一种X波段宽带T/R组件的实现

郝金中,张 瑜

(中国电子科技集团公司第13研究所 第5专业部,河北 石家庄 050051)

一种X波段宽带T/R组件的实现

郝金中,张 瑜

(中国电子科技集团公司第13研究所 第5专业部,河北 石家庄 050051)

介绍了一种宽带X波段四通道T/R组件的实现方法。在小尺寸空间中包含了微波电路、DC/DC电源、波束控制、功率故障检测和温度监测功能。结构上输入输出、加电端口均设计在同一侧。对组件复杂功能和特殊结构以及由此带来的工艺装配问题进行了分析和阐述,并研制出符合各项指标要求的宽带X波段T/R组件,该组件有完善的工艺措施来保证,性能好、重量轻、可靠性高;通过电性能和结构性能指标的测试,达到了总体技术要求。

T/R组件;X波段;DC/DC电源;波束控制;特殊结构

有源相控阵雷达是目前雷达研究和发展的主流,在有源相控阵雷达中,高性能、高可靠的T/R组件是雷达的核心部件。X波段的相控阵雷达由于波长短、探测精度高并且天线口径小、重量轻,所以广泛应用于各种基于机载、球载及星载平台的探测、制导及成像系统。因此,对X波段T/R组件的研制非常重要[1]。

本文设计的X波段T/R组件,相比传统组件,不仅设计有微波电路,还包含了DC/DC电源、波控等电路。组件设计有功率故障检测和温度检测功能,增强了组件的使用可靠性和维修性,更好地满足了现代雷达的发展要求。该T/R组件结构复杂,将射频输入输出端口、加电口设计在同一端;组件的微波传输方向设计有翼型“翅膀”结构,选用插拔型的射频和低频接插件,可利用整机结构中的卡槽将组件固定,与整机天线口和电源口连接,免去传统组件螺钉紧固的繁琐。

该T/R组件有4个收发通道,接收增益>25 dB,包括电源部分在内,整个组件效率达到20%以上,性能优越。

1 T/R组件原理

1.1 微波部分原理

微波通道由4路收发通道组成,每个通道的接收支路和发射支路可单独控制;发射支路的功能是将发射信号进行配相和高功率放大后馈送至天线辐射单元,接收支路的功能是对接收信号进行高频放大,然后进行相位和幅度调整后送入后续接收机[2]。

对组件的发射和接收指标分别进行分解:接收支路包括限幅器、低噪声放大器、放大单片等。输入端为一个双结环行器,可保证接收支路输入端驻波。接收支路和发射支路共用移相器,发射支路信号经过放大后由双结环行器输出,发射支路由4级放大组成,末级GaAs芯片饱和输出功率41 dBm。30 V电源输入端选用电容量为330 μF的钽电容并联对地,保证放大器的脉冲顶降。

串并转换器通过T/R信号和不同的控制位输出控制T/R组件的发射数控移相器、接收数控移相器、接收数控衰减器、收发开关状态[3]。

图1 T/R组件原理框图

1.2 DC/DC电源电路

本组件直接采用30 V和5 V电源工作,5 V电压供接收电路使用,30 V输入电压经过DC/DC电源,产生所需要的8.5 V直流电压供发射通道使用。30 V电源供发射通道工作,基本要求为输出功率大、效率高、尺寸小。根据这些要求,采用DC/DC电源模块,输出所需电压。

该组件4路发射通道,至少采用3个DC/DC模块。3个DC/DC电源直接并联输出,由于电路的不平衡,影响输出效率。因此,设计采用一组DC/DC电源直接输出供1路收发组件工作,另一组DC/DC电源并联输出供3路收发组件工作的方式。

图2 LTM4613并联原理图

图3 DC/DC电源实物图

1.3 组件波控电路

波控电路主要实现监控分机与TR组件的控制功能连接。上行接口监控分机与波控电路接口包括LVDS和RS422两种接口。

图4 波控电路连接图

装配在T/R组件上的波控子板可有正常工作模式和调试工作模式。正常工作模式是T/R组件工作在实际整机运行时的状态,调试工作模式是T/R组件在实验室中调试和快速测试自身指标的状态。

FPGA通过一个IO口电平进行模式识别,高电平为工作模式,低电平为调试模式。在工作模式下,编码数据通过422差分接口传递给FPGA,FPGA解码出控制字,根据数据里的通道信息,选择相应的DATAx通道定向发送。同时产生CLK时钟和锁存LOAD信号给T/R组件完成衰减移相功能,产生T、R脉冲信号控制组件的收发转换功能。FPGA从SDA和SCL引脚,通过I2C通信模式读取温度和功率数据,再编码发送回整机作处理[4-5]。在调试工作模式下,计算机直接向FPGA的普通IO口发送CLK,DATA,LOAD数据,并配合SEL0/SEL1做2～4译码选通DATAx通道,使FPGA转发给T/R通道进行控制,来完成移相和衰减控制。

图5 波控电路与T/R组件连接图

2 技术特点和难点

本组件的技术难点在于尺寸小、功能复杂,使用的电源数量少,更适用于雷达系统的应用。结构设计上解决了该组件射频输入输出和加电端口在组件同一侧的要求,更好地满足了工程需要,且该组件也可在连续波下工作。

