一種輕量化高效率P頻段數(shù)字陣列模塊設計*

彭恩超，張 瑞

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

數(shù)字陣列雷達對每個收發(fā)通道的信號進行數(shù)字化處理，實現(xiàn)了發(fā)射波形產生與接收信號的全數(shù)字化處理。與傳統(tǒng)相控陣雷達相比，數(shù)字陣列雷達具有大動態(tài)范圍、容易形成多波束、低損耗、低副瓣、系統(tǒng)任務可靠性高等優(yōu)點，成為雷達探測技術研究的熱點[1-2]。數(shù)字陣列模塊(Digital Array Module，DAM)是數(shù)字陣列雷達的關鍵核心部件之一，是一種采用集成化和數(shù)字化技術，將射頻收發(fā)單元、中頻數(shù)字收發(fā)單元、本振功分網絡、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計，完成雷達數(shù)字化收發(fā)、數(shù)據(jù)預處理及數(shù)據(jù)傳輸功能的新型多通道收發(fā)模塊。目前國內對DAM的研究取得了很大的進步，研究成果覆蓋多個頻段[3-5]，但是研制得到的DAM結構尺寸和重量往往較大，限制了其在小型化、輕量化要求較高的平臺的應用。

近年來，基于衛(wèi)星平臺的天基雷達探測已成為軍事偵察和戰(zhàn)略預警的重要手段[6-7]。天基雷達要有效完成高分辨率對地成像、快速動目標實時搜索跟蹤等軍事任務，需要具備更大口徑和更強的電性能。在口徑不斷增大、電性能指標不斷提高以至設備量越來越龐大的情況下，有源相控陣天線陣面(包括天線和收發(fā)組件)的低剖面、輕量化、高效率設計變得越來越重要[7-8]。

本文介紹了一種P頻段DAM設計，從系統(tǒng)架構、電路和結構三個方面具體展開設計，研制得到的DAM組件具備較高的單元發(fā)射功率，高效輕質，結構緊湊，在天基雷達探測領域具有較高的應用價值。

1 系統(tǒng)架構

P頻段DAM組件采用單元數(shù)字化技術，在光信號的控制下完成14通道雙極化P頻段信號的大功率發(fā)射和低噪聲接收。DAM內部集成14路射頻收發(fā)(TR)單元、數(shù)字收發(fā)電路、圓極化校正網絡、儲能電容等，其系統(tǒng)架構框圖如圖1所示。

圖1 DAM系統(tǒng)架構框圖

發(fā)射時，數(shù)字收發(fā)電路(簡稱數(shù)字板)產生的射頻激勵信號經過TR單元發(fā)射通道的多級功率放大，獲得總共14路雙極化大功率信號，單極化輸出峰值功率大于55 W。雙極化方式通過90° 3 dB電橋功分來實現(xiàn)，而在送到電橋之前經過一個校正耦合器，供系統(tǒng)發(fā)射定標、校正之用。

接收時，從雙極化天線接收的兩路相差90°的回波信號經過3 dB電橋合成一路后經過耦合器，耦合信號便于系統(tǒng)進行接收定標，直通信號通過TR單元的接收通道進行限幅、放大、濾波，最后送入數(shù)字板直接采樣處理。

數(shù)字板集成數(shù)字波形產生和數(shù)字接收機，工作原理見圖2。數(shù)字接收機完成P頻段射頻信號的直接采樣、數(shù)字下變頻和數(shù)據(jù)融合，輸出基帶I/Q信號，如圖2(a)所示；數(shù)字波形產生采用基于直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技術的波形產生，如圖2(b)所示。DDS技術可以直接對產生的信號波形參數(shù)(如頻率、相位、幅度)中的1個、2個或3個同時進行直接調制，以適應復雜的雷達信號形式的要求；能夠實現(xiàn)高精度的相位控制，可以實現(xiàn)發(fā)射數(shù)字波束形成[9]。

