Ka波段多通道发射组件的设计

刘晓莉，郝金中

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

Ka波段多通道发射组件的设计

刘晓莉，郝金中

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

摘要：卫星通信雷达工作频率越高,信道容量越大，通信的抗干扰性越强。采用印制电路板(PCB)多层布线技术设计了一款Ka波段十六通道高集成度发射组件，应用于卫星通信雷达中，既满足信道容量的要求，又适应了雷达对小型化、轻量化的要求。发射组件每个通道均有6位数控移相衰减器，移相误差<5°(RMS)，衰减误差<±(0.3+10%Aspan)，组件线性增益>25 dB，输出饱和功率>25 dBm，尺寸为60 mm×80 mm×4.8 mm。

关键词：有源相控阵雷达；Ka波段；小型化；发射组件

0引言

有源相控阵天线广泛应用在雷达、通信、电子对抗等系统中。随着无线通信技术的发展，低频段的频谱已经越来越拥挤，对高质量大容量无线通信设备的需求，使得通信频率不断提高，推动了毫米波通信的产生。毫米波通信具有信道容量大,通信设备体积小、重量轻,天线波束窄、方向性好等优点[1]。 实现该频段的高性能收发信机是实现该频段通信的首要问题。

本文设计了一款Ka波段多通道发射组件，采用印制电路板(PCB)多层布线技术将16个发射通道、功分网络及电源控制电路集成在一个组件内，通过采取合理的结构布局及多芯片微组装工艺实现了组件的高可靠性及小型化。

1工作原理

组件包括16个发射通道、一分十六功分网络、波束控制电路和电源控制电路。每个发射通道都包含6位数控移相衰减器、推动放大器和末级功率放大器，一分十六功分网络由4级一分二功分器组成，波束控制电路主要是将串行数据转换成并行数据,分别控制移相衰减，电源控制电路包含负压保护电路和放大器加电控制。在组件输入端口公共支路加一级放大器，可以提高整个组件的增益，减小功耗。组件的原理框图如图1所示。

图1　原理框图

2组件设计

2.1　多层PCB设计

由于组件通道数多，每个通道的移相衰减均需要通过串并转换来控制，放大器也需要电源控制电路来加电，另外通道的选择需要通过4-16译码器来实现，走线复杂，因此组件采用PCB多层布线技术来实现如此复杂的走线控制。一般PCB多层板的结构是由1块或是多块双面板做内层，2块单面板做外层,附在内层的上下两面构成。通过定位系统与由树脂和增强材料构成的粘合片交替在一起，导电图形按照设计要求进行电气互连。它主要是使用刻蚀和印制法制作铜导线，钻出通孔、盲孔及埋孔并用铜进行金属化。层与层之间的电气互连则一般通过金属化的通孔来实现，其具有工期短、成本低等优势[2]。

这里选用3张环氧板进行压合，形成5层PCB面板，成型后厚度大约在0.8 mm左右。信号层分配为：第1层(toplayer)放置芯片和贴装器件;第2、3层(midlayer1、midlayer2)走逻辑控制线，走线避免走长平行线，引出端加旁路电容，防止干扰;第4层(midlayer3)走电源线，电源线要适当加粗，减小压降;第5层(bottomlayer)为地，保证微波信号地

的连续性。PCB板剖面图如图2所示,实物图如图3所示。

图2　PCB板剖面图

图3　PCB板实物图

微波板选用RT5880，厚度为0.254 mm，环氧板和微波板通过烧结工艺烧结在一起。微波板的参考地一种是通过就近通孔共地，另一种是采用印制板金属包边共地[3]，如图4所示。

图4　微波板参考地实现方式

2.2　结构设计

组件采用多芯片组装形式实现，基于可靠性和密封性要求，电路封装于金属壳体中，形成微波腔体结构。微波腔体为矩形，相当于一节矩形波导[4]，为防止微波辐射在腔体内传播，工作频率要小于最低截止频率：

f

(1)

式中:c为光速,c=3×108m/s;a为矩形波导宽边尺寸,单位为m。

该组件最高工作频率为31 GHz，由式(1)算得a=4.8 mm，因此组件的厚度和天线间距为4.8 mm。

单通道微波器件分布如图5所示。为了减小通道间的干扰，每个通道间加隔离墙，隔墙还可以防止盒体变形。低频器件和微波器件分区放置，防止低频信号和微波信号的串扰。功放芯片通过载体直接烧焊在盒体上，一方面可以良好地散热，另一方面微波地为实地,保证了微波信号的正常传输。盒体材料为铝，需要烧焊的地方局部镀金，增强接头及环氧板与烧焊剂的相容性。盒盖采用激光封焊的形式，保证组件的密封性。

