一種SCX頻段超寬帶新型有源陣面的研制

花婷婷 張瑞唐 永福

摘要 基于多層微波數(shù)字復(fù)合基板技術(shù)及三維立體疊層裝配，提出了一個(gè)scx頻段超寬帶新型有源陣面。詳細(xì)描述了該有源陣面原理樣機(jī)的組成架構(gòu)和各關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)，對(duì)樣機(jī)性能進(jìn)行了仿真和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該scx超寬帶新型有源陣面可實(shí)現(xiàn)單元接收輸出P-l大干5dBm，接收增益28dB，噪聲系數(shù)4.OdB，波束掃描30°。

【關(guān)鍵詞】超寬帶 有源陣面 微波數(shù)字復(fù)合板波控

1 引言

隨著數(shù)字相控陣技術(shù)的飛速發(fā)展，構(gòu)建集雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等多功能于一體的綜合射頻系統(tǒng)己成為現(xiàn)代電子戰(zhàn)裝備的發(fā)展要求。根據(jù)不同作戰(zhàn)功能對(duì)天線及射頻前端的要求，將多功能綜合射頻系統(tǒng)分為多個(gè)射頻孔徑實(shí)現(xiàn)，每個(gè)子孔徑配合陣面公用設(shè)備一起，完成射頻信號(hào)收發(fā)、校正、變頻、中頻數(shù)字化和信號(hào)的光電.電光轉(zhuǎn)換傳輸?shù)裙δ堋Ｓ性搓嚸媸亲涌讖降闹匾性床考?，是將天線、集成射頻前端、波控、二次電源乃至變頻、延時(shí)放大等進(jìn)行綜合集成的結(jié)果，其性能指標(biāo)決定了整個(gè)陣面戰(zhàn)術(shù)性能。對(duì)陣面進(jìn)行合理化布局，開展輕量化設(shè)計(jì)及高集成設(shè)計(jì)，是控制系統(tǒng)的體積、重量的一個(gè)重要手段。

本文介紹了一種scx頻段超寬帶新型有源陣面的研制，該有源陣面采用全金屬Vivaldi天線，確保超寬帶;利用三角布陣，減少輻射單元數(shù)目;采用多功能芯片，將幅相控制功能、LNA功能及開關(guān)功能集成在一起，實(shí)現(xiàn)接收前端功能;基于多層微波數(shù)字復(fù)合基板技術(shù)，完成低頻信號(hào)的走線和射頻網(wǎng)絡(luò)功能;通過三維立體疊層裝配，SMP盲配互聯(lián)，提高了有源陣面的系統(tǒng)集成度，優(yōu)化了陣面體積和重量。

2 設(shè)計(jì)方案

研制的SCX頻段超寬帶有源陣面采用輕量化高集成的設(shè)計(jì)方案，針對(duì)接收陣面熱量小的特點(diǎn)，利用微波數(shù)字多層復(fù)合基板設(shè)計(jì)多功能板，極大的提升了集成度，降低了重量。有源陣面的實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示，主要由天線單元與多功能板組成，兩者通過SMP射頻垂直互聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)接。其中射頻接收前端功能主要由幅相多功能模塊和射頻合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，位于多功能板正面，波控位于多功能板背面，通過多層PCB布線實(shí)現(xiàn)對(duì)幅相多功能模塊的饋電與控制。

3 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

3.1 天線單元和陣面

有源陣面天線需要在限定的重量、體積下實(shí)現(xiàn)5個(gè)倍頻程的寬帶設(shè)計(jì)，在滿足增益效率要求下優(yōu)化掃描狀態(tài)下的駐波，采用全金屬Vivaldi天線設(shè)計(jì)，并采用天線單元整體加工的方式保證天線之間的電連接，避免其它不可控因素造成的影響。Vivaldi天線的輻射是端射式的，建立的電場(chǎng)矢量平行于開口平面，仿真模型如下圖所示，采用三角布陣，有利于減少輻射單元的數(shù)目。由圖2仿真結(jié)果可見，除了個(gè)別天線單元在某些少數(shù)頻點(diǎn)駐波比較大外，天線小陣可以在5：1的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)方位俯仰土30°二維掃描。

3.2 射頻接收網(wǎng)絡(luò)

