L波段双通道TR组件设计

祁华，张世文

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2 空军空通局，北京 100166）

0 引言

现代作战平台面临的威胁越来越多，所处环境的电磁干扰日益复杂，为提高生存和作战能力，平台所配备的导航、雷达、电子战和通信等设备越来越多，这些电子设备占据了越来越多的资源和空间，直接影响了平台的机动作战能力，降低了其抗干扰能力和作战效能。导航—通信—雷达一体化的提出主要就是为解决上述这些问题。

导航、通信及雷达系统的工作原理大致相同，其子系统也有重复，如天馈系统、接收分系统、发射分系统、信号处理分系统等，现阶段实现导航通信雷达一体化设计的优势在于：

（1）利用雷达发射功率高和接收灵敏度高等优势，提高通信距离和质量；同时利用雷达天线的高方向性、频率捷变、波束捷变等特点可提高通信的保密性和抗干扰能力。

（2）实现自动化、网络化的导航通信雷达系统一体化设计后，可借助终端计算机形成导航—通信—雷达网，将目标信息通过终端计算机完成数据录取、处理、传递等过程，避免人工误差。

（3）通过对雷达系统进行相应改造，使其兼顾导航通信功能，可大幅提高电子设备的利用率。

本文主要基于导航通信雷达一体化设计的要求，对L波段TR组件实现了小型化、集成化设计。通过采用双通道收发组件公用接收通道的方式实现了收发通道双环形器隔离，该方式可有效降低设计成本，减小组件尺寸；在设计过程中，主要从组件的大功率发射、脉冲顶降控制、电磁兼容性设计、发射通道稳定性设计、通道幅相一致性设计等方面进行了分析，保证了组件的性能。

1 TR组件原理

TR组件的电路原理图如图1所示，主要由射频电路、控制电路、电源三个部分。其中射频电路主要完成发射信号的放大和回波信号的低噪声放大；控制电路主要对射频电路中的数控移相器、数控衰减器和收发开关提供数字控制信号；电源为组件各部分有源器件和数控器件提供直流电信号。

图1 组件电路原理图

数控移相器可改变各通道的相位值，从而实现波束扫描（改变波束方向），由于收发通道均须完成移相，故置于公共通道；

发射通道与接收通道可利用环形器公用天线单元，可用满足要求的双工器或开关替换；

限幅器可换为满足要求的接收机保护开关，主要防止低噪放在发射态或大功率激励信号进入时的器件损伤，雷达工作时所存在的大功率发射情况主要由以下几种：发射态时的发射通道信号泄露；天线端口失配时的大功率信号反射；天线近端遮挡等极限情况下的大功率信号反射等；

LNA决定了系统的噪声系数，天线与LNA之间的链路插损在很大程度上影响系统的噪声系数；为提高TR组件的灵敏度，需将LNA、PA靠近天线，减小链路传输损耗。

2 L波段双通道TR组件设计

本文的L波段的双通道TR组件主要由射频部分、控制部分、模拟电路部分和功分部分构成。射频控制部分主要完成射频信号的收发切换、功率放大、低噪声接收、移相衰减、定标耦合功能；功分部分主要完成接收信号合成/发射激励信号分配；控制部分主要完成移相衰减的控制、收发开关状态切换的控制、定标耦合器工作状态的控制和链路中各放大器供电状态的控制；模拟电路部分主要包含供电电路和检测电路。

发射状态下，收发开关处于发射态，信号由前端电路进入组件，经数控移相器的移相作用，利用L波段功分器进行发射激励信号的功率分配，两路发射信号分别进入两个发射链路中，分别经各自的前级驱放和后级放大器的线性放大作用，经一级环形器由天线辐射至空间。其中，前级驱放的放大要满足后级放大器的参数要求，避免传输信号经放大作用失真，而不能满足通信放大链路线性度的要求；环形器的耐功率值需满足发射功率要求，避免烧毁。

