X波段寬帶多功能組件研制

王光池，陳興國(guó)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230088

X波段寬帶多功能組件研制

王光池，陳興國(guó)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230088

介紹了一種適用于X波段寬帶的數(shù)字陣列模塊（DAM）的多功能組件的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程。該組件不僅具有在X波段全帶寬內(nèi)工作的寬帶特性，并且內(nèi)部包含了收發(fā)電路和開(kāi)關(guān)濾波器組，使得其可以滿足X波段寬帶DAM對(duì)高頻收發(fā)前端的要求。文中介紹了組件的原理方案，詳細(xì)分析了組件的設(shè)計(jì)方法和制作過(guò)程，并最終給出了試驗(yàn)件的測(cè)試結(jié)果。

X波段；寬頻帶；T/R組件；開(kāi)關(guān)濾波器組

收發(fā)全數(shù)字陣列雷達(dá)是一種新型相控陣?yán)走_(dá)。其主要特點(diǎn)是雷達(dá)的接收和發(fā)射波束通過(guò)數(shù)字的方式來(lái)形成。由于其新穎的工作方式使得其具有雷達(dá)系統(tǒng)具有數(shù)字化、模塊化、可擴(kuò)充等優(yōu)良特性，其同常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)相比，具有更大的波束靈活性和更好的抗干擾性等優(yōu)良特性。因此數(shù)字陣列雷達(dá)有著非常好的應(yīng)用前景，在近幾年來(lái)收到人們的廣泛關(guān)注[1]。

數(shù)字陣列模塊（Digital Array Module以下簡(jiǎn)稱DAM）是新型數(shù)字陣列雷達(dá)中的基本單元，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)是數(shù)字陣列雷達(dá)的核心技術(shù)之一[2]。它的技術(shù)指標(biāo)決定了數(shù)字陣列雷達(dá)的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的高低，同時(shí)也決定了數(shù)字陣列雷達(dá)的生存價(jià)值和使用價(jià)值。

T/R組件作為數(shù)字陣列模塊的一項(xiàng)重要組成部分，不僅其性能指標(biāo)對(duì)整個(gè)模塊的關(guān)鍵的性能指標(biāo)其著決定性作用，而且組件的體積、成本、可靠性對(duì)模塊的工程實(shí)用性也起到極其重要的作用。本文介紹了一種基于數(shù)字陣列模塊架構(gòu)下的多功能組件的設(shè)計(jì)和制作。其不僅具有T/R組件的收發(fā)放大功能，同時(shí)內(nèi)部還包含了一個(gè)開(kāi)關(guān)濾波器組，從而實(shí)現(xiàn)在整個(gè)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻帶選擇的功能。組件設(shè)計(jì)時(shí)不僅考慮了系統(tǒng)指標(biāo)要求的高功率，低噪聲及高帶外抑制等特點(diǎn)，同時(shí)還對(duì)組件進(jìn)行了輕小型化和低成本設(shè)計(jì)，以提高其所在系統(tǒng)的工程實(shí)用性。

1 組件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理框圖

不同的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中的T/R組件的實(shí)際組成往往都是受到系統(tǒng)要求的差異，導(dǎo)致組件接口形式和具體電路的復(fù)雜程度都不盡相同，但通常內(nèi)部主要都是要由發(fā)射通道、接收通道、共用通道及電源調(diào)制電路和驅(qū)動(dòng)控制電路等組成。本組件根據(jù)系統(tǒng)的需求和現(xiàn)有器件的指標(biāo)，采用了如下圖1所示的組成方式。

圖1 組件基本組成框圖

由上圖可以看出：將該設(shè)計(jì)將開(kāi)關(guān)濾波器組和TR組件設(shè)計(jì)在一個(gè)盒體中，濾波器之間通過(guò)單片開(kāi)關(guān)切換，開(kāi)關(guān)濾波器組的電源及控制信號(hào)與T/R組件的電源及控制合并在一起，簡(jiǎn)化了布局、布線，減小了結(jié)構(gòu)尺寸。

1.2 器件選擇

考慮組件的輕小型化設(shè)計(jì)要求。組件內(nèi)部的微波器件（除環(huán)行器）都是采用未封裝的裸芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。

T/R組件控制器件部分主要為開(kāi)關(guān)，都為GaAs MMIC。我們?cè)O(shè)計(jì)采用的開(kāi)關(guān)具有收發(fā)及負(fù)載三態(tài)。

