一种L波段固态收发组件的设计

沈项东,樊锡元

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥　230088)



工程与应用

一种L波段固态收发组件的设计

沈项东,樊锡元

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥230088)

固态收发组件是相控阵雷达的核心部件之一。通过对射频链路的分析计算、微波模块的优化设计、散热方式的选择，以及对耦合电路的仿真，设计了一种L波段固态收发组件，重点解决了机载平台对固态收发组件体积、重量的限制。实际获得的结果表明该组件完全满足系统要求。本文对电讯、结构及热设计都做了详细的阐述。

收发组件；电讯设计；热设计

0　引　言

固态收发组件需要完成发射(T)和接收(R)两个主要功能，因此固态收发组件中主要包含发射通道、接收通道以及驱动控制3个部分。有些固态收发组件中还包括电源控制部分以及射频输入输出、低频连接器等组件接口部分。

发射通道主要完成射频激励信号的放大，并输出至馈线网络；接收通道将天线接收的回波信号放大，并保证较低的噪声系数，同时又要满足接收机的幅度要求；组件的收发开关切换及相位、衰减的控制由驱动控制部分完成[1]。

固态收发组件的基本部件有固态功率放大器、驱动放大器、限幅器、低噪声放大器等[2]。为了获得良好的性能和从稳定可靠方面着想，有时又在基本电路中增加了环形器、电调衰减器、幅相均衡器、收发开关、监测保护电路及移相器驱动器，逻辑控制电路等等。整个电路组成由系统性能要求决定。

本固态收发组件由于载机平台的限制，体积和重量被严格限制。如何在有限空间完成系统设定的功能是项目成败的关键。

1　设计方法

1.1技术指标

L波段固态收发组件主要技术指标见表1。

表1　L波段固态收发组件主要技术指标

1.2电讯设计

(1)系统框图

L波段固态收发组件需要完成的功能包括发射功率放大、接收功率放大、接收支路幅度控制、发射功率耦合检波等。和常规固态功放组件的重大区别在于，本组件要求接收支路噪声系数可以进行调节。根据系统要求，该组件的基本组成框如图1。

图1　基本组成框图

(2)发射支路设计

由发射激励送来的10 dBm微波功率，首先经过一个高增益驱动功放的放大，获得45.4 dBm左右的微波功率。经过隔离器后，送到末级放大器进行放大，获得约51.1 dBm的微波功率。经过隔离环行组件和定标耦合器之后输出，固态功放组件的最终输出功率不小于系统要求的50 dBm。发射支路的增益分布图见图2。

图2　发射支路增益分布图

(3)接收支路设计

由天线接收的微波信号经过定标耦合器、环行器之后，首先送入限幅器。该限幅器可以避免由于天线开路、发射功率全反射而造成的对接收系统的伤害。当然，未达到限幅器启动的功率，微波信号可以接近无损地通过(仅传输损耗)。

微波信号紧接着送入数控衰减器。通过对数控衰减器改变其衰减度，事实上改变了接收支路的噪声系数。如前所述，这是本收发组件的重要特点。为实现这一目标，选择了WSB000025-5数控衰减器。该器件采用金属陶瓷表面贴片封装，体积小、精度高。控制电压为0 V/+5 V，减少了多余的电压品种，特别适合本项目运用。

低噪声放大器输出的信号送入后端的数字接收机进行数字化处理。

噪声系数和动态范围是固态功率组件接收支路的主要指标。在系统带宽确定的情况下，噪声系数决定了系统的临界灵敏度。

由于固态收发组件在高低温工作时，其带内会出现增益起伏。根据试验结果，L波段接收支路增益随温度变化大约0.4 dB/10 ℃，设计时留有余量并作一定的补偿。接收通道主要都是一些小功率及控制类器件，接收通道的详细增益分配及动态要求如图3所示。图中标示了各级电路的插损或增益，从而据此计算接收支路的各项指标。

图3　接收支路增益分布图

接收支路是一种级联系统，其噪声系数的简化计算方法为[3]：

(1)

式(1)中，L1=10(l1+l2+l3+l4)/10 ，l1～l4为LNA之前各级的插入损耗；G1为LNA的增益。

据此，接收支路的噪声系数和增益计算结果为：

F=2.62258

NF=10logF=4.18 dB，满足系统要求。

在接收机带宽Δf取200 MHz情况下，接收通道的灵敏度为：

Smin=-114+10lgΔf+NF=-86.8dBm

同样根据动态范围计算公式可得到：

DR=68.8dB

不同接收机带宽要求的系统中，往往取较宽的一个进行灵敏度和动态范围的计算，这样在窄带运用时，系统可以获得相应的得益。接收通道噪声系数主要取决于前端无源器件的损耗以及低噪放的增益[4]。为降低噪声系数，本固态组件适当提高低噪放的增益至30 dB，将后级噪声系数的贡献降为0.18 dB。接收支路的增益G=26 dB。