接收状态下，收发开关处于接收态，两路接收信号由天线分别进入一级环形器后由L波段功分器的功率合成作用变为一路信号，经二级环形器、接收路开关、L波段滤波器、限幅器、低噪声放大器、数控衰减器和数控移相器的作用，进入后端处理电路中。其中，一级环形器、二级环形器及接收路开关主要为保证收发的隔离度，防止组件发射功率（大于50dBm）泄露导致接收路的功率器件及限幅器的烧毁；L波段滤波器主要对回波信号进行滤波处理，提高组件的信号带外抑制度；限幅器主要为保护后端功率器件；数控衰减由6位数字信号控制，可完成0.5～31.5dB的衰减，主要为提高组件的接收动态范围，防止较大功率输入时的饱和输出；数控移相可完成 180°，90°，45°，22.5°，11.25°，6.125°的移相过程，移相精度须保证在±5°内；

组件的离线检测功能主要由定标耦合器与检测电路实现。其中，发射状态的检测由输入端口加入发射信号，利用定标耦合器将发射输出端口的信号耦合检波入检测电路，实现发射态的检测功能；接收态的检测由定标耦合器对组件的接收输入口加入检测信号，由接收通道的输出口实现接收态的检测功能。

图2 L波段双通道TR组件原理图

为保证收发隔离度35dB的要求，需采用双环形器完成收发通道的隔离，但由于所属L频段环形器尺寸较大，约为140*80*26mm，采用传统的四通道TR组件设计无法控制整体尺寸，不满足组件小型化的要求。故采用双通道收发组件公用接收通道的方式实现收发通道双环形器隔离，该方式可有效降低设计成本，减小组件尺寸。

3 组件收发链路分析

3.1 发射通道指标实现

在本方案中，环形器的损耗取值 0.5dB，根据上述设计，对技术指标逐一分析。

（1）发射通道饱和输出功率

在L波段f1～f2频率范围内，脉冲输入功率电平为15dBm，从表1和图3可以看出，组件功放输出脉冲功率：48±1dBm（输出功率：≥50W，组件功放带内增益波动：≤2dB）。

（2）发射通道输入驻波

输入端使用6dB衰减器，可将输入模块回波损耗衰减12dB，最终发射通道的输入驻波小于1.3。

（3）大功率发射脉冲顶降控制

产生脉冲顶降形成的原因包括电源功率、储能电容容量、组件散热效率等。在本文发射通道设计中，主要采取以下几种方法用于减小脉冲顶降：

a.选择合理的尽量大的储能电容，减小引线电感，储能电容离馈电越近越好，同时增加旁路滤波，减小脉冲电压的纹波和高频噪声对射频信号的影响；

b.增加假负载，使开关工作时，负载电阻不再由0变化为∞；

c.改善驱动器输入端匹配状态，可通过串联一个RL并联网络或并联一个RC串联网络，对脉冲功率顶降进行补偿，使脉冲产生一个顶升，从而补偿输出脉冲波形的顶降；

d.对晶体管良好匹配，良好散热，避免晶体管输入信号产生过激励，提高晶体管效率；

e.组件和电源模块由穿心电容连接，对电源滤波。

3.2 接收通道性能分析

接收通道主要由开关、限幅器、低噪声放大器、数控衰减器、收发切换开关、移相器等器件构成。

（1）增益计算：25±0.5dB

根据图3计算接收通道的增益在不衰减态，全频段、移相状态下为25dB；

图3 发射通道链路图

表1 饱和输出功率分析

图4 接收通道链路图

（2）在两级低噪放中间加数控衰减器来实现大的动态范围；在二级放大器后加数控衰减器来调节输出信号幅度，实现幅度调制。

（3）噪声系数：

噪声系数是衡量接收系统性能的重要指标，且主要与链路前几级器件选择密切相关，由式（1）可以计算出本接收通道的噪声系数为3.6dB。

（4）接收通道需要具备抗烧毁功率达到 50W以上，同时应具有低噪声要求，故设置开关与限幅器保证大功率反射导致的器件烧毁，可能导致大功率反射的极限情况主要包括：雷达天线近端遮挡、发射通道大功率信号泄露和天线端口失配导致的大功率信号反射等。

4 电磁兼容性设计

4.1 接地性

良好的接地可以提高系统的抗干扰能力，引入较小电磁辐射。射频电路的传输阻抗为分布参数，应大面积接地，就近接地，接地线应尽量短，地板与壳体间保持接地性良好；对控制电路，采用集中接地，且尽量与射频低分开。

