基于mini-core module伪装勘测SAR-X波段功率收发组件设计

樊锡元,沈项东

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

基于mini-core module伪装勘测SAR-X波段功率收发组件设计

樊锡元,沈项东

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

伪装勘测SAR设备通过实时调整等效噪声散射系数可实现不同灵敏度下伪装效果的检验与评估。收发组件是该设备的核心部件之一。通过对射频链路的分析计算、散热方式的选择,以及对耦合电路的仿真,并基于mini-core module技术,设计了一种X波段功率收发组件,实现设备的在线调整等效噪声散射系数及功率发射功能,解决了机载平台风冷散热方式对功率收发组件体积、质量的限制。实际获得的结果表明该组件完全满足系统要求。

伪装勘测;等效噪声散射系数;收发组件;核心功能模块;热设计

0 引 言

随着侦察装备的多样性和技术的提升,侦察与反侦察的竞争也越来越激烈。在众多侦察装备中,合成孔径雷达因其具有全天候、全天时的作战能力而得到了各军事强国的重视。

通过建立实物仿真系统来模拟真实SAR设备可以提高对SAR侦察卫星的直观认识,检验现有SAR伪装技术水平和伪装效果,并可针对性地促进对SAR侦察伪装技术水平的发展,提升信息化建设水平。

通过特定的功能装置和设计,伪装勘测SAR 设备可实现等效噪声散射系数在线实时调整功能,可以评估检验不同灵敏度下伪装效果。

1 系统分析

国外星载/机载SAR侦察系统对军事设施的侦察手段日益加强,给军事设施伪装防御能力带来了新的挑战。国外典型的侦察型SAR系统有美国Lacrosse (长曲棍球)系列雷达侦察卫星和“全球鹰”(Global Hawk)无人侦察机。

针对上述挑战构建相应的实物仿真系统,要求噪声等效后向散射系数(可调),X波段(-19 dB～-25 dB)。系统构建框图如图1所示。

图1 伪装勘测SAR设备系统框图

SAR系统中常用噪声等效后向散射系数NEσ0来表示系统灵敏度,并作为系统任务的一个重要指标,其定义为SNR=0 dB时的平均后向散射系数,表示为

式中, Kb为波尔兹曼常数,Pav为雷达平均发射功率, Gt为天线发射增益,Gr为天线接收增益,λ为雷达工作波长,T为系统噪声温度,Fn为系统接收噪声系数,Ls为系统损耗,Vs为平台前向飞行速度,Rs为雷达作用距离,Ka、Kr分别为方位和距离加权损失,ρrg为系统地距分辨率。

根据上述公式,可知在约定其他各项参数情况下,等效后向噪声系数正比于系统噪声系数,反比于发射平均功率。

功率收发组件主要功能是发射时对激励信号放大,送至天线单元,满足系统对功率孔径积的需求;接收时对天线接收的回波信号进行第一级放大后送至低功率射频单元,并通过数控衰减器实现系统灵敏度的调节等功能。

经综合权衡,可以得到伪装勘测SAR功率收发组件指标要求。

2 功率收发组件设计

2.1 技术指标

X波段功率收发前端主要技术指标见表1。

表1 X波段功率收发组件主要技术指标

2.2 电讯设计

功率收发组件需要完成发射(T)和接收(R)两个主要功能,因此功率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。

(1) 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,满足系统等效辐射功率需求。

(2) 接收通道将天线接收的回波信号进行数控衰减再进行放大。这种工作方式有别于普通雷达探测模式,只保证相对较低的基态噪声系数,满足接收机的幅度信噪比要求;同时通过在线调节噪声系数和接收通道增益来实现等效噪声散射系数在线实时调整功能,便于满足检验不同灵敏度下伪装效果的评估。

(3) 组件接收通道衰减的控制由驱动控制部分完成。[1]

功率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]组件输出功率较大,为保证收发通道良好的驻波特性,在发射合成输出端加隔离器,在收发共用端口采用功率环行器。接收通道加入微波数控衰减电路模块实时调整通道噪声系数。

本功率收发组件由于载机平台的限制,体积和质量被严格限制,且散热方式为风冷。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) 系统框图

