一种紧凑型毫米波收发组件的设计

张国强 李 锐 华根瑞 谢 敏

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

毫米波雷达具有工作频带宽、跟踪精度高、可穿透性强、全天候工作的特点,近年来受到人们越来越多的重视[1]。作为雷达的核心部件,收发组件也逐步向高功率、小体积、轻重量发展,所以有必要对收发组件进行重点研究。

随着以GaN为代表的第三代半导体器件的发展,毫米波收发组件的性能也得到了极大的提升。文献[3]提出了一种自混频模式的收发组件,发射功率达到了30dBm,收发隔离度优于90dB;文献[4]介绍了一种Ka波段的变频收发模块,四倍频后上行输出1dB压缩点大于18dBm,增益达到了45dB,下行带内平坦度为4dB;文献[5]设计了一种基于多层混压形式的瓦片式T组件,利用毛纽扣实现了组件的三维垂直互联,单通道发射功率达到了21dBm,增益大于20dB。

本文采用多芯片组件(MCM)技术,实现毫米波信号三路接收,一路发射的功能,设计中对小型化波导功率合成、微带-波导过渡、微带-同轴过渡进行重点研究。组件的发射功率达到40W,接收增益达到23dB,噪声系数小于7dB。

1 组件的原理

毫米波收发组件包括一路发射通道,三路接收通道,其中,发射通道通过环行器与接收通道共用一个端口收发。图1是组件的基本原理框图。

图1 收发组件原理框图

由外部送过来的C波段本振基准信号4倍频后,功分四路放大,分别作为发射支路、接收支路的本振信号,发射激励信号与本振信号混频后得到发射信号,经过功率放大合成后,形成组件的发射信号输出;接收支路1、2、3信号,经过限幅器、耦合开关、低噪放、滤波器与本振信号混频放大后,作为组件的中频信号输出。其中,限幅器的作用是在接收大信号的情况下对接收通道的有源低噪放进行保护。

2 组件的设计分析

组件的核心部分为四路波导合成结构,该结构基于“H”面“T”型节的等幅同相功率合成的基本原理[6]。组件的布局采用正面射频微波电路,背面电源调制电路,中间通过绝缘子的方式实现微波有源电路的馈电要求,同时,绝缘子的引入也实现了上下层间的密封性。下面对其中的关键电路进行仿真设计:包括四路波导合成结构、微带-同轴过渡结构、微带-波导过渡结构。

2.1 Ka波段功率合成设计

该合成部分位于收发组件的末级,主要实现信号的功率合成。设计中采用“H”面“T”型节形式的四路波导合成结构,合理设计波导的“锲”型切口尺寸,使微波电路前后良好匹配。图2、图3是波导功率合成结构及仿真曲线。

图2 波导功率合成建模图

图3 波导功率合成仿真曲线

2.2 微带-波导转换设计

该转换结构位于内部信号的输入端,主要实现信号的多层传输。基本原理是在矩形波导的宽边中心位置,插入微带探针,与矩形波导的主模TE10模实现最强耦合[7],这样就保证了能量最大效率耦合到波导腔内。图4、图5是微带-波导过渡结构及仿真曲线。

图4 微带-波导过渡仿真建模图

图5 微带-波导过渡仿真曲线图

2.3 中频微带-同轴过渡设计

在组件的信号布局走向中,不可避免会存在信号交叉的问题,这时就需要设计专门的过渡结构,实现信号的垂直互联。微带-同轴过渡通常应用于低频信号传输,该过渡结构位于组件的输出端,主要实现中频信号的垂直传输要求,微带线采用Roggse 5880,介电常数为2.2,厚度为0.254mm。图6、图7是微带-同轴过渡结构及仿真曲线。

图6 中频微带-同轴过渡仿真建模图

图7 微带-同轴过渡仿真曲线图

3 实物及数据分析

图8是收发组件实物图,在Ka频段,对组件的电气指标进行测试,图9、图10、图11是组件的主要电气指标测试曲线。

图8 组件实物图

图9 组件发射功率测试曲线

图10 组件噪声系数测试曲线

由图11测试曲线可知,在工作频带内,组件发射通道输出功率达到了40W,三路接收通道噪声系数小于7dB,接收增益大于23dB。

4 结束语

本文介绍了一种毫米波收发组件的基本原理,研制出一款高功率、紧凑型的毫米波收发组件,并在Ka波段对组件进行了测试,实测数据与设计方案基本吻合,从而验证了该设计方案在毫米波收发组件设计中具有很好的参考意义。