一種L波段固態(tài)收發(fā)組件的設(shè)計(jì)

沈項(xiàng)東,樊錫元

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

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工程與應(yīng)用

一種L波段固態(tài)收發(fā)組件的設(shè)計(jì)

沈項(xiàng)東,樊錫元

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥230088)

固態(tài)收發(fā)組件是相控陣?yán)走_(dá)的核心部件之一。通過對(duì)射頻鏈路的分析計(jì)算、微波模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)、散熱方式的選擇，以及對(duì)耦合電路的仿真，設(shè)計(jì)了一種L波段固態(tài)收發(fā)組件，重點(diǎn)解決了機(jī)載平臺(tái)對(duì)固態(tài)收發(fā)組件體積、重量的限制。實(shí)際獲得的結(jié)果表明該組件完全滿足系統(tǒng)要求。本文對(duì)電訊、結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)都做了詳細(xì)的闡述。

收發(fā)組件；電訊設(shè)計(jì)；熱設(shè)計(jì)

0　引　言

固態(tài)收發(fā)組件需要完成發(fā)射(T)和接收(R)兩個(gè)主要功能，因此固態(tài)收發(fā)組件中主要包含發(fā)射通道、接收通道以及驅(qū)動(dòng)控制3個(gè)部分。有些固態(tài)收發(fā)組件中還包括電源控制部分以及射頻輸入輸出、低頻連接器等組件接口部分。

發(fā)射通道主要完成射頻激勵(lì)信號(hào)的放大，并輸出至饋線網(wǎng)絡(luò)；接收通道將天線接收的回波信號(hào)放大，并保證較低的噪聲系數(shù)，同時(shí)又要滿足接收機(jī)的幅度要求；組件的收發(fā)開關(guān)切換及相位、衰減的控制由驅(qū)動(dòng)控制部分完成[1]。

固態(tài)收發(fā)組件的基本部件有固態(tài)功率放大器、驅(qū)動(dòng)放大器、限幅器、低噪聲放大器等[2]。為了獲得良好的性能和從穩(wěn)定可靠方面著想，有時(shí)又在基本電路中增加了環(huán)形器、電調(diào)衰減器、幅相均衡器、收發(fā)開關(guān)、監(jiān)測(cè)保護(hù)電路及移相器驅(qū)動(dòng)器，邏輯控制電路等等。整個(gè)電路組成由系統(tǒng)性能要求決定。

本固態(tài)收發(fā)組件由于載機(jī)平臺(tái)的限制，體積和重量被嚴(yán)格限制。如何在有限空間完成系統(tǒng)設(shè)定的功能是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。

1　設(shè)計(jì)方法

1.1技術(shù)指標(biāo)

L波段固態(tài)收發(fā)組件主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1　L波段固態(tài)收發(fā)組件主要技術(shù)指標(biāo)

1.2電訊設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)框圖

L波段固態(tài)收發(fā)組件需要完成的功能包括發(fā)射功率放大、接收功率放大、接收支路幅度控制、發(fā)射功率耦合檢波等。和常規(guī)固態(tài)功放組件的重大區(qū)別在于，本組件要求接收支路噪聲系數(shù)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)要求，該組件的基本組成框如圖1。

圖1　基本組成框圖

(2)發(fā)射支路設(shè)計(jì)

由發(fā)射激勵(lì)送來的10 dBm微波功率，首先經(jīng)過一個(gè)高增益驅(qū)動(dòng)功放的放大，獲得45.4 dBm左右的微波功率。經(jīng)過隔離器后，送到末級(jí)放大器進(jìn)行放大，獲得約51.1 dBm的微波功率。經(jīng)過隔離環(huán)行組件和定標(biāo)耦合器之后輸出，固態(tài)功放組件的最終輸出功率不小于系統(tǒng)要求的50 dBm。發(fā)射支路的增益分布圖見圖2。

圖2　發(fā)射支路增益分布圖

(3)接收支路設(shè)計(jì)

由天線接收的微波信號(hào)經(jīng)過定標(biāo)耦合器、環(huán)行器之后，首先送入限幅器。該限幅器可以避免由于天線開路、發(fā)射功率全反射而造成的對(duì)接收系統(tǒng)的傷害。當(dāng)然，未達(dá)到限幅器啟動(dòng)的功率，微波信號(hào)可以接近無損地通過(僅傳輸損耗)。

