一種S波段數(shù)字陣列模塊的研制

王才華,張德智,張衛(wèi)清

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

一種S波段數(shù)字陣列模塊的研制

王才華,張德智,張衛(wèi)清

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

數(shù)字陣列雷達(dá)是近幾年發(fā)展迅速的一種新型相控陣?yán)走_(dá),其中數(shù)字陣列模塊是數(shù)字陣列雷達(dá)的關(guān)鍵核心部件之一。本文詳細(xì)介紹了一種S波段數(shù)字陣列模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該模塊突破了多種關(guān)鍵技術(shù),具有集成度高、性能指標(biāo)優(yōu)良等特點(diǎn),測試結(jié)果完全滿足雷達(dá)系統(tǒng)研制要求。

數(shù)字陣列模塊；S波段；數(shù)字陣列雷達(dá)

0 引 言

數(shù)字陣列雷達(dá)是近年來發(fā)展備受關(guān)注的一種新型相控陣?yán)走_(dá)。與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)相比,它具有很多優(yōu)點(diǎn)：大動(dòng)態(tài)范圍,容易形成多波束 ,低損耗、低副瓣,系統(tǒng)任務(wù)可靠性高等。數(shù)字陣列雷達(dá)對每個(gè)收發(fā)通道的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理,實(shí)現(xiàn)了發(fā)射波形產(chǎn)生與接收信號(hào)的全數(shù)字化處理,即采用DDS(數(shù)字頻率直接合成器)在數(shù)字域形成發(fā)射激勵(lì)波形,采用A/D(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器)將接收的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理,每個(gè)通道發(fā)射及接收波形所需要的幅相數(shù)據(jù)等參數(shù)均單獨(dú)可控,波束形成靈活、準(zhǔn)確。在硬件上實(shí)現(xiàn)這部分功能的就是數(shù)字陣列模塊?？梢哉f,數(shù)字陣列模塊是數(shù)字陣列雷達(dá)的關(guān)鍵核心部件之一[1-2]。

數(shù)字陣列模塊(Digital Array Module,DAM)是一種采用集成化和數(shù)字化技術(shù),將射頻收發(fā)單元、本振功分單元、中頻數(shù)字收發(fā)單元、分布式電源、集中式電源、分布式參考源等功能電路整合并一體化設(shè)計(jì),完成雷達(dá)數(shù)字化收發(fā)、數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)傳輸功能的新型多通道收發(fā)模塊。

1 功能與組成

DAM從技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式來說主要有兩種：中頻采樣方式和射頻直接采樣方式。兩者的區(qū)別在于：采用中頻采樣方式的模塊在射頻收發(fā)單元中含有變頻,而射頻直接采樣方式的模塊在射頻收發(fā)單元中不含有變頻。本文中介紹的S波段DAM采用的是中頻采樣方式,其功能組成框圖見圖1。

圖1 S波段DAM功能組成框圖

DAM內(nèi)部由以下單元組成：

(1) 射頻收發(fā)單元 完成射頻信號(hào)的模擬接收和發(fā)射,主要包括雷達(dá)回波信號(hào)的放大、下變頻、濾波以及雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的上變頻、濾波、功率放大；

(2) 一體化本振功分單元 對本振信號(hào)進(jìn)行多路功分,供給射頻收發(fā)單元,包括一本振和二本振信號(hào)；

(3) 一體化中頻數(shù)字收發(fā)單元 主要對射頻收發(fā)單元的接收輸出中頻信號(hào)進(jìn)行A/D變換、數(shù)字正交解調(diào)；產(chǎn)生數(shù)字波形為射頻收發(fā)單元提供發(fā)射激勵(lì)信號(hào)[3],同時(shí)集成數(shù)據(jù)傳輸單元,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸；

(4) 分布式電源 給射頻收發(fā)單元供電；

(5) 集中式電源 給一體化中頻數(shù)字收發(fā)單元供電。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 射頻收發(fā)單元