4.2 腔体设计

腔体设计时，充分利用波导的高通滤波效应，对于宽为a的矩形波导，可传输电磁波的临界波长为2a，对应的临界频率为c/2a。当频率接近该截止频率时，传输衰减急剧增大，故设计时腔体的宽度应远小于2a，设计时腔体的截止频率一般取为工作频率的 3～4倍；考虑装配及信号传输质量问题，腔体深度不宜过深，一般为微带板厚度的 10倍以上，且小于其宽度。

4.3 收发转换时序的影响

TR组件一般采用分时工作的方式，但收发状态切换时，收发开关隔离度较低，通道之间易形成回路，产生震荡，故实际设计时，将TR开关错开一定的时间，使一个通道完全关断后再打开另一个通道。

4.4 TR发射脉冲前后沿抖动的影响

TR进入发射态时，脉冲在前后沿存在一定的抖动，影响信号频谱质量，增加了系统的杂散，实际设计时，通过控制电源来消除前后沿抖动对组件发射信号性能的影响：前沿，电源连接时间提前于射频信号；后延，电源断开时滞后于射频信号。

4.5 发射通道稳定性设计

由于发射通道的功率较大，在设计时需考虑其稳定性设计，本文主要从以下几个方面进行了考虑：

（1）链路增益合理分配，防止局部增益过高而信号谐振。采用模块化设计：中小功率与大功率模块进行链路增益分配后分腔设计，在空间上防止信号串扰。末级功放靠近输出，减小插损，焊于壳体，保持散热。

（2）发射通道主要为功放器件，需柵压偏置（负电），由内部转换电路生产，收发通道采用电源调制方案，包含逻辑处理电路单元，设计时引入负电诊断逻辑，即上电时序须加载负电后，才能正常加载正电以防烧毁。TR组件收发状态的快速切换，主要通过关断各路放大器的漏极电流，P-沟道MOSFET用于控制放大器的关断，可提供较小的导通阻抗；

（3）合理的布局：避免信号间相互耦合，走线时信号线尽量远离；两信号线间应通过地进行隔离；多个通道间应分腔隔离，避免通道间相互干扰；对信号空间隔离，防止泄露，引发自激；信号线应尽量走直线，弯折会导致信号传输的不连续性，影响匹配；

（4）多级放大器级联时，需防止耦合，各级间应进行腔体隔离；单级增益较高（大于30dB）时应对放大器输入输出端进行空间隔离，否则可能对其特性造成影响，甚至自激。

（5）放大器与滤波器、天线、混频器等带外阻抗特性复杂的器件级联时，易导致阻抗失配，从而自激。一般采用铁氧体隔离器（单向器件，带内匹配特性良好）或稳定衰减器（π型或T型）进行改善。

（6）输入输出隔直电容：实际电容有不同的谐振频率，当使用频率超过其自身谐振频率时，感抗增加，且隔直电容过大也会造成脉冲工作时退饱和时间加长，故一种电容只适用于一定的频率范围，在50Ω射频系统一般使其容抗在最低频率≤15Ω。

5 幅相一致性设计

组件的幅度相位一致性主要受射频芯片、无源电路和装配工艺的影响。为了保证组件满足用户要求的一致性指标，需要从射频芯片的批次一致性管理、无源电路加工一致性管理、装配一致性管理双个方面入手严格把控，来满足指标要求的幅度相位一致性。

在电路设计方面主要采用如下措施：合理分配通道增益，保证各级器件在正常的工作状态；优选元器件，选用一致性和重复性较好的元器件；引入幅度和相位补偿电路，发射和接收通道都包含增益和相位调整器件；电路布局采用完全对称设计，各通道电路结构完全一致。

6 结束语

本文采用双通道收发组件公用接收通道的方式实现了收发通道双环形器隔离，并从组件的大功率发射脉冲的顶降控制、电磁兼容性设计、发射通道稳定性设计、通道幅相一致性设计等方面进行了分析设计，最终完成了小型化、集成化L波段TR组件设计，可应用于L波段导航通信雷达一体化机的工程研制。

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