图5　器件分布图

2.3　幅度均衡网络设计

通道内多级放大器级联，由于微波传输不连续性以及末级功放自身线性增益差等原因造成组件每个通道的线性增益平坦度大于4 dB，所以在组件的公共端加入幅度均衡网络来改善通道的线性增益。本文采用基于陶瓷基片的薄膜电阻加载的λ/4开路型谐振器来实现。

根据经典的传输线理论，一段终端短路或开路传输线，其输入阻抗和输入导纳为：

(2)

(3)

随着长度的变化，短截线可以表现为感性、并联谐振、容性和串联谐振等特性。电路原理如图6所示。调节加载电阻R值可以控制Q值，而控制微带短截线的长度可以控制枝节的谐振频率，宽度可以对谐振频率和Q值进行微调。仿真模型和仿真结果如图7所示，利用单枝节均衡器，在2 GHz带宽内可补偿3.5 dB左右。

图6　均衡器原理图

图7　均衡器仿真模型和仿真结果

2.4　工艺设计

组件中使用的元器件有硅材料芯片、砷化镓芯片，并且还有大量的贴装元件及贴片电容、电阻。因此，选择合适的装配工艺，设置好合适的装配温度梯度，成为装配成功与否的关键[5]。在选择装配工艺流程中，要充分考虑到装配工艺的可行性、简单性，同时也要充分考虑到组件在日后维修的方便性。工艺流程如图8所示。

图8　工艺流程

3测试结果

组件成品图如图9所示。

图9　组件成品图

组件最终实现了工作频带内的稳定传输，发射增益曲线平坦，没有出现尖峰或凹坑。最终测试[6]指标如表1所示，主要技术指标均满足设计要求，移相精度和衰减精度比同类产品高。其中3阶交调指标不是很理想，主要因为功放芯片的3阶交调指标差，在日后的工作中要改进芯片的3阶交调性能。

4结束语

本文设计了Ka波段多通道发射组件，通过采用PCB多层布线技术及合理的结构布局,实现了高频发射组件多通道的高集成度和电路的高稳定度，大大减小了组件体积，而且PCB板具有周期短、价格低的优点，适应了雷达低成本的要求。

表1　组件测试指标

参考文献

[1]束咸荣,何炳发,高铁.相控阵雷达天线[M].北京:国防工业出版社,2007.

[2]李小刚.多层微波印制板制造技术[J].技术交流，2013，9(4)：37-43.

[3]李兵,李磊.多层混压印制板中微波参考地的研究[J].火控雷达技术,2013,42(2):103-106.

[4]廖原,冯恩信.小型化高增益微波发射组件电磁兼容设计[J].火控雷达技术,2011,40(2):57-60.

[5]邵优华，韦炜.T/R组件微组装工艺技术[J].舰船电子对抗，2012，35(2)：103-107.

[6]吴侠仪,倪江.一种基于GPIB总线的TR组件测试系统的设计[J].计算机测量与控制,2007,15(5):582- 585.

Design of Ka-band Multi-channel Transmitting Module

LIU Xiao-li，HAO Jin-zhong

(The 13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang 050051,China)

Abstract:The higher working frequency of satellite communication radar，the larger channel capacity,the better anti-jamming capability of communication.This paper designed a Ka-band(29～31 GHz)16-channel transmitting module with high integration degree by means of multilayer wiring technique in printed circuit board (PCB),and the module is applied to satellite communication radar，which not only satisfies the demands of channel capacity,but also adapts the requirement of minimization and light for radars.Each channel of transmitting module includes 6 bit digital-control phase-shift attenuator,and the phase-shift error<5°(RMS),attenuation error<±(0.3+10%Aspan),linear gain of module is more than 25 dB,output saturated power>25 dBm,dimension is 60 mm×80 mm×4.8 mm．

Key words:active phased array radar；Ka-band；minimization；transmitting module

收稿日期:2015-03-18

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.027

中图分类号：TN820.1

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0099-04