的方式最大程度的降低了T/R组件中的热阻。T/R组件的发热面直接贴在冷板上，冷却液管道设计在冷板内，正对着T/R组件的发热面，冷却效率高。冷板的功能是冷却T/R组件的功率放大器，同时它又是收发子阵系统结构的主要支撑件。其结构布局图见图11。根据收发子阵系统的结构布局图，对其散热冷板内的液冷管道进行了设计，散热冷板内的水冷管道设计图见图12。

液冷系统的输入输出接口均采用自密封接头，利用FLOTHERM软件对其进行了仿真建模及热分析。散热冷板内水冷管道热分析见图13。

图11 收发子阵结构布局图

热分析结果表明当该系统处于环境温度为50℃的条件下，液体入口温度50℃，水冷管道通径为5mm×8mm，水道内液体流量2.5 L/min的条件下，热源集中处的最高温度低于65℃，满足该系统的散热设计要求。

3 收发子阵测试

最终设计出的T/R组件的实物照片见图14，体积为80mm×23mm×9mm，重量约为32.0g。

图12 散热冷板内的水冷管道设计图

图13 散热冷板内水冷管道热分析

图14 T/R组件实物照片

实测结果为:发射通道单个组件的输出功率均大于10W，接收通道单个组件的噪声系数均小于3.0，移相精度小于4°(RMS)，接收总增益72dB，线性动态范围42dB，镜像抑制度25dB。

4 结束语

本收发子阵系统中的T/R组件由于采用了MMIC芯片器件和MCM微组装工艺技术，组件的尺寸、重量仅为使用传统的混合集成电路为主的或使用封装MMIC的同类产品的三分之一左右，充分验证了提高集成度的可行性。同时系统中有效集成了电源变换、子阵馈电网络、温度监测保护电路、接收变频输出以及驱动和波控电路等系统功能，进一步验证了采用子阵形式的收发子阵系统设计的可行性。

［1］张光义、赵玉洁.相控阵雷达技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［2］张德斌、周志鹏、朱兆麒.雷达馈线技术［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［3］胡明春、周志鹏、严伟.相控阵雷达收发组件技术［M］.北京:国防工业出版社，2010.

［4］崔敏.C波段收发子阵有源系统研究［D］.西安:西安电子科技大学，2009.

［5］廖原.X波段相控阵雷达发射子阵有源系统研究［D］.西安:西安交通大学，2012.

［6］何海丹、何庆强.毫米波相控阵天线高密度集成设计技术［C］.2013年全国微波毫米波会议论文集(上册)，2013，2-7.