組件接收支路采用的限幅器為寬帶兩級(jí)GaAs PIN管限幅器，為了滿足接收放大的增益要求，我們采用兩級(jí)GaAs高增益，低噪聲放大器MMIC。

組件發(fā)射支路的寬帶功率放大器則采用采用雙電源饋電的GaAs pHemt工藝的晶體管，其輸出功率大于39dBm（8W）。

T/R組件的電源調(diào)制電路和驅(qū)動(dòng)控制電路全部采用Si基裸芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。

組件內(nèi)部開(kāi)關(guān)濾波器組中的兩個(gè)頻段的濾波器采用了單片Si襯底MEMS 濾波器，這種濾波器采用4″圓片標(biāo)準(zhǔn)工藝和層疊濾波器技術(shù)，使芯片尺寸只有傳統(tǒng)濾波器（陶瓷基底）的1/6。

1.3 組件電訊設(shè)計(jì)

1.3.1 射頻通道設(shè)計(jì)

組件發(fā)射支路包末級(jí)功率放大器、驅(qū)動(dòng)放大器。由于發(fā)射末級(jí)功放芯片直接決定組件的功率輸出，因此通常要求末級(jí)功放芯片在飽和區(qū)工作，以達(dá)到更好的發(fā)射效率和輸出帶內(nèi)平坦度。驅(qū)動(dòng)功放不僅具有足夠的放大增益以滿足發(fā)射鏈路的增益要求，同時(shí)其輸出P-1需要結(jié)合末級(jí)功放輸入進(jìn)行考慮。

T/R組件接收支路包括3dB電橋、限幅器、低噪聲放大器和開(kāi)關(guān)濾波器。組件的接收支路主要的指標(biāo)包括噪聲系數(shù)NF、接收增益G和接收1dB增益壓縮點(diǎn)輸出功率Po-1。組件的噪聲系數(shù)按照計(jì)算公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

在組件工作帶寬BW確定的情況下就可以得出組件的接收靈敏度Smin為：

得出上述指標(biāo)的結(jié)果后，可進(jìn)一步計(jì)算出組件的1dB增益壓縮點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍DR-1：

通過(guò)上述計(jì)算公式，結(jié)合選取的器件的指標(biāo)，我們就可以算出以上指標(biāo)是否滿足系統(tǒng)的需求。

1.3.2 驅(qū)動(dòng)及調(diào)制電路設(shè)計(jì)

為了快速實(shí)現(xiàn)T/R組件的收發(fā)轉(zhuǎn)換，以及開(kāi)關(guān)濾波器組的通帶的選擇切換。為此，我們采用了適合該組件微波控制器件的邏輯控制芯片。

考慮此功率放大器的加電順序?yàn)橄燃訓(xùn)偶?jí)負(fù)壓，后加漏極正壓，在漏極電源調(diào)制時(shí)序中增加負(fù)壓保護(hù)電路[3]。另外由于雷達(dá)是收發(fā)同頻工作，考慮組件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，要保證收發(fā)電源時(shí)序完全分時(shí)，實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離工作，提高T/R組件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)[4]。

1.3.3 基板設(shè)計(jì)

通常為了實(shí)現(xiàn)T/R組件的小型化、高密度組裝，減小T/R組件的體積重量，組件內(nèi)部一般采用低溫共燒陶瓷（LTCC）為基板，將微波與低頻控制、電源混合布線，大大縮小組件電路布局尺寸[4]。但考慮到LTCC 成本制作成本較高，同時(shí)不易返修和維護(hù)，本組件中控制及電源布線相對(duì)較少，因此本組件采用常規(guī)微帶板進(jìn)行走線設(shè)計(jì)?；逶O(shè)計(jì)主要包括以下方面。

1）基板選用高頻性能較好的Rogers RT5880。

2）基板熱設(shè)計(jì)：小功率器件采用導(dǎo)電膠粘接與基板接地焊盤(pán)上，大功率器件所在處基板開(kāi)腔，將其直接焊接于熱沉之上，以散熱。

3）電源與微帶或電源交叉處采用金絲或跳線的方式進(jìn)行跨接。

1.3.4 電磁兼容分析

電磁兼容設(shè)計(jì)是組件工程實(shí)現(xiàn)，調(diào)機(jī)聯(lián)試中的難點(diǎn)。主要是由于組件內(nèi)部空間緊湊狹小、走線復(fù)雜。除了存在微波、模擬、數(shù)字信號(hào)外，還有直流和脈沖等信號(hào)，信號(hào)間易產(chǎn)生相互干擾。