射頻接收網(wǎng)絡(luò)采用幅相多功能模塊+功分器+微帶線的設(shè)計(jì)方式，三者共面布局，以減少多功能板的設(shè)計(jì)層數(shù)，使得多層介質(zhì)板的壓合難度下降，多功能板設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠。幅相多功能模塊將數(shù)控時(shí)延器、衰減器、放大器、驅(qū)動(dòng)控制電路等多種功能集成在一個(gè)芯片上，原理圖如圖3所示，大大減少了模塊內(nèi)裸芯片的數(shù)量和總體面積，簡化布局布線。傳統(tǒng)的超寬帶微帶合成器設(shè)計(jì)需要多節(jié)匹配實(shí)現(xiàn)，多節(jié)匹配的射頻網(wǎng)絡(luò)體積過大，難以和多功能模塊共面布局，為此采用基于GaAs介質(zhì)的一分三和一分二功分器，以縮小寬帶合成的體積。由于采用三角布陣，功分網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱，為了在有限面積內(nèi)確保每條射頻路徑的幅相一致性并綜合考慮寬帶功分器的影響，設(shè)計(jì)時(shí)利用HFSS對(duì)微帶走線進(jìn)行建模，提取微帶線的S參數(shù)，再利用ADS搭建包含功分器和微帶走線的功分網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)果如圖4，通過計(jì)算調(diào)平各路徑的差異，確保系統(tǒng)一致性指標(biāo)。

3.3 波控電路

波控電路包括多個(gè)LDO模塊及相應(yīng)的電源濾波電路，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)提供的+6V電源進(jìn)行DC/DC變換后，給波控FPGA及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路使用，同時(shí)轉(zhuǎn)給幅相多功能模塊;另外接收上級(jí)發(fā)送來的指令，通過FPGA解析成多功能模塊所需的移相碼及衰減碼，判斷正確后分發(fā)給多功能模塊，并完成其控制，原理框圖如圖5所示。由于采用多層微波數(shù)字復(fù)合基板技術(shù)將射頻功能、電源與控制功能集成在一張多功能板上實(shí)現(xiàn)，電源與控制信號(hào)的傳遞則通過金屬化孔實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)層疊管理進(jìn)行優(yōu)化，電源層與信號(hào)層分開，并在之間增加接地層以屏蔽電路間的電磁干擾。

4 測(cè)試結(jié)果

基于三維立體疊層裝配，無線纜垂直互聯(lián)后有源陣面本體尺寸為167mmx154mmx126mm，原理樣機(jī)如圖6所示。在微波暗室中，校正后進(jìn)行有源陣面接收方向圖和掃描范圍的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，有源陣面在scx頻帶內(nèi)，單元接收輸出P-l大于5dBm，接收增益28dB，噪聲系數(shù)4.OdB。波束方向圖如圖7較為正常未出現(xiàn)明顯畸變。

5 結(jié)語

本文介紹了一種超寬帶新型有源陣面的設(shè)計(jì)，為一種sCx波段有源陣面。該有源陣面包括全金屬Vivaldi天線單元、射頻接收前端網(wǎng)絡(luò)、波控電路以及外圍結(jié)構(gòu)件等。文中詳細(xì)介紹了各組成部分的原理和實(shí)現(xiàn)方式，利用多層微波數(shù)字復(fù)合基板技術(shù)、三維立體疊層裝配，完成的有源陣面原理樣機(jī)具有接口簡單，輕量化、高集成等優(yōu)點(diǎn)，保證了某項(xiàng)目可擴(kuò)充陣列模塊片式集成的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]馬可，王仁濤，李慧敏，綜合射頻系統(tǒng)在新型裝甲平臺(tái)中的應(yīng)用[J].火力與指揮控制2017，42 （06）：124 -127.

[2]畢勝，郭琳，張德智.面向多功能射頻的綜合射頻前端技術(shù)研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2016，14 （06）： 625-629.

[3]王小陸，鄭林華，張軼江，劉建勇.X波段64單元低剖面片式集成陣列天線研制[C].2017年全國微波毫米波會(huì)議.2017： 809-812.

[4]戴文，王芳，王雪菲.一種SAM多功能微波數(shù)字復(fù)合基板的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子工藝技術(shù)，2017，38 （03）：144-147.