(4)定标耦合器设计

微带线定向耦合器由于容易实现和集成等特点而广泛应用于各种微波电路中。但是由于实际的微带线介质是非均匀的,部分是微带基片,部分是空气,从而导致其奇偶模相速不相等,引起微带线定向耦合器的定向性和耦合精度的劣化。

发射支路的输出功率需要进行定标，其精度和耦合器的耦合度严格相关。由于频段较低，若采用常规的耦合器，为获得一定带宽内较为平坦的耦合度所需要的版面积会相对较大。

为此，在常规定向耦合器的耦合臂上增加叉指，同时调节其位置和长度，再用HFSS软件进行仿真和优化，获得较好结果。

定标耦合器仿真模型如图4。

图4　定向耦合器仿真模型

该模型采用Rogers公司RT 6002板材，板厚0.762 mm。经过仿真优化后，获得结果见图5。

图5　定向耦合器仿真结果

仿真结果表明，整个工作频带内耦合度的起伏在1 dB之内，较好地满足了系统定标需要。

1.3热设计

热设计的核心目的是降低发热元器件至散热通路之间的各级热阻。本组件采用强迫风冷，为此将各主要发热元器件分别与散热器紧密接触，底部涂敷导热硅脂以进一步降低热阻。其中功耗最大的功率管焊接在热沉上，热沉反面加装散热翅片，以增大有效散热面积。利用ANSYS icepak软件，热仿真模型见图6，图中绿色部分为发热器件。

图6　热仿真模型

L波段固态收发组件热仿真温度分布如图8所示。

图7　热仿真温度分布

如图7所示，环形隔离组件最高温度为61.39℃；末级功率管最高温度为73.54℃。驱动级最高温度为69.39℃。

上述器件温度均满足最高温度不超过75℃的设计要求。

1.4收发隔离设计

收发隔离度是一个很重要的参数。为保证组件发射支路和接收支路之间的隔离，采用了收发分时工作的方式，保证了收发之间的完全隔离[5]。

图8给出固态功率组件要求的电源时序关系。

发射支路工作期间，接收支路切断电源供电。这样保证了接收支路屏蔽了来自发射支路的干扰。更加有利的是，通过这种安排，收发之间潜在的增益环路被切断，避免了收发组件的自激振荡[6]。

2　设计结果

通过三维绘图软件Pro/E，代入各元器件、盒体尺寸，绘制本收发组件的三维视图，见图11。通过三维视图，可以进一步直观地给出组件内部各器件排列情况，避免了各元器件之间的相互干涉，及早发现安装和结构方面的问题以进行优化设计。利用该软件，还对组件盒体进行减重设计，充分保证整个组件的体积重量满足系统的要求。

图9　收发组件三维视图

L波段固态功放组件实物如图10。该组件已经通过了振动、高低温、低气压等一系列试验，目前正参与整机试验，性能优异。

图10　收发组件实物图

3　结　语

为了满足机载平台对固态收发组件体积、重量的限制要求，综合运用了多种设计和仿真软件，通过对射频链路和微波模块进行分析计算和优化设计以及对散热方式和耦合电路进行选择和仿真，设计了一种L波段固态收发组件。目前，该组件已经通过各项试验，运用在机载平台上，实际测试结果表明该组件工作稳定可靠，完全满足系统要求。

[1]Inder Bahl, Prakash Bhartia. 微波固态电路设计[M]. 2版. 郑新,译. 北京:电子工业出版社, 2006:176-274.

[2]Guillermo Gonzalez. Microwave Transistor Amplifiers: Analysis and Design. Upper Saddle River, N.J.:Prentice Hall, 1997.

[3]弋稳. 雷达接收机技术[M]. 北京:电子工业出版社, 2005.

[4]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.

[5]蒲蔚妮,姜晓兵：L 波段收发组件接收通道的设计分析 电子技术与软件工程[J]，2014，3：53-55

[6]S Gao High-Efficiency Class F RF /Microwave Power Amplifiers[J]．IEEE Microwave Magazine，2006，7( 1) : 40-48．

沈项东(1971—)，男 ，安徽人，高级工程师，主要研究方向为微波与射频电路研究；E-mail：2856626457@qq.com

樊锡元(1972—)， 男，安徽人，高级工程师，主要研究方向为微波与毫米波技术研究。

Design of a L-Band Solid-State T/R Module

SHEN Xiang-dong, FAN Xi-yuan

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

Solid-state T/R module is one of the key components of phased array radar. In the paper, by using radio frequency chain analysis and calculation, microwave module optimization, heat diffusion and coupler circuit simulation, a L-band solid-state T/R module is designed，which solves the restrictions of the airborne platform to solid-state T/R module in volume and weight. The result demonstrates that the designed module can satisfy the requirement of the system. The methods of electrical design, structure design and heat design are introduced in detail.

T/R module; electrical design; heat design

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.04.012

2016-02-05

2016-06-09

TN 73

A

1673-5692(2016)04-397-04