微波信號(hào)緊接著送入數(shù)控衰減器。通過對(duì)數(shù)控衰減器改變其衰減度，事實(shí)上改變了接收支路的噪聲系數(shù)。如前所述，這是本收發(fā)組件的重要特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，選擇了WSB000025-5數(shù)控衰減器。該器件采用金屬陶瓷表面貼片封裝，體積小、精度高?？刂齐妷簽? V/+5 V，減少了多余的電壓品種，特別適合本項(xiàng)目運(yùn)用。

低噪聲放大器輸出的信號(hào)送入后端的數(shù)字接收機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理。

噪聲系數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍是固態(tài)功率組件接收支路的主要指標(biāo)。在系統(tǒng)帶寬確定的情況下，噪聲系數(shù)決定了系統(tǒng)的臨界靈敏度。

由于固態(tài)收發(fā)組件在高低溫工作時(shí)，其帶內(nèi)會(huì)出現(xiàn)增益起伏。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，L波段接收支路增益隨溫度變化大約0.4 dB/10 ℃，設(shè)計(jì)時(shí)留有余量并作一定的補(bǔ)償。接收通道主要都是一些小功率及控制類器件，接收通道的詳細(xì)增益分配及動(dòng)態(tài)要求如圖3所示。圖中標(biāo)示了各級(jí)電路的插損或增益，從而據(jù)此計(jì)算接收支路的各項(xiàng)指標(biāo)。

圖3　接收支路增益分布圖

接收支路是一種級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，其噪聲系數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法為[3]：

(1)

式(1)中，L1=10(l1+l2+l3+l4)/10 ，l1～l4為L(zhǎng)NA之前各級(jí)的插入損耗；G1為L(zhǎng)NA的增益。

據(jù)此，接收支路的噪聲系數(shù)和增益計(jì)算結(jié)果為：

F=2.62258

NF=10logF=4.18 dB，滿足系統(tǒng)要求。

在接收機(jī)帶寬Δf取200 MHz情況下，接收通道的靈敏度為：

Smin=-114+10lgΔf+NF=-86.8dBm

同樣根據(jù)動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算公式可得到：

DR=68.8dB

不同接收機(jī)帶寬要求的系統(tǒng)中，往往取較寬的一個(gè)進(jìn)行靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算，這樣在窄帶運(yùn)用時(shí)，系統(tǒng)可以獲得相應(yīng)的得益。接收通道噪聲系數(shù)主要取決于前端無源器件的損耗以及低噪放的增益[4]。為降低噪聲系數(shù)，本固態(tài)組件適當(dāng)提高低噪放的增益至30 dB，將后級(jí)噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)降為0.18 dB。接收支路的增益G=26 dB。

(4)定標(biāo)耦合器設(shè)計(jì)

微帶線定向耦合器由于容易實(shí)現(xiàn)和集成等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各種微波電路中。但是由于實(shí)際的微帶線介質(zhì)是非均勻的,部分是微帶基片,部分是空氣,從而導(dǎo)致其奇偶模相速不相等,引起微帶線定向耦合器的定向性和耦合精度的劣化。

發(fā)射支路的輸出功率需要進(jìn)行定標(biāo)，其精度和耦合器的耦合度嚴(yán)格相關(guān)。由于頻段較低，若采用常規(guī)的耦合器，為獲得一定帶寬內(nèi)較為平坦的耦合度所需要的版面積會(huì)相對(duì)較大。

為此，在常規(guī)定向耦合器的耦合臂上增加叉指，同時(shí)調(diào)節(jié)其位置和長(zhǎng)度，再用HFSS軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，獲得較好結(jié)果。

定標(biāo)耦合器仿真模型如圖4。

圖4　定向耦合器仿真模型

該模型采用Rogers公司RT 6002板材，板厚0.762 mm。經(jīng)過仿真優(yōu)化后，獲得結(jié)果見圖5。

圖5　定向耦合器仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，整個(gè)工作頻帶內(nèi)耦合度的起伏在1 dB之內(nèi)，較好地滿足了系統(tǒng)定標(biāo)需要。

1.3熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)的核心目的是降低發(fā)熱元器件至散熱通路之間的各級(jí)熱阻。本組件采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，為此將各主要發(fā)熱元器件分別與散熱器緊密接觸，底部涂敷導(dǎo)熱硅脂以進(jìn)一步降低熱阻。其中功耗最大的功率管焊接在熱沉上，熱沉反面加裝散熱翅片，以增大有效散熱面積。利用ANSYS icepak軟件，熱仿真模型見圖6，圖中綠色部分為發(fā)熱器件。