圖2 數(shù)字收發(fā)工作原理

P頻段DAM面向天基雷達的應用需求，為了滿足整個有源天線陣面的低剖面、輕量化要求，在系統(tǒng)架構上作了精簡設計：通過大容量高速光纖與信號處理通信實現(xiàn)波形產生和高速采集數(shù)據(jù)回傳，接口簡潔；模塊內部設計校正耦合網絡實現(xiàn)內校正功能，避免了大型天線因校正網絡帶來的額外復雜度；采用射頻直接采樣的方式工作，從而省去了變頻電路和本振信號分配網絡，簡化了系統(tǒng)設計，提高了可靠性，節(jié)約了系統(tǒng)功耗和質量。

2 電路設計

DAM的電路主要包括TR單元電路、數(shù)字收發(fā)電路、圓極化校正網絡以及其他信號連接過渡電路。電路設計具有高密度集成的特點：TR單元采用高度集成的微波電路模塊；多通道數(shù)字收發(fā)一體化設計；采用立體安裝方式和多層電路基板，實現(xiàn)靈巧緊湊三維布局。

2.1 高集成TR單元設計

TR單元包括發(fā)射通道和接收通道。為降低其體積重量，TR單元高度集成化設計，將發(fā)射通道、接收通道以及穩(wěn)壓控制保護電路集成于一個多功能模塊。模塊尺寸為40 mm×50 mm×8 mm，質量低于50 g。

接收通道主要功能是將天線接收到的回波信號進行限幅、放大、濾波，最后送給多通道數(shù)字板上的ADC。接收鏈路主要包含平衡限幅低噪放、溫補衰減、多級放大、濾波器及開關等元件。低噪聲放大器調制工作，在發(fā)射期間處于斷電狀態(tài)，保護低噪聲放大器不燒毀，同時也切斷了收發(fā)通道之間的增益環(huán)路，盡量避免可能出現(xiàn)的自激現(xiàn)象。限幅低噪放設計為雙平衡低噪放，輸入端采用低損耗的90° 3 dB電橋。電橋將大功率輸入信號功分兩路，降低了后面限幅電路的耐功率設計難度；并且將限幅電路反射回來的功率合成到電橋的隔離端，并被大功率負載吸收，實現(xiàn)了吸收式限幅的功能；同時，雙路工作也大大提高了系統(tǒng)可靠性，其中一路損壞，系統(tǒng)仍可工作，僅僅噪聲系數(shù)增加3 dB。濾波器為通頻帶為80 MHz的帶通濾波器，起到抗混疊和抑制帶外雜散的作用。圖3給出了接收通道增益和噪聲系數(shù)分配設計，通過仿真計算得到通道增益為53.8 dB，噪聲系數(shù)為1.36 dB。

圖3 接收通道增益和噪聲系數(shù)分配

發(fā)射通道的主要功能是將數(shù)字板DAC輸出的-10 dBm的激勵小信號通過濾波、開關、多級放大，最后飽和輸出大功率的射頻信號。末級功放采用平衡式設計，兩個功放芯片通過輸入電橋和大功率輸出電橋實現(xiàn)功率合成。與平衡式限幅低噪放類似，平衡式功放設計有諸多優(yōu)點:一方面通過電橋隔離端的大功率負載吸收由于輸出端口失配所形成的駐波能量，從而提高功放輸出端阻抗拉偏時的穩(wěn)定性和抗燒毀能力；另一方面降低了單個芯片的功率和散熱要求，提高了系統(tǒng)的可靠性，即便有一個芯片失效也有部分功率輸出。功放芯片采用高效GaN芯片，工作電壓+28 V，單芯片飽和輸出80 W左右，效率達70%。圖4給出了發(fā)射通道增益分配，通過仿真計算得到通道總增益為61.5 dB，輸出功率為140 W，發(fā)射效率60%。

圖4 發(fā)射通道增益分配

2.2 圓極化校正網絡設計

圓極化校正網絡集成了14個通道的耦合器和90° 3 dB電橋，如圖5所示。發(fā)射時每個TR單元的發(fā)射輸出信號先通過耦合器，再經過3 dB電橋形成兩路互相正交的信號送給圓極化天線。接收時圓極化天線接收的兩路互相正交的信號先通過3 dB電橋合成一路信號，再經過耦合器送給TR單元的接收通道。圓極化校正網絡采用多層的帶狀線結構，所有的射頻信號均通過內層走線增強屏蔽，減小通道之間的電磁干擾。經過精心設計，網絡單元實現(xiàn)的指標為，插入損耗小于0.3 dB，電橋隔離大于20 dB，耦合器耦合度28±2 dB，耦合器定向性大于15 dB。

