大功率T/R組件的研究與設(shè)計(jì)

陳曉青

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

有源相控陣?yán)走_(dá)近年來得到了飛速的發(fā)展，對其核心部件T/R組件提出了更高的要求，對功率、效率、噪聲等關(guān)鍵指標(biāo)要求不斷提升。單個(gè)微波GaAs芯片的功率由于功率密度、芯片面積的限制，發(fā)展到一定階段就很難獲得快速的提高，目前國際主流的X波段功率芯片的輸出功率典型值為10W，Ka波段的功率芯片典型值為4W。此時(shí)單個(gè)T/R組件若想獲得更大的輸出功率，就只能通過功率合成的方式，本文總結(jié)了一些可以用于T/R組件的功率合成方式，同時(shí)針對大功率T/R組件如何有效保護(hù)接收通道的難點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 大功率組件設(shè)計(jì)方案

圖1是大功率T/R組件的功能框圖，從圖中我們可以看出相比于傳統(tǒng)的T/R組件，大功率T/R組件的區(qū)別在于以合成功放網(wǎng)絡(luò)來替代單只功放芯片[1]，同時(shí)在接收支路的限幅器前加入了一級大功率開關(guān)，用來反射發(fā)射支路的大功率信號，有效保護(hù)接收通道的器件。大功率T/R組件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于高效率的功率合成網(wǎng)絡(luò)、如何通過合理的開關(guān)時(shí)序嵌套來保證接收通道的安全工作及合成波導(dǎo)的機(jī)加工。下面將針對這三個(gè)難點(diǎn)來逐一分析。

圖1 大功率T/R組件的功能框圖

3 T/R組件功率合成方案介紹

圖2 T/R組件功率合成方案

圖2所示為大功率T/R組件功率合成方案，我們可以看出，此方案由兩級合成，第一級為平面電路合成，主要方式為微帶威爾金森合成或Lange橋合成，將兩只或三只芯片合成一個(gè)功率模塊，獲得20W～30W的功率。圖3為通過微帶威爾金森合成的功率模塊實(shí)物照片。

圖3 微帶合成功率模塊

平面電路合成的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)簡單、插損小、駐波好，但隨著級數(shù)的增加和功率的變大，合成效率和損耗急劇增加，不適合較大功率的合成；這個(gè)時(shí)候我們就需要進(jìn)行空間合成來獲得百瓦級的功率。

矩形波導(dǎo)合成是大功率T/R組件最常用的空間合成方式[2]，分為E面波導(dǎo)合成和H面波導(dǎo)合成[3]。圖4為E面波導(dǎo)合成和H面波導(dǎo)合成的示意圖。

圖4 E面波導(dǎo)合成和H面波導(dǎo)合成示意圖

E面合成結(jié)構(gòu)利用波導(dǎo)的寬邊進(jìn)行功率合成，具有相對較寬的帶寬，機(jī)械結(jié)構(gòu)上更容易實(shí)現(xiàn)，對裝配的要求較低，是大功率合成的首選。但構(gòu)成相控陣?yán)走_(dá)的TR組件單元間距往往有嚴(yán)格的限制，如X波段TR組件單元間距一般要求為10mm～15mm，而X波段標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)寬邊尺寸為22.86mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于組件的厚度，這使得E面波導(dǎo)合成方案無法應(yīng)用于大功率TR組件的合成。

H面功率合成結(jié)構(gòu)利用波導(dǎo)的窄邊進(jìn)行合成，且波導(dǎo)的窄邊可以減高使用，這種用法僅影響波導(dǎo)的功率容量，不影響合成效率。所以H面波導(dǎo)合成方案具有厚度薄的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足相控陣?yán)走_(dá)的TR組件單元間距小的要求，可廣泛應(yīng)用于大功率TR組件的功率合成。

圖5為利用H面波導(dǎo)合成總體設(shè)計(jì)圖，4路微帶線輸入信號通過雙探針耦合的方式進(jìn)入波導(dǎo)腔進(jìn)行合成[4]，經(jīng)仿真該結(jié)構(gòu)在X波段的帶寬達(dá)2GHz[5], 駐波小于1.3，插入損耗小于0.3dB，合成效率大于90%。

圖5 4路雙探針H面波導(dǎo)合成圖

此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于厚度薄、合成效率高、結(jié)構(gòu)簡單、便于金加工，與前級功率模塊對接方便，缺點(diǎn)是無負(fù)載端口，輸出兩端口隔離差，T/R組件的環(huán)形器可以在一定程度上彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，我們利用這個(gè)結(jié)構(gòu)可以在X波段獲得100W左右的輸出功率。

4 大功率組件接收通道設(shè)計(jì)