X波段功率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。和常规固态功率收发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图如图2。

图2 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33 dBm左右的微波功率,经过隔离器后送到中间级放大器进行放大,获得约40 dBm的微波功率,经一分二送两路末级放大再功率合成,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47 dBm。末级功率模块为40 W mini-core module。发射支路的增益分布图见图3。

图3 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WSBDA080120LP数控衰减器。该器件模块采用金属陶瓷表面贴片封装,体积小,精度高。控制电压为0V/+5V,减少了多余的电压品种,特别适合本项目运用,同时并口电路大大提高了实时响应能力。通过接收通道加入数控衰减,可以在线控制调整接收系统噪声系数,从而达到整机系统等效后向散射系数。

调整后的射频回波经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。

功率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,X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4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4 接收通道增益分布图

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。得到NF=10logF=6.43 dB,满足系统要求。

在接收机带宽△f取1 000 MHz情况下,接收通道的灵敏度为

Smin=-114+10lg△f+NF=-77dBm

接收支路输出P-1为13 dBm,同时整个接收支路的增益G=26 dB。最大输入信号P-1大约为-15 dBm,满足指标要求。同样根据动态范围计算公式可得到动态-15 dB+77 dB=62 dB。

在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30.8 dB,将后级噪声系数的贡献降为0.18 dB。接收通道的增益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。本方案通过λ/4中心接补偿电容微带耦合器的级联建立起一种宽频带、高定向性的微带耦合器的模型,补偿电容采用交指电容,定向度可达到25 dB，见图5。

(a)中心接补偿电容λ/4耦合器 (b)图(a)的实际奇模等效电路 (c)理想的奇模等效电路

图5 高定向耦合电路模型

补偿电容

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。设计中为获得较好的主路驻波特性,主路叉指消失,同时获得较好的耦合定向性。

定标耦合器仿真模型如图6所示。

图6 定向耦合器仿真模型

该模型采用Rogers公司RT 5880板材,板厚0.254 mm。经过仿真优化后,获得结果见图7、图8。

图8 耦合路端口驻波/主路端口驻波仿真

仿真结果表明,整个工作频带内耦合度的起伏在1 dB之内,定向性指标大于24 dB,主路驻波大于40 dB,较好地满足了系统定标需要。

2.3 mini-core module设计

Mini-core module是一个或几个裸芯片组成形成一个单一功能的封装电路小模块。这种模块虽对比T/R组件等多功能模块功能单一,一般模块尺寸相对较小,但由于其制造工艺相对简单成熟,批量制造成品率很高,具有高工艺可靠性和低成本优势;电路相对简单,接口明晰,模块电磁兼容性能优异, 具有高电讯可靠性,后级应用灵活方便。本设计中发射功率驱动模块、低噪放模块、数控衰减模块、发射中间级驱动电路、发射末级放大电路等均采用mini-core module。

(1) 发射功率驱动模块

发射功率驱动模块实现发射激励的驱动放大,低电压5 V工作,端口输出功率大于3 W。模块为饱和放大,增益约40 dB,由2级X波段功率芯片级联组成,效率大于30%。工程设计采用RT5880微带板制作电路板,形成小型化电路模块。一般mini-core module设计为通用设计,本设计为标准8～12 GHz宽带驱动功率模块,在1 GHz工作带宽内增益起伏小于0.8 dB。由于工作带宽4 GHz,需要合理设计芯片输入、输出匹配电路,以获得较均衡的带内功率输出、工作效率。同时,良好的匹配电路可以很好屏蔽路回授造成级联功率放大自激效应。设计中考虑电磁兼容要求,对2级放大进行合理的级间隔离;考虑模块腔体效应,合理设计结构尺寸,加入微波吸收材料屏蔽高次模自激效应。模块盒体采用可伐材料,考虑到功率芯片散热需求,底部烧结无氧铜衬底,采用MCM微组装工艺[7],其外形尺寸为23.2 mm×19.8 mm×6 mm。实物图片如图9。

图9 发射功率驱动模块

(2) 低噪放模块

低噪放模块实现射频回波放大,通道增益约35 dB,P-1输出13 dBmW,由2级X波段低噪放芯片级联构成,末级芯片P-1输出达到13 dBmW。其电路参考上述发射功率驱动模块,采用相同的封装壳体相近的电路及电磁兼容设计。