圖5 圓極化校正網絡原理圖

為了進一步減小體積提高系統(tǒng)的集成度，圓極化校正網絡上面集成了電源匯流印制板和儲能電容。儲能電容采用高容量密度的表貼電容，外部送入的+28 V直流電源先通過儲能電容再饋送至每個功放單元，這樣可有效保證功放芯片脈沖工作狀態(tài)輸出信號的脈內功率頂降不至過大[9]。

儲能電容的容量C與功率放大器的峰值工作電流Ip、脈寬Tp、工作電壓Vcc以及要求的頂降δ有關，它們之間滿足[10]

(1)

考慮到單個TR單元發(fā)射輸出峰值功率140 W，效率60 %，工作電壓Vcc= 28 V，由此計算出組件峰值電流Ip=8.3 A。DAM最大工作脈寬Tp=100 μs，脈內電壓降δ不超過5%，計算得到每個TR單元需要儲能電容為593 μF，考慮25%余量選用11個68 μF的鉭電容即可滿足要求。

2.3 數(shù)字收發(fā)電路設計

數(shù)字收發(fā)電路基于FPGA、多通道DAC和多通道ADC，在一塊印制板上實現(xiàn)14通道的數(shù)字化接收機和14通道的數(shù)字波形產生器。數(shù)字收發(fā)電路基本組成如圖6所示，4片四通道ADC器件完成14路中頻信號的采集，4片四通道DAC器件完成14路中頻信號產生，F(xiàn)PGA內主要進行數(shù)字下變頻、數(shù)字上變頻、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍幚?，光模塊負責完成信號的光電與電光轉換，TTL驅動芯片用來控制射頻前端TR單元脈沖調制和收發(fā)開關切換。

圖6 數(shù)字收發(fā)電路原理圖

考慮系統(tǒng)的電磁兼容設計，減小大信號對小信號的干擾、數(shù)字信號對模擬信號的干擾，將數(shù)字板的+12 V電源和TR單元的+28 V電源互相隔離，同時將兩者在空間上分開，各自布置在DAM殼體的雙面。

3 結構設計

整個DAM組件布局緊湊，采用雙層結構形式，一層布置14通道模擬收發(fā)電路，包括TR單元、圓極化校正網絡等；另一層布置一體化數(shù)字收發(fā)板。組件殼體采用薄壁局部加厚的方法，在保證固件強度的同時減少重量。組件盡量壓縮厚度方向的尺寸，以滿足系統(tǒng)低剖面的要求。

按照發(fā)射脈沖占空比為10%，根據(jù)前面的理論設計，TR單元輸出峰值功率140 W，效率60%，計算得到TR單元功耗23.3 W，熱耗9.3 W。數(shù)字板功耗為50 W，全部轉化為熱量。由于TR發(fā)射輸出信號經過圓極化校正網絡后有0.3 dB的損耗，計算得到DAM單通道雙極化輸出峰值功率130 W，單極化輸出峰值功率65 W，DAM效率理論值為48.3%。

DAM內部發(fā)熱器件主要為TR單元和數(shù)字板上的ADC、DAC、FPGA等發(fā)熱器件。為了增強發(fā)熱器件的散熱效果，通過以下途徑來解決：TR模塊下表面與組件殼體墊導熱銦箔；TR模塊上表面與組件蓋板加導熱襯墊；在殼體和蓋板上設計散熱凸臺來傳導數(shù)字板上器件產生的熱量。為了實現(xiàn)有源天線陣面的低剖面設計要求，將DAM組件緊貼天線反射板(同時作為散熱冷板)安裝，因此DAM可通過導冷的方式散熱，這樣可精簡DAM殼體散熱結構的復雜度，也便于系統(tǒng)輕量化設計。