首先，T/R組件的腔體設(shè)計(jì)是組件穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，對(duì)于T/R組件來(lái)說(shuō)，電路的工作頻率低于腔體的波導(dǎo)截止頻率時(shí)，將會(huì)減小輻射信號(hào)對(duì)微波元件的影響(如反饋、增益起伏或隔離度減小等)[5]。利用場(chǎng)分析仿真軟件HFSS對(duì)組件腔體進(jìn)行本征模式仿真，可以計(jì)算出組件腔體的波導(dǎo)截止頻率。腔體諧振問(wèn)題可以通過(guò)內(nèi)部加隔墻提高截至頻率使之遠(yuǎn)離工作頻帶內(nèi)，或者內(nèi)部加吸波材料消除腔體諧振的方式加以解決。

其次，電源的完整性設(shè)計(jì)對(duì)T/R組件的正常、穩(wěn)定工作至關(guān)重要。通過(guò)改變組件內(nèi)部基板的接地方式，通過(guò)對(duì)各種電源之間進(jìn)行地的隔離、或在多層布線結(jié)構(gòu)要求和地平面阻抗之間找到平衡點(diǎn)等來(lái)改善電源之間的干擾等。

最后，組件采用金屬外殼進(jìn)行焊接密封，這樣就使得組件在殼體的屏蔽下避免了與外界產(chǎn)生電磁干擾，從而提高了組件的電磁屏蔽性能。

1.4 工藝與實(shí)現(xiàn)

封裝工藝：為了保證組件的長(zhǎng)期可靠工作，對(duì)組件的殼體材料、連接器及封裝工藝均有氣密性性要求：首先盒體材料選擇適應(yīng)平行縫焊工藝的Kovar材料；射頻連接器采用氣密型焊接的方式安裝于殼體之上；低頻插針連接器采用一體燒結(jié)的方式固定于組件的殼體；組件的封蓋工藝采用平行縫焊工藝也可以保證組件達(dá)到優(yōu)良?xì)饷苄阅堋?/p>

組裝工藝：組件內(nèi)部微組裝工藝主要包括焊接和膠接兩種工藝形式。組件內(nèi)部的微帶板和環(huán)行器通常都是采用焊接的方式安裝于殼體上，功放芯片通常是先鉬銅襯底共晶后焊接與無(wú)氧銅熱沉之上。其他小信號(hào)及控制類器件通常都采用導(dǎo)電膠粘接的固定方式。組件內(nèi)部器件的控制及電源則通常采用金絲球焊的方式，而射頻連接通常采用金絲壓焊的方式。

圖2 組件照片

2 測(cè)試結(jié)果

該組件的外形如圖2所示。組件的技術(shù)指標(biāo)可以人工測(cè)試獲取。但通?？紤]到組件測(cè)試內(nèi)容較多一般將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、噪聲測(cè)試儀、信號(hào)源和峰值功率計(jì)等測(cè)試儀表通過(guò)GPIB總線或網(wǎng)線等連接到計(jì)算機(jī)上，構(gòu)建成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)軟件自動(dòng)設(shè)置測(cè)試參數(shù)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集儀表數(shù)據(jù)，減少人工測(cè)試量，提高測(cè)試效率[7]。組件的主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如下。

工作頻率：X波段；

輸出功率：≥6W；

接收增益：≥30dB；

噪聲系數(shù)：≤4.0dB；

工作帶寬：≥40%（相對(duì)帶寬）；

帶外抑制：≥30dB(帶外500MHz)；

組件重量：≤40克；

組件尺寸：52mm×25mm×7.5mm。

3 結(jié)論

通過(guò)結(jié)果可以看出，采用文中介紹的設(shè)計(jì)思路和制作方法研制出的X波段多功能組件，在寬頻帶下具有低噪聲、高增益、高功率和高帶外抑制的特點(diǎn)，并且組件體積小、重量輕。因此在機(jī)載、球載和星載等不同的平臺(tái)下的DAM系統(tǒng)中都有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]Cantrell B. Development of a Digital Array Radar(DAR)[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，2020，17（3）：22-27.

[2]吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)及其進(jìn)展[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2006，1（1）：11-16.

[3]王周海，等.X波段雙通道T/R組件的LTCC基板電路設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2005，3（5）：301-305.

[4]盛永鑫.T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006，25（11）：37-40.

TN6

A

1674-6708（2015）148-0140-02