射頻收發(fā)單元即常規(guī)模擬收發(fā)通道,完成限幅低噪聲接收、上下兩次變頻以及功率放大輸出等功能,其中兩次變頻系統(tǒng)采用有源混頻方式[4],其功能組成框圖如圖2所示。每個(gè)DAM中,共集成了16個(gè)基本單元通道。每個(gè)單元通道中包括有限幅低噪聲放大器、功率放大器、二次變頻電路、環(huán)行器、濾波器組等模塊組成。

圖2 射頻收發(fā)單元組成框圖

2.2 一體化本振功分單元

DAM設(shè)計(jì)中,需要將一、二本振信號(hào)功分到各個(gè)射頻收發(fā)單元通道使用,此功能通過一體化本振功分模塊[5]完成。設(shè)計(jì)中一本振功率分配器采用微波帶狀線結(jié)構(gòu),二本振功率分配器采用微波集成電路實(shí)現(xiàn),基板采用多層微帶板層壓技術(shù),兩個(gè)功分模塊立體層壓成一體,以減少體積,提高電路密度。一體化本振功分單元仿真模型及結(jié)果見圖3。

2.3 一體化中頻數(shù)字收發(fā)單元

完成16路數(shù)字波形產(chǎn)生和16路數(shù)字接收下變頻功能。采用一體化設(shè)計(jì)思想,集成在一塊數(shù)字電路板中實(shí)現(xiàn)。其中16路數(shù)字接收機(jī)采用了“A/D+FPGA”的方案,即模擬回波信號(hào)經(jīng)過放大后,首先在2片8路集成的A/D中模數(shù)變換,進(jìn)入大容量FPGA中進(jìn)行濾波與抽取,IQ分離；16路數(shù)字波形產(chǎn)生則采用了COTS技術(shù),運(yùn)用4片4路集成直接數(shù)字合成DDS芯片,產(chǎn)生中頻激勵(lì)信號(hào)。一體化中頻數(shù)字收發(fā)單元實(shí)物框圖見圖4。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸單元

DAM中采用光電變換模塊完成大容量數(shù)據(jù)的高速傳輸。光電變換模塊是DAM與雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的唯一接口。在DAM中,首先將各單元通道的數(shù)字正交回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),并通過光纖送入雷達(dá)整機(jī)DBF板中進(jìn)行解調(diào)。同時(shí),采用光分復(fù)用方式,將系統(tǒng)對各個(gè)單元通道的幅相控制字、模式工作字等送入DAM中。工程研制中,將光電變換模塊集成設(shè)計(jì)在一體化中頻數(shù)字收發(fā)單元中。

圖3 一體化本振功分單元場仿真模型及結(jié)果

圖4(a) I/Q正交解調(diào)實(shí)現(xiàn)框圖 圖4(b) 數(shù)字波形產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)框圖

2.5 分布式電源

DAM供電方案設(shè)計(jì)中,送入DAM一組較高電壓的直流電源,作為其他電壓品種的輸入,通過DAM中集成的分布式DC/DC電源模塊,變換到射頻收發(fā)單元通道所需的各種直流電壓。本DAM中,每個(gè)分布式電源模塊為兩個(gè)射頻收發(fā)單元通道提供電源。

2.6 集中式電源

為了提高電磁兼容性設(shè)計(jì),需要將模擬電源和數(shù)字電源分開。其中的數(shù)字電路采用一個(gè)單+5V供電,用一個(gè)集中式DC/DC電源模塊實(shí)現(xiàn)。數(shù)字中頻收發(fā)模塊所需的其他電源品種在數(shù)字電路板上通過線性穩(wěn)壓塊降壓獲取。集中式電源模塊輸入電壓與分布式電源模塊相同。

2.7 散熱方式

散熱方式分為液冷和風(fēng)冷兩種。熱設(shè)計(jì)是DAM設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)系統(tǒng)資源,在DAM設(shè)計(jì)中必須通過散熱仿真分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,確保功率管、FPGA等發(fā)熱器件正常穩(wěn)定工作。其中散熱片尺寸、冷卻的流量、溫度、控制方式,以及正常工作時(shí)散熱性能等關(guān)鍵參數(shù)必須進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真后采納使用。