具體熱設計時假設冷板維持恒溫45 ℃(系統(tǒng)最高環(huán)境溫度)，將組件緊貼于冷板上。通過仿真優(yōu)化，得到組件溫度分布，如圖7所示，模擬通道最高溫度為53.6 ℃，通道間最大溫差為5.6 ℃，數(shù)字板的最高溫度位于ADC器件為72.2 ℃。

(a)正面

(b)背面圖7 DAM組件熱仿真結果

根據(jù)公式(2)通過計算和查看器件手冊，TR每個功放芯片的熱耗約9.3 W/2=4.65 W，熱阻為0.7 ℃/W；ADC熱耗為1.66 W，熱阻為1.0 ℃/W。計算得到功放芯片最高結溫為56.9 ℃，ADC最高結溫為73.9 ℃，滿足使用要求。

θj=θc+Rth×Pr。

(2)

式中：θj為管芯的結溫，θc為芯片的殼溫，Pr為芯片平均熱耗，Rth為管芯到管殼的熱阻。

4 硬件實現(xiàn)及結果分析

通過精心設計最終研制得到DAM樣機，如圖8所示，其結構尺寸為339 mm×185 mm×30 mm，質量為2.23 kg。該樣機具備14個收發(fā)通道，每個通道雙極化輸出。經測試其性能指標如下：帶寬80 MHz，單極化輸出峰值功率不小于55 W，噪聲系數(shù)小于等于2.0 dB，接收信噪比不小于60 dB。

圖8 DAM樣機實物圖

表1給出了接收通道噪聲系數(shù)和信噪比測試結果。根據(jù)前面仿真計算，TR單元的噪聲系數(shù)為1.36 dB，結合圓極化校正網絡的插入損耗0.3 dB，可得出總噪聲系數(shù)理論值為1.66 dB，與測試結果吻合得較好。

表1 接收通道噪聲系數(shù)和信噪比測試結果

圖9給出了80 MHz帶寬線性調頻模式下發(fā)射輸出信號頻譜，圖10給出了80 MHz帶內F1～F5 5個頻點發(fā)射單極化輸出峰值功率測試結果。

圖9 80 MHz掃頻發(fā)射輸出信號頻譜

根據(jù)測試的功率和電流可計算出DAM的工作效率

(3)

式中：Pi為第i通道的單極化輸出峰值功率，由于通道雙極化輸出故乘以系數(shù)2；D為工作占空比；VA和IA分別為模擬通道電源電壓和電流；VD和ID分別為數(shù)字板電源電壓和電流。在工作比D=10%的情況下得到DAM的效率約為45%，與理論計算值較接近。通過提升DAM發(fā)射工作比可以進一步提高效率，但應權衡系統(tǒng)散熱條件的限制。

圖10 發(fā)射單極化輸出峰值功率測試

表2給出了本樣機與文獻[3]報道的DAM在尺寸、質量和效率的比較，可見雖然工作于相近頻段，本樣機內部集成的通道數(shù)較文獻[3]的通道數(shù)增加了幾乎一倍，但尺寸和質量卻大幅減小，效率亦有明顯提高，這得益于本樣機基于射頻直采的精簡的系統(tǒng)架構以及高密度集成的電路設計。

表2 本樣機和文獻[3]的DAM相關參數(shù)的比較

5 結束語

低剖面、輕量化和高效率是天基有源相控陣天線陣面的要求。本文提供了一種P頻段數(shù)字陣列模塊的設計方法并在此基礎上研制了樣機。該樣機具備14通道雙極化輸出，架構簡單，電路集成度高，性能可靠，結構緊湊。測試數(shù)據(jù)顯示，通道噪聲系數(shù)小于2.0 dB，單極化輸出峰值功率大于55 W，10%工作比條件下效率達到45%， 整個模塊質量低至2.23 kg。該DAM輕量化、高效率特點在同行研究成果中優(yōu)勢突出，在天基雷達等領域具有較好的應用潛力。下一步研究工作是致力于提升功率密度(包括峰值功率和工作比)和帶寬，以滿足不同應用需求。