瓦片式数字阵列模块研制

唐亮 陈兴国 李佩

（中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

数字阵列模块(Digital Array Module, DAM)是采用集成化和数字化技术，将射频收发单元、本振功分单元、中频数字收发单元、电源等功能电路整合并一体化设计，完成雷达数字化收发、数据预处理及数据传输功能的新型多通道收发模块。未来相控阵雷达系统的发展目标是宽频带、多功能、大功率、高效率、高集成度、低成本，而新一代的数字阵列模块具有片式、宽带、高密度、高效率等技术特点。

相对于砖块式组件，瓦片式DAM 利用高密度组装技术与新颖的互联技术，大幅度减小了纵向高度、重量与成本，将多个相同功能的芯片或电路集成在数个平行放置的瓦片上，然后垂直互联，构成薄而紧凑的“三明治”结构，适应多平台使用。本文设计的S 波段数字阵列模块采用了分布数字化、集中数字处理的电讯架构，集成十六个单元数字化收发通道，构成一个高密度瓦片式DAM；和传统平面结构DAM 相比，减小了体积和重量，实现大功率高效率输出和宽带高速数据信号传输。

2 瓦片式DAM设计

2.1 DAM总体设计

瓦片式DAM 采用单通道数字化收发单元和16 通道数字收发集成设计，包含16 个单通道数字化收发单元、本振功分网络、16通道数字收发电路等部分，其组成框图如图1 所示。

瓦片式DAM 在接收工作状态时，回波信号由天线送到数字收发单元，经过模拟收发前端中低噪声放大，下变频到中频频率，中频信号经高速AD 采集形成高速串行数据，传输到多通道数字收发电路上，进行数字下变频处理，解调得到数字I、Q 信号再经光纤传给信号处理系统；在发射工作状态时，由多通道数字收发电路将幅度、相位等控制码送给DDS 产生中频激励信号，经一本振上变频到射频激励信号，再经功率放大送至天线单元。16 通道数字收发电路（母板）和16 个单元数字化收发SIP 相连，通过母板上的主处理器（FPGA）完成16 通道的宽带信号数字解调、数据融合、DDS 控制、高速光纤大容量数据传输。

2.2 单元数字化收发SIP设计

瓦片式DAM 中集成了16 个单元数字化收发SIP，其功能组成包括环行器、限幅低噪声放大器、GaN 功率放大器、Si 基混频器、LTCC 滤波器、MEMS 滤波器、模数转换器、数字频率合成器、电源等器件。

SIP 接收时主要完成信号的低噪声放大，并对射频工作频带外信号进行滤波，经过频谱搬移后，对中频信号进行模数转换，完成信号采集，送一体化数字母板FPGA 进行处理。SIP 发射时通过DDS 产生中频激励信号，经过上变频、滤波和GaN 功率放大，最终通过天线阵元进行空域信号辐射。

2.3 16通道数字收发母板设计

图1：DAM 组成框图

图2：16 通道一体化数字收发母板框图

16 通道一体化数字收发母板主要由2 片大容量FPGA、1 个4路并行收发光模块、16 个高密度高速连接器、时钟分配电路、本振分配电路和电源分配电路组成，其功能框图如图2 所示。数字母板主要功能是16 个数字收发单元ADC 输出数据的解码及单元对齐、16 通道数字混频、数字滤波以及通道均衡、16 通道数字基带信号光纤实时传输、接收雷达系统控制命令和时序信号并同步控制DDS 产生雷达所需各种信号、同时提供16 个数字收发单元所需时钟、本振、电源和时序信号。

2.4 电源设计

按照系统架构和瓦片式的布局，电源采用二次分配方案，由多通道数字收发板提供给每个数字收发单元所需要的各种电源。电源分配框图如图3 所示。

图3：电源分配框图

图4：瓦片式DAM 和天线子阵实物图

图5-1：输出功率测试结果

图5-2：噪声系数测试结果

图5-3：动态范围测试结果

图5-4：波形采集测试结果

2.5 结构和热设计

DAM 采用片式架构和微通道高效散热设计。DAM 由16 个数字收发单元、冷板、多通道一体化数字收发电路以及高低频混装插座、光连接器、SMP 连接器、水接头等组成。瓦片式DAM 结构分纵向分为数字化收发单元、一体化冷板、本振功分网络、多通道一体化数字收发电路。

对于系统热管理而言，影响散热效果的主要环节包括芯片的结温，芯片与组件载板之间的接触热阻，载板与散热流道的接触热阻，和散热系统的流量、供液温度等环控条件。提高系统散热效果的关键是减小功放芯片到散热流道之间的热阻（包括芯片与载板之间的热阻（芯片级散热）），以及散热通道与载板之间的热交换能力（系统级散热）。为了满足GaN 功率芯片散热要求，采用新型热沉材料-金刚石铜。在冷板的冷却槽道中增加微小型翅片结构。

3 指标与测试结果

根据上述设计，研制S 波段瓦片式数字阵列模块，图4 为瓦片式DAM 和数字阵列体制片式天线阵面的样机的实物照片。对DAM 的电讯指标进行了测试，具体测试结果见表1，主要测试曲线见图5。DAM 在工作频带内100MHz 信号带宽工作时，输出功率≥40W、噪声系数≤2.46dB、瞬时动态范围≥60dB、效率≥40.6%、数据传输速率≥22.4Gb/s、散热能力达到150W/cm2，同时体积和重量较传统DAM 下降30%，可满足多功能雷达系统的需求。

表1：瓦片式DAM 指标测试结果

4 结论

本文成功实现了一个S 波段瓦片式宽带数字阵列模块的研制，通过机电热一体化设计，突破了片式高密度集成设计、微波垂直互连、三维微波数字混合设计、多通道数字收发等关键技术。瓦片式数字阵列模块将传统体制DAM 数字母板中ADC 和DDS 前移，与射频前端、模拟中频进行集成设计，实现分布数字化、集中数字处理，可以对DAM 进行4/8/16 通道灵活配置；采用弹性连接器完成高速、控制、电源信号互联，实现22.4Gbps 高速数据信号传输；采用整体水冷、局部毛细散热方案，充分利用高热流密度散热技术，取得良好的散热效果。与传统DAM 相比，具有宽带综合射频前端，软件灵活定义系统功能的特点，将在雷达、通信、电子战等多个领域得到更加广泛的应用。