T/R組件接收通道的限幅器的作用是當(dāng)有大功率信號從天線端口注入時(shí)，能保護(hù)接收通道的后級芯片，但是限幅器能夠承受的輸入功率也是有限的，X波段限幅芯片承受功率的典型值為10W左右，當(dāng)注入接收通道的功率達(dá)到百瓦級時(shí)，限幅芯片會被輕易擊毀，造成系統(tǒng)失效。這個(gè)時(shí)候我們就需要對電路進(jìn)行改進(jìn)，在限幅器前面增加一級大功率開關(guān)電路。大功率開關(guān)的時(shí)序需要與組件的時(shí)序合理嵌套以保證組件的安全工作，時(shí)序嵌套如圖6所示。

圖6 大功率開關(guān)時(shí)序嵌套圖

利用T/R組件分時(shí)工作的原理，組件工作于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，開關(guān)處于反射狀態(tài)，將大功率信號發(fā)射至環(huán)形器的負(fù)載端；組件工作于接收狀態(tài)時(shí)，開關(guān)處于通過狀態(tài)，極小的開關(guān)插損可以保證組件的噪聲指標(biāo)。

微波開關(guān)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。影響開關(guān)承受功率的因素主要是管芯的熱阻和耐壓。當(dāng)PIN管處于正向偏置狀態(tài)，PIN管呈現(xiàn)短路可等效為小電阻，其射頻阻值通常為2Ω或更小一些。在射頻電流的作用下該電阻會產(chǎn)生熱耗散，當(dāng)耗散功率造成的溫升達(dá)到引起PIN管金相變化時(shí)，就會導(dǎo)致失效。這其中較常見的失效機(jī)理是在高溫下硅與金的接觸面形成共晶體。如果長時(shí)間停留在該溫度，金-硅絲狀導(dǎo)電合金體將會在PIN管內(nèi)生長，當(dāng)細(xì)絲最終穿透I區(qū)，PIN管永久短路[6]。

為滿足低噪聲和增益要求，放大器采取兩級放大。采用平衡式放大電路加單片放大電路。第一級采用電抗匹配，確保噪聲系數(shù)滿足要求。在級間采用匹配網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行帶寬拓展并使帶內(nèi)增益平坦。為了達(dá)到良好的輸入、輸出駐波特性，放大器采用了有耗匹配和負(fù)反饋設(shè)計(jì)。

5 機(jī)械加工設(shè)計(jì)

功率模塊的輸出采用波導(dǎo)合成，因此波導(dǎo)合路器的性能直接決定了功率合成效率。為了使實(shí)際性能和仿真性能盡可能吻合，優(yōu)化時(shí)將加工過程中因工藝產(chǎn)生的圓角帶入仿真，力求仿真結(jié)果便于加工。

機(jī)械加工的精度決定了功放波導(dǎo)合路器的實(shí)際性能，包括駐波、插損、相位等。波導(dǎo)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工是一個(gè)難點(diǎn)，既要保證加工的精度又要保證可靠性。由于雙探針H面波導(dǎo)合路器的結(jié)構(gòu)特殊，以及X波段波導(dǎo)尺寸較大，考慮到小直徑銑刀加工深腔的難度和精度以及寬邊大尺寸倒角對性能的重要性，經(jīng)過反復(fù)細(xì)致的分析，整個(gè)波導(dǎo)合路器分成3塊進(jìn)行加工，合股面位置如圖7所示。另外，為了不影響波導(dǎo)性能，合股必須具有較高的精度，設(shè)計(jì)上采用在合股面加銷釘孔、裝配時(shí)用銷釘對準(zhǔn)的方法。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于既不破壞波導(dǎo)腔中磁場的分布，又可以用銑刀加工的方式保證波導(dǎo)腔的光潔度。然而用銑刀加工的方法不可避免會帶來圓角，由于頻帶較寬，為了保證帶寬，盡量采用直徑小的銑刀來進(jìn)行加工，同時(shí)斜面的加工也必須保證精度。

圖7 波導(dǎo)合路器合股面示意圖

6 總結(jié)

綜合以上的設(shè)計(jì)結(jié)果，我們制成了X波段的大功率收發(fā)組件，如圖8所示。

圖8 X波段大功率收發(fā)組件外形圖

組件峰值輸出功率大于100W，組件總效率高于25%，噪聲小于2.6dB，增益大于3dB，具有移相、衰減功能，可靠性滿足裝備要求，測試結(jié)果如圖9所示。

本文介紹了一種通過功率合成的方法來大幅提高單個(gè)組件輸出功率的設(shè)計(jì)方法，可將單個(gè)組件的輸出功率提高到百瓦級，同時(shí)針對大功率組件設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。將設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品，制作出大功率、低噪聲的T/R組件，應(yīng)用于某重點(diǎn)型號雷達(dá)系統(tǒng)的研制。

圖9 X波段大功率收發(fā)組件測試結(jié)果

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[2] Huiwen Yao. Analysis and design of microstrip-towaveguide transitions[J].IEEE trans MTT,1994