(3) 数控衰减模块

数控衰减模块实现射频回波数控衰减功能,衰减5位,衰减范围0～15.5 dB;步进0.5 dB,衰减精度±(0.3+5%Ai) dB。电路由X波段数控衰减芯片和TTL驱动芯片构成,外形尺寸为18 mm×18 mm×6.5 mm。实物图片如图10所示。

图10 射频数控衰减模块

(4) 发射中间级放大器、末级放大器电路模块

发射中间级放大器和末级放大器统一为同型号的功率电路模块,工作带宽1 GHz,增益8 dB,饱和输出功率40 W,效率30%。设计基于GaN外延材料和GaN HEMT芯片工艺,采用GaN管芯并联匹配合成技术,实现在X波段功率输出。中间级放大器应用时,模块功率输出在15～20 W;末级放大器应用时,功率输出接近饱和。外形尺寸为21 mm×13 mm×5.5 mm。实物图片如图11所示。

2.4 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40 W功率模块法兰焊接在热沉上。热沉反面加装散热翅片,以增大有效散热面积。利用ANSYSicepak软件,热仿真模型见图12。

X波段功率收发组件热仿真温度分布如图13所示。

图12 X波段功率收发组件热仿真模型

图13 X波段功率收发组件热仿真温度分布

图中,高温50℃环境下,末级功率放大器模块法兰最高温度为73.38℃。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。

40 W功率模块在高温工作状态下输出功率存在约0.8 dB(相对于常温)下降 。发射通道设计采用两管功率合成输出相对于指标有1 dB的裕量,满足组件功率发射的指标要求。实际测试,高温环境工作时,组件输出功率大于50 W。

2.5 收发隔离设计

收发隔离度是一个很重要的参数。图14为收发通道环路增益框图。从环路增益来看,环路为正增益,存在很大的自激振荡的风险。

图14 收发通道回路示意图

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15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]。

图15 电源时序关系

3 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16。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质量满足系统的要求。

图16 X波段功率收发组件三维视图

组件结构设计采用双面多腔体,功率发射电路背面为散热翅片,接收通道与发射通道半封闭腔体隔离,其背面为驱动及控制电路。该组件已经通过了振动、高低温、低气压等一系列试验,经整机试验初步验证,性能优异。

通过在线改变系统接收噪声系数调整整机设备的等效后向噪声系数,实现等效噪声散射系数在线实时调整功能,便于满足检验不同灵敏度下伪装效果的评估。图 17为不同等效噪声散射系数图像之间的差别。

图17 不同NEσ0获取的图像效果比较

4 结束语

为了满足机载平台伪装勘测对功率收发组件体积、质量的限制要求,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X波段功率收发组件。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,完全满足系统指标及功能要求。

[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[M]. 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[J]. 电子技术与软件工程,2014(3):53-55.

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

[7] 彭高森,金家富.C波段高功率T/R组件设计[J]. 雷达科学与技术,2011,9(3): 277-280.

Design of an X-band power T/R module for disguise-survey-SAR based on mini-core module

FAN Xi-yuan, SHEN Xiang-dong

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

The equivalent noise scattering coefficient can be adjusted in real-time to realize the inspection and evaluation of the disguise effects at different sensitivities for the disguise-survey-SAR equipment. The T/R module is one of the key components of the SAR system. An X-band power T/R module is designed based on the mini-core module technology through the analysis and calculation of the RF chain, the selection of the heat dissipation method, and the simulation of the coupling circuit, realizing the online adjustment of the equivalent noise scattering coefficient and the power transmitting function, and solving the problem that the size and weight of the power T/R module are restricted by the wind-cooling heat dissipation method of the airborne platform. The results indicate that the module can fully satisfy the requirements of the system.

disguise-survey; equivalent noise scattering coefficient; T/R module; core function module; thermal design

2017-04-26;

2017-05-03

樊锡元(1972-),男,高级工程师,研究方向:微波/毫米波技术;沈项东(1971-),男,高级工程师,研究方向:微波/射频电路。

TN73

A

1009-0401(2017)02-0045-06