2.1 组件的功能复杂性

该X波段T/R组件是功能较为复杂的收发组件,其包含了波控电路和电源电路。波控子板在T/R组件正常工作时可与整机按照约定的协议进行编码和解码数据通信,其与外界整机数据通信采用传输距离远、传输速度快、抗干扰能力强的422差分电平的工作方式。电源电路提供了组件波控和微波部分工作所需的3.3 V、8.5 V和-5 V电压,整个组件对外端口只需30 V和5 V的电压,所需的电源数量少,适合工程需要。

2.2 组件特殊结构设计

为便于应用,满足工程需求,组件在设计时将射频输入和输出端口、低频加电和控制端口放在了同一侧。对于微波传输,带线在组件内传输路径复杂,考虑到串扰、连接等问题,组件公共部分和通道间采用分腔设计,避免了相互之间的串扰。低频控制和电源接头与电源电路和波控电路分布在组件的两侧,将插座接口引入到电路板上是设计难点。本组件设计将盒体设计成上下两个平行层面,下层保证组件的基本功能,上层装配多层电路板,用来传输电源和控制信号。由于传输线多为平行线,为保证数据传输时无串扰而影响移相和衰减精度,在传输线间设计有大量的屏蔽线,保证信号能够完整正确地进行传输。

图6 盒体外形

2.3 装配问题

本组件裸芯片86只,2 000余根键合丝,电路结构和装配工艺复杂。如何装配数量如此之多的芯片,如何将3块多层电路板不同温度梯度装配进盒体,且要求散热良好,成为工艺设计难题。根据多年研制T/R组件的经验,采用多种工艺相结合的方式,用4种温度梯度的烧焊和2种温度的粘接工艺[6-7],通过合理设置工艺流程,成功解决了86只芯片的装配问题,成品率达到100%。

2.4 功率监测和温度检测功能

本组件设计有功率监测和温度检测电路,通过波控子板控制模数转换器和温度传感器通过I2C总线通信的方式完成。功率监测通过功率耦合、检波电路和电压比较器,设定合适的阈值,来监测功率是否正常输出。温度监测电路使用数字温度传感器件,精度较高。

3 研制结果

X波段T/R组件尺寸为130 mm×61.8 mm×8.9 mm,

重量<200 g。该T/R组件带内功率可达10 W,可连续波工作,整体效率≥20%,6位移相,5位衰减,噪声系数≤4 dB。

图7 产品外型结构图

如图8所示,组件4个通道的接收增益均在25 dB以上,宽带内实现了较好的带内平坦度和通道间一致性。发射功率>10 W,一致性<1.5 dB。

图8 产品增益和功率测试曲线

4 结束语

本文介绍了一种复杂功能和结构的X波段T/R组件。通过对T/R组件的微波电路、DC/DC电源电路和波控电路的分析,结合组件自身的结构和工艺装配等的特点,阐述了技术难点和关键之处。X波段T/R组件有完善的工艺措施来保证,性能好、重量轻、可靠性高。该T/R组件在电性能指标和结构性能指标方面都已经过测试,达到了总体技术要求。T/R组件在小尺寸空间里实现功能多元化是雷达系统的发展需求,该组件的研制对雷达系统发展起到了一定的推动作用[8]。

[1] 廖原,王洁,张娟.小型化X波段双通道T/R组件的设计与实现[J].电子科技,2014,27(4):66-68.

[2] 王周海,李雁,王小陆,等.X波段双通道T/R组件的LTCC基板电路的设计[J].雷达科学与技术,2005(5):301-305.

[3] Rieger R.Hightly integrated cost-effective standard X-band T/R module using LTCC housing concept for automated production[C].Cologne:Proceeding of EUSAR 02,2002:303-306.

[5] 陶军,彭为,张健.X波段T/R组件波控运算芯片设计[J].现代雷达,2007(6):77-79.

[6] 郑清,张健.相控阵雷达分布式波控系统设计[J].现代雷达,2001,31(3):49-51.

[7] 王光池,戴跃飞,陆培永,等.X波段T/R组件可靠性增长方法研究[J].电子产品可靠性与环境试验,2010(12):10-13.

[8] Kopp Bruce A.S-and X-band radar transmit/receive module overview[C].IEEE Radar Conference,2007:948-953.

Design of A X-band Broadband T/R Module

HAO Jinzhong,ZHANG Yu

(5th Professional Section,13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050051,China)

The implementation of an X-band four-channel broadband T/R module is given.It includes the microwave circuit,DC/DC power,and the functions of beam control,power failure detection and temperature measurement in a small-size module.Structurally,the input port,output port and power port are all on the same side.The paper analyzes and expatiates the complicated function and special structure of the module and the assembly process problem it brings.An X-band broadband T/R module whose performance meets the indicators has been manufactured.This module has the advantages of good performance,light weight,and high reliability due to the delicate techniques.Tests show that it meets the indicators of electric and structural properties and is technically satisfying.

T/R module;X-band;DC/DC power;beam control;special structures

2014- 11- 25

郝金中(1974—),男,硕士,高级工程师。研究方向:T/R组件,毫米波微波组件。E-mail:haojinzhong@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.034

TN958.92

A

1007-7820(2015)04-128-04