一种大功率X波段T/R组件的设计

惠新亮

一种大功率X波段T/R组件的设计

惠新亮

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

本文设计了一种大功率T/R组件，对其原理和方案进行了阐述，并对发射峰值功率、接收增益和噪声系数等主要指标进行了计算。单通道可实现发射峰值功率45.6 dBm，接收增益约30 dB，噪声系数略大于3 dB，为大功率T/R组件的设计提供一种参考。

X波段；T/R组件；大功率

0 引言

有源相控阵雷达为现代雷达的主要发展方向，应用前景十分广阔，其波束快速捷变、系统功率效率高、多功能、多目标跟踪打击、抗干扰能力强、可靠性高和天线隐身好等优点已在应用中被证实。目前，该体制雷达已在防控反导、警戒探测、导弹控制、星载、机载火控、干扰和抗干扰等领域应用[1-4]。近年来，随着有源相控阵雷达的应用需求增长和微电子技术的发展，T/R组件作为有源相控阵雷达的关键部件之一，其成本约占整个雷达的70 %，且其性能直接决定着有源相控阵雷达的探测距离、分辨率和灵敏度等关键参数，同时对有源相控阵雷达的尺寸和重量等具有重要影响。美国的战区高空区域防御系统（Terminal High Altitude Area Defense，THAAD）的战区导弹防御地基制导雷达（Theatre Missile Defense-Ground Based Radar，TMD-GBR）采用相控阵体制，有25344个T/R组件，1/4面阵X波段全固态相控阵实验雷达探测1 m2目标的距离达到500 km。T/R组件为雷达系统发射功率的基础，在相同T/R组件数量的情况下，增加T/R组件功率是提升雷达威力的最直接简便的方法[5-8]。因此，通过结合第三代半导体材料的微波功率性能优点，开展一种X波段大功率T/R组件的设计是必要的。

1 T/R组件原理

T/R组件主要由接收通道、发射通道、收发开关、衰减器和移相器等部分组成，其原理框图如图1所示。T/R组件的主要任务是在发射时将激励信号经移相器、衰减器后输入到发射通道，在发射通道内对其进行驱动放大和功率放大后，最终经天线辐射；在接收时，将从天线接收的微弱信号经开关后输入至接收通道，经低噪放放大后，再经衰减器和移相器等后输出至后端进行A/D采样。

图1 T/R组件原理框图

2 T/R组件设计

T/R组件的整体设计方案如图2所示。由图2可知，T/R组件包括三个部分：发射通道、接收通道和逻辑控制等。逻辑控制主要包括收发开关切换、移相控制、衰减控制和直流供电控制，其中通过对移相和衰减的控制来实现接收/发射的幅相一致性和波束合成及相控扫描。

发射通道主要包括移相器、衰减器、驱动放大器、功率放大器、功分器和合成器等，主要通过两路22 W（43.5 dBm）来合成不小于30 W（44.8 dBm）的输出功率，发射信号到来时，切换收发开关至发射，首先经功分器后分为两路，分别经移相器、衰减器、放大器和收发开关；两级驱动放大后各功分为两路，再分别对信号进行功率放大至22 W（43.5 dBm），两路22 W（43.5 dBm）经合成器后输出饱和功率约为36W（45.6 dBm），满足大于30W（44.8 dBm）的设计目标。根据工作时序切换至接收通道，接收来自天线的微弱信号，经收发开关、开关、限幅器、低噪放、收发开关放大器、衰减器和移相器后输出至后端，满足A/D采样的接收信号，其中移相器、衰减器、放大器与发射通道共用。

另外，接收通道采用开关和限幅器串联的方式来增加收发通道的隔离度，优化T/R组件工作时序，增加收发保护时间，同时增加挖漏信号设计，减小发射通道对接收通道的影响，确保雷达正常工作。

图2 T/R组件设计方案图

3 核心指标计算

3.1 发射峰值功率

发射链路原理图如图3所示，可知T/R功率的实现是通过信号经两级驱放并功分后分别驱动两路功率放大器，最后经合成器合成功率。第一级驱放的输入功率为13 dBm，增益为22 dB，输出饱和功率为31 dBm，放大器已饱和输出；31 dBm的饱和输出功率继续驱动第二级驱动放大器，增益为10.5 dB，则输出饱和功率为40 dBm；经功分器后输出两路信号，功率分别为36.7 dBm，分别驱动功率放大器，增益为9.5 dB，则每路饱和输出功率为43.5 dBm；两路经合成器（插损0.4 dB）、收发开关（插损0.5 dB）后输出，功率约45.6 dBm（36 W）。另外，占空比为30 %时，T/R的功耗约39.8 W，则发射效率约为30.2 %。

图3 发射链路原理图

3.2 接收增益

接收链路原理框图如图4所示，接收信号经天线接收，通过收发开关、开关和限幅器后，增益为-1.6 dB，经第一级低噪放后，增益为22.4 dB，再经过开关后增益为21.9 dB，然后再进行一次放大，增益变为41.9 dB，最后经数控衰减器、移相器，其插损分别为3.3 dB、8 dB，则增益变为30.6 dB。

图4 接收链路原理图

3.3 噪声系数

级联器件的噪声系数计算公式如式（1）所示：

4 结论

T/R组件是相控阵雷达的核心部件之一，其性能和成本对雷达的决定性作用较大。本文通过对X波段两通道的大功率T/R组件进行设计，并对核心指标进行计算，最终可以实现36 W的发射功率，且效率可达30 %，接收通道增益大于30 dB，噪声系数约为3 dB。本文所述对相控阵雷达的大功率T/R组件的设计具有较强的参考意义。

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Design of High Power X-Band T/R Module

HUI Xinliang

A high power X-band T/R module has been designed in the paper. The T/R module theory and scheme are expounded, the main technological indexes of The T/R module are calculated, such as peak power, receive gain, noise figure and so on. The transmit peak power is about 45.6 dBm. The receive gain is about 30 dB. The noise figure is slightly larger than 3 dB, which provides a reference for the design of high power T/R module

X-Band; T/R Module; High Power

TN958

A

1674-7976-(2021)-03-232-03

2021-02-24。惠新亮（1989.02-），陕西榆林人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为数字与射频电路设计。