本DAM是高功率組件,熱流密度較大,還有電源模塊等發(fā)熱器件,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用液冷方式散熱。

通過上述各單元詳細(xì)設(shè)計(jì),集成組裝后的S波段數(shù)字陣列模塊外形尺寸為740×150×42.8(mm3),重量為小于3.5 kg。

3 關(guān)鍵技術(shù)

在DAM研制過程中,主要突破了以下關(guān)鍵技術(shù)：

(1) 高密度系統(tǒng)集成技術(shù)

主要采用了微波單片集成電路(MMIC),運(yùn)用LTCC、HTCC等多層互聯(lián)基板,通過多芯片組裝(MCM)、片上系統(tǒng)(SOC)等技術(shù)手段,形成多功能的超小型電路模塊,電纜組件采用微小型射頻低頻混合設(shè)計(jì)以及組件三維立體安裝技術(shù)。

(2) 有源變頻電路技術(shù)

為了進(jìn)一步提高集成度,減少體積,用有源變頻電路設(shè)計(jì)代替無源變頻電路設(shè)計(jì),自主研制開發(fā)了兩款有源上/下變頻器；其次,通過采用HTCC+KOVAR的基板屏蔽盒一體化設(shè)計(jì)的方式,設(shè)計(jì)并批產(chǎn)小型化氣密封裝,實(shí)現(xiàn)器件化的兩次變頻模塊,最大限度地獲得小尺寸、高密度集成。

(3) 多層微帶板設(shè)計(jì)技術(shù)

多層微帶電路是實(shí)現(xiàn)三維立體安裝的一個(gè)重要途徑。在DAM的研制中,大量采用了多種形式的微波多層微帶基板電路,如低噪聲放大器和兩次變頻電路采用的HTCC陶瓷基板。而變頻組件和一體化功分單元采用的是多層微帶覆介板層壓技術(shù),分布式電源模塊和數(shù)字收發(fā)模塊采用多層玻璃布纖維板。

(4) 一體化數(shù)字收發(fā)模塊設(shè)計(jì)技術(shù)

采用收發(fā)通道一體化小型化設(shè)計(jì)和多通道集成方法。通過三端口的微波收發(fā)開關(guān)將收發(fā)通道的模擬端合二為一,并且共用一根光纖傳輸十六通道波形控制碼和十六通道基帶數(shù)據(jù),從而達(dá)到收發(fā)一體化設(shè)計(jì)；同時(shí)引入多通道集成的ADC、DDS和大容量FPGA器件進(jìn)行16通道集成化設(shè)計(jì)。

(5) 多通道間幅相變化一致性設(shè)計(jì)技術(shù)

數(shù)字陣列雷達(dá)是一種新型相控陣?yán)走_(dá)。因此,DAM單元通道間的幅相變化一致性是關(guān)系系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。DAM內(nèi)部射頻收發(fā)單元采用的是16路相同的電路模塊,數(shù)字收發(fā)單元采用16路發(fā)射波形、數(shù)字接收一體化設(shè)計(jì)。每個(gè)DAM的單元通道間其幅相一致性得到控制保證。同時(shí),在雷達(dá)系統(tǒng)中,采用一套頻率源輸出時(shí)鐘本振,經(jīng)過集中有源放大后再無源功分至陣面每個(gè)DAM,保證了系統(tǒng)陣面上所有DAM輸入的時(shí)鐘本振相參,滿足了系統(tǒng)對多通道間幅相變化一致性的要求。

