探讨Ku波段多通道数字T/R组件的小型化实现

孙安锋 沈端 蒋鹏

摘 要 文章介绍了一种Ku波段多通道数字T/R组件小型化的电路原理设计和实现。FBAR滤波器、GaAs芯片、LTCC滤波器和声表滤波器的应用有效减小了组件的体积;通过合理的频率分配，组件具有更高的镜频抑制度。合理的腔体设计进一步减小组件的体积和重量，并实现了较高的通道隔离度。

关键词 数字T/R组件;小型化;高隔离度;高镜频抑制度

引言

相控陣T/R组件由于具有扫描速度快、控制灵活、幅度和相位连续可调等优点，正获得越来越广泛的应用。对于数字T/R组件，或者多通道混合式相控阵T/R组件，每个通道或者子通道都采用变频技术，所以混频器和滤波器起着关键作用[1-2]。其中，滤波器的体积、重量、性能等指标直接影响T/R组件性能。基于芯片滤波器设计，不仅可以减小组件的体积和重量，也可以使组件的频率选择更灵活。

本文介绍了一款Ku波段多通道数字T/R组件，对组件关键指标进行分解、仿真设计并实测。组件具有高的镜频抑制度隔离度，小的体积和重量。

1组件设计

1.1 电路原理

T/R组件由收发支路组成。组件所用元器件均为MMIC芯片，实现小型化，组件的原理框图见图1。

图1  组件原理框图

组件每个通道包含收发切换开关、低噪放、数控衰减器、滤波器、混频器、中频放大器、滤波器切换开关、发射驱放、发射末级放大器等元器件。

组件实现的功能有：①实现收发分时切换工作;②实现接收闭塞功能;③实现接收宽带、窄带滤波器切换功能;④实现收发调制功能;⑤实现9种校准功能。

发射支路要求输出功率≥20dbm;杂散≤70dBc。

接收支路要求单通道增益32±1dB，噪声系数≤18dB，隔离度≥50dBc，输出P-1≥20dBm，镜频抑制度≥30dBc，输出三阶交截点≥40dBc@Pout=10dBm。

组件要求实现小型化设计，尺寸要求：

105.2mm×65.8mm×20mm。

1.2 仿真计算

为实现组件小型化设计，RF滤波器采用GaAs芯片滤波器，一中频滤波器采用FBAR滤波器[3]，二中频滤波器采用LTCC滤波器[4]和声表滤波器。其中FBAR滤波器具有优异的带外抑制特性，相较于SAW，它可以工作在更高的频段。较高的一中频和一本振，可以大大减轻RF滤波器对带外抑制的要求，特别是对发射时本振信号抑制的要求。本文选用C波段Fbar滤波器，其带宽大于200MHz，在第二镜频处抑制能力>40dBc，在一本振处抑制能力>50dBc。FBAR滤波器仿真、单测特性如图2所示，需要注意的是，FBAR滤波器带外抑制特性与其接地金丝位置和角度都有较大关系。图2表明，位置不合适时，可相差10dB以上。

图2  Fbar滤波器仿真与测试数据

接收支路的级联指标计算见表1所示，单通道增益设计值32dB，噪声系数14.1dB，镜频抑制度大于35dB。

表1 接收增益、噪声、镜频抑制级联计算

发射支路工作于饱和状态，输入功率0dbm。输出采用两级放大器合成，单级放大器输出功率21dbm，两级合成后输出功率≥23.5dbm，经过开关2.5dB损耗，组件输出功率大于21dbm。

1.3 结构设计

组件需要在长为105.2mm，宽为65.8mm的尺寸内实现多个通道，而且由于链路较长，所需的元器件较多，一个组件无法放下所有元器件，所以组件充分利用纵向空间，采取两个模块上下互联的设计结构。上下模块各完成8个通道的一次变频，两个模块通过双阴相连，由M2螺钉互联锁紧，实现完整功能。

组件采用了大量的裸芯片以提高组件封装密度，因此必须对组件进行密封设计。模块外壳选用铝材料，封帽方式采用激光封帽。可以保证其稳定性和长期可靠性。

图3  前端外形图

2组件的实现

多通道数字T/R组件的制作实物如下图4所示，上下模块之间采用双阴连接。组件RF端口为SMP接口，由于IF端口收发分开，所以IF端口分为接收SMP端口和发射SMP端口。LO口有2个SMP，另有1个耦合端口。电源与控制接口采用密封J301M系列接插件，13芯为下模块所用，21芯为上模块所用，采取垂直安装形式。

图4  数字T/R组件实物图

接收通道增益和噪声系数测试结果如图5所示，增益在31～33dB，噪声系数14～16dB，满足指标设计要求。

接收通道隔离度测试结果如图6所示，以通道3到其余通道的隔离度为例，在50dbc以上。

接收通道镜频抑制度测试结果如图7所示，第一镜频抑制度达到40dbc以上，第二镜频抑制度达到50dbc以上。

发射通道测试结果如图8所示，输出功率在21.2～22dBm之间。

图5  组件接收增益和噪声测试结果

图6  组件接收隔离度测试结果

图7 组件镜频抑制度测试结果

图8 组件发射功率测试结果

3结束语

本文介绍了一种Ku波段多通道小型化数字T/R组件的电路原理设计和实现。通过滤波器的合理选择和中频频率的合理划分，设计并制作了样品实测，来验证指标中镜频抑制度、隔离度、增益、噪声、功率等指标。多通道组件在满足高镜像抑制度和高隔离度指标的同时，最终实现的体积仅为105.2mm×65.8mm×20mm。

参考文献

[1] 苏力争，钟剑锋，张建增，等.S波段八通道数字T/R组件研究与设计[J].现代雷达，2013，35（9）：66-68.

[2] 张卫清，许厚棣，唐亮.雷达数字化收发系统芯片设计与实现[J].雷达科学与技术，2016，14（3）：317-323.

[3] 赵洪元，夏燕，王亚宁，等.基于FBAR技术的S波段低插损滤波器[J].固体电子学研究与进展，2019，39（4）：297-300.

[4] 常钰敏，罗雨，戴永胜.一种基于LTCC的宽阻带高抑制带通滤波器的设计[J].固体电子学研究与进展，2019，39（4）：264-272.