一種寬帶多通道R組件的設計與實現(xiàn)

王心力

摘要：在寬帶被動相控陣系統(tǒng)中，寬帶接收組件對系統(tǒng)的性能有至關重要的影響。組件的噪聲系數影響著面陣的靈敏度，組件的外形尺寸和重量決定著面陣的重量。文章設計了一種工作在6 GHz～18 GHz的寬帶16通道接收組件，通過電磁仿真軟件進行寬帶匹配設計，并制作出了實物。該組件噪聲系數小于4.5 dB，單通道增益44±2.5 dB，外形尺寸145.7 mm×65 mm×7.6 mm，重量163 g。

關鍵詞：寬帶；接收組件；相控陣

中圖分類號：TN957.3文獻標志碼：A

0 引言

在寬帶被動相控陣系統(tǒng)中，寬帶接收組件對系統(tǒng)的性能有至關重要的影響［1］。組件的噪聲系數影響有源面陣的靈敏度，組件的外形尺寸和重量決定有源面陣的重量。因此，相控陣系統(tǒng)對R組件的體積和指標有著極為苛刻的要求［2］。如何提高組件的性能、減小體積和重量、降低制造成本是組件設計不斷追求的目標。

本文設計了一款工作在6 GHz～18 GHz的16通道寬帶接收組件，介紹了其工作原理和設計過程，并制作出組件實物。組件具有小型化和輕量化的特點，可以滿足實際使用需求。

1 接收組件工作原理簡介

本文設計的16通道寬帶接收組件工作于6 GHz～18 GHz，主要由帶通濾波器、限幅器、低噪聲放大器、功分器、固定衰減器、均衡器、數控衰減器、驅動放大器、電源穩(wěn)壓電路組成。與組件互聯(lián)的天線單元在俯仰方向為寬波束覆蓋，不進行掃描。因此從成本角度考慮，每個通道沒有設計移相器。射頻電路的原理如圖1所示。

6 GHz～18 GHz微波信號經天線進入組件，首先通過預選濾波器對帶外干擾進行抑制，再經過限幅器對微波信號限幅，限幅器抗燒毀功率5W（連續(xù)波）。隨后信號進入低噪聲放大器進行放大、再通過功分器將十六路信號列向合成。十六路合成通過二功分器芯片逐級合成。由于寬帶功分器在高頻段插損增大，通過4次合成級聯(lián)之后插損在高頻段下降明顯，因此在電路中設計反斜率均衡減小帶內起伏。經均衡后的信號最后通過兩級放大后功分兩路輸出。在兩級放大之間加入數控衰減器進行增益控制。數控衰減器為6位，步進0.5 dB。

鏈路增益分配和指標計算如圖2所示。整個鏈路理論噪聲系數3.7 dB，增益44.1 dB，輸出P1dB為17 dBm。

2 組件設計

2.1 R組件場路仿真設計

超寬帶接收組件的工作頻率為6 GHz～18 GHz，為了保證各芯片級聯(lián)之后的性能，需要做好多級芯片之間的寬帶匹配。單通道的寬帶匹配性能對整個電路性能影響最大。利用HFSS高頻仿真軟件對單個通道的射頻電路建模，進行電磁場仿真并提取各段微帶線的S參數。隨后在ADS軟件中建立電路模型，將HFSS提取到的微帶線S參數和各芯片的S參數級聯(lián)起來進行電路仿真，得到單通道的S參數曲線。最后，在ADS中將單通道S參數以及功分器、數控衰減器、放大器等芯片參數帶入并進行級聯(lián)電路仿真。

HFSS單通道模型如圖3所示，第一級為帶通濾波器，第二級為限幅器，第三級為低噪聲放大器。3種芯片之間的微帶線參數（線寬和線長）為變量，通過調整參數可達到最優(yōu)的寬帶匹配。

在ADS軟件中建立完整的電路模型，將芯片的S2P文件和HFSS仿真得到的微帶線SNP文件帶入模型，進行電路級聯(lián)仿真。ADS電路模型如圖4所示。

優(yōu)化后的最終電路級聯(lián)仿真結果如圖5所示。電路單通道增益44±2 dB，輸入回波損耗全頻段小于10 dB，輸出回波損耗小于15 dB，仿真結果可以滿足指標要求。

2.2 PCB設計

由于組件的工作頻帶較寬，工作頻率高，在設計PCB時需要考慮電磁兼容性［3］。PCB設計應保證良好的接地，降低寄生效應對射頻電路性能的影響［3］。印制板選用射頻板材ROGERS 3003C，板厚0.254mm，介電常數3.0。

組件包含16個獨立的接收通道，從印制板的可加工性考慮，將射頻電路分為3塊印制板。合理的印制板長寬比例，可以降低制板難度，減少形變，提高印制板成品率。PCB板圖如圖6所示。

2.3 結構設計

組件內選用的微波芯片為GaAs裸芯片，采用微組裝工藝進行印制板和芯片裝配。結構件包括上蓋板、內蓋板、殼體、下蓋板。殼體內部腔體按照仿真參數設計，內腔鍍金。印制板包括3塊微波板和1塊電源板，3塊微波板燒焊在殼體內部，電源板燒焊在殼體背面。電源板上的供電及控制信號通過金絲穿過殼體的通孔鍵合到微波印制板上。上蓋板和下蓋板通過激光封焊到殼體上，保證氣密。在上蓋板下方設計內蓋板，通過螺釘固定，方便調試和維修。在組件外形中設計導向銷和安裝螺釘，便于組件安裝到面陣框架內。結構如圖7所示。接收組件的外形尺寸（不包含導向銷）為145.7mm ×65mm×7.6mm（L×W×H），預估重量150g。

3 測試驗證

依據微組裝工藝流程，裝配組件并進行調試和測試。寬帶接收組件打開蓋板后的正面俯視圖如圖8所示，調試過程中在內蓋板貼吸波材料，組件重量163g。

組件單通道增益測試結果（S21）如圖9所示。S21和S11實測曲線與仿真曲線趨勢基本吻合。在高頻部分實測增益有略微的下降，這是微帶線損耗以及高頻段駐波惡化引起的。裝配過程產生的寄生參數也影響了高頻段的駐波。

組件噪聲系數測試結果如圖10所示，全頻段噪聲系數小于4.5 dB。16 GHz和17 GHz兩個點的噪聲系數實測值偏大，這是輸入駐波偏大引起的，其余頻率噪聲系數小于4 dB。

4 結語

本文設計了一款用于被動相控陣系統(tǒng)的寬帶接收組件，介紹了具體設計方法，并進行了實物測試驗證。該組件噪聲系數低于4.5 dB，單通道增益44 dB，帶內起伏±2.5 dB，滿足設計預期。組件外形尺寸145.7mm×65mm×7.6mm（L×W×H），重量163g，具有低成本、體積小和重量輕的特點。

參考文獻

［1］余雷，吳昌勇，揭海，等.寬帶瓦片式T/R組件的設計與實現(xiàn)［J］.電子信息對抗技術，2020（1）：68-71.

［2］肖勇，鄧勇.一種新型瓦片式多通道R組件的設計［J］.電子信息對抗技術，2019（5）：82-87.

［3］張帥，楊志保，吳天陽，等.基于復合基板微波電路設計的小型化TR組件［J］.電子與封裝，2020（3）：12-14.

（編輯 李春燕）