4 測試結(jié)果

DAM是一種新型的多通道收發(fā)模塊,與傳統(tǒng)的收發(fā)模塊測試相比,具有以下顯著特點(diǎn)：

(1) DAM接收指標(biāo)為數(shù)字域測試,因此接收指標(biāo)需要對DAM接收輸出信號(hào)數(shù)據(jù)采集后送計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算得出。接收相關(guān)指標(biāo)包括通道噪聲系數(shù)、接收信噪比(動(dòng)態(tài)范圍)、接收增益、I/Q鏡像抑制比、無雜散動(dòng)態(tài)范圍等。DAM發(fā)射指標(biāo)為微波域測試,因此采用常規(guī)儀表如功率計(jì)、頻譜儀、矢網(wǎng)對其進(jìn)行測試。發(fā)射相關(guān)指標(biāo)包括通道發(fā)射功率、發(fā)射脈內(nèi)信噪比、發(fā)射移相精度等。

(2) 通道數(shù)多,性能指標(biāo)多,測試工作量大。因此,采用傳統(tǒng)的手動(dòng)測試滿足不了大批量數(shù)字陣列模塊的研制生產(chǎn),必須采用自動(dòng)測試方式才能滿足。同時(shí),結(jié)合DAM接收測試、光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn),還必須對測試方法有所創(chuàng)新研究,同步設(shè)計(jì)測試工裝及接口適配器,研制一套DAM自動(dòng)測試系統(tǒng)專門測試[6]。

DAM主要性能指標(biāo)測試結(jié)果如圖6～圖11。

該型S波段DAM達(dá)到的主要性能指標(biāo)如下：

?單模塊通道數(shù)目：16路；

?通道噪聲系數(shù)：≤2.8dB；

?通道發(fā)射峰值功率：≥30W；

?通道接收信噪比：≥60dB；

?通道I/Q鏡像抑制度：≥65dB；

?通道發(fā)射脈內(nèi)信噪比：≥65dB；

?通道間幅相變化一致性：

幅度：≤0.3dB(RMS)；相位：≤1°(RMS)。

圖6 通道發(fā)射峰值功率

圖7 通道發(fā)射脈內(nèi)信噪比

圖8 通道發(fā)射移相精度

圖9 通道噪聲系數(shù)

圖10 通道I/Q鏡像抑制度

圖11 通道接收信噪比

5 結(jié)束語

該型S波段DAM是一種典型的DAM設(shè)計(jì)案例,對后續(xù)其他DAM的設(shè)計(jì)有較大的借鑒意義。DAM測試結(jié)果完全滿足雷達(dá)系統(tǒng)使用需求,并通過雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)使用驗(yàn)證。目前,該DAM已實(shí)現(xiàn)批產(chǎn), 應(yīng)用前景十分廣泛。

[1] 吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)及其進(jìn)展[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2006(1).12-13.

[2] 吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)展與構(gòu)想[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008(6).401-403.

[3] 張衛(wèi)清,譚健美,陳函. DDS在數(shù)字陣列雷達(dá)中的應(yīng)用[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008(6).467-469.

[4] 劉曉政,李佩,張德智,梁向陽. 集成化DAM變頻電路設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008(6).492-493.

[5] 張運(yùn)傳,李佩,張德智. 多層微帶功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[J].火控雷達(dá)技術(shù),2009(2).64-66.

[6] 李冬芳. 數(shù)字陣列雷達(dá)收發(fā)組件自動(dòng)測試技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].火控雷達(dá)技術(shù),2011(2).66-68.

Development of an S-band digital array module

WANG Cai-hua, ZHANG De-zhi, ZHANG Wei-qing

(NO.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

The digital array radar (DAR) is a new phased array radar that has developed rapidly in recent years, with the digital array module (DAM) as its key part. The design and implementation of an S-band DAM are introduced in detail. A variety of key technologies have been overcome for the DAM which features high integration and good performance indexes. The test results meet the demands of the development of radar system.

digital array module; S-band; digital array radar

2014-08-14

王才華(1982-),男,工程師,研究方向：雷達(dá)微波系統(tǒng)、DAM及DAM自動(dòng)測試；張德智(1970-),男,研究員,研究方向：雷達(dá)微波系統(tǒng)、DAM及T/R組件；張衛(wèi)清(1979-),男,高級(jí)工程師,研究方向：雷達(dá)數(shù)字化收發(fā)系統(tǒng)。

TP958.92

A

1009-0401(2014)04-0054-05