圖6　熱仿真模型

L波段固態(tài)收發(fā)組件熱仿真溫度分布如圖8所示。

圖7　熱仿真溫度分布

如圖7所示，環(huán)形隔離組件最高溫度為61.39℃；末級(jí)功率管最高溫度為73.54℃。驅(qū)動(dòng)級(jí)最高溫度為69.39℃。

上述器件溫度均滿足最高溫度不超過75℃的設(shè)計(jì)要求。

1.4收發(fā)隔離設(shè)計(jì)

收發(fā)隔離度是一個(gè)很重要的參數(shù)。為保證組件發(fā)射支路和接收支路之間的隔離，采用了收發(fā)分時(shí)工作的方式，保證了收發(fā)之間的完全隔離[5]。

圖8給出固態(tài)功率組件要求的電源時(shí)序關(guān)系。

發(fā)射支路工作期間，接收支路切斷電源供電。這樣保證了接收支路屏蔽了來自發(fā)射支路的干擾。更加有利的是，通過這種安排，收發(fā)之間潛在的增益環(huán)路被切斷，避免了收發(fā)組件的自激振蕩[6]。

2　設(shè)計(jì)結(jié)果

通過三維繪圖軟件Pro/E，代入各元器件、盒體尺寸，繪制本收發(fā)組件的三維視圖，見圖11。通過三維視圖，可以進(jìn)一步直觀地給出組件內(nèi)部各器件排列情況，避免了各元器件之間的相互干涉，及早發(fā)現(xiàn)安裝和結(jié)構(gòu)方面的問題以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用該軟件，還對(duì)組件盒體進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，充分保證整個(gè)組件的體積重量滿足系統(tǒng)的要求。

圖9　收發(fā)組件三維視圖

L波段固態(tài)功放組件實(shí)物如圖10。該組件已經(jīng)通過了振動(dòng)、高低溫、低氣壓等一系列試驗(yàn)，目前正參與整機(jī)試驗(yàn)，性能優(yōu)異。

圖10　收發(fā)組件實(shí)物圖

3　結(jié)　語

為了滿足機(jī)載平臺(tái)對(duì)固態(tài)收發(fā)組件體積、重量的限制要求，綜合運(yùn)用了多種設(shè)計(jì)和仿真軟件，通過對(duì)射頻鏈路和微波模塊進(jìn)行分析計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對(duì)散熱方式和耦合電路進(jìn)行選擇和仿真，設(shè)計(jì)了一種L波段固態(tài)收發(fā)組件。目前，該組件已經(jīng)通過各項(xiàng)試驗(yàn)，運(yùn)用在機(jī)載平臺(tái)上，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明該組件工作穩(wěn)定可靠，完全滿足系統(tǒng)要求。

[1]Inder Bahl, Prakash Bhartia. 微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)[M]. 2版. 鄭新,譯. 北京:電子工業(yè)出版社, 2006:176-274.

[2]Guillermo Gonzalez. Microwave Transistor Amplifiers: Analysis and Design. Upper Saddle River, N.J.:Prentice Hall, 1997.

[3]弋穩(wěn). 雷達(dá)接收機(jī)技術(shù)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2005.

[4]胡明春,周志鵬,嚴(yán)偉. 相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件技術(shù)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2010.

[5]蒲蔚妮,姜曉兵：L 波段收發(fā)組件接收通道的設(shè)計(jì)分析 電子技術(shù)與軟件工程[J]，2014，3：53-55

[6]S Gao High-Efficiency Class F RF /Microwave Power Amplifiers[J]．IEEE Microwave Magazine，2006，7( 1) : 40-48．

沈項(xiàng)東(1971—)，男 ，安徽人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄅc射頻電路研究；E-mail：2856626457@qq.com

樊錫元(1972—)， 男，安徽人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄅc毫米波技術(shù)研究。

Design of a L-Band Solid-State T/R Module

SHEN Xiang-dong, FAN Xi-yuan

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

Solid-state T/R module is one of the key components of phased array radar. In the paper, by using radio frequency chain analysis and calculation, microwave module optimization, heat diffusion and coupler circuit simulation, a L-band solid-state T/R module is designed，which solves the restrictions of the airborne platform to solid-state T/R module in volume and weight. The result demonstrates that the designed module can satisfy the requirement of the system. The methods of electrical design, structure design and heat design are introduced in detail.

T/R module; electrical design; heat design

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.04.012

2016-02-05

2016-06-09

TN 73

A

1673-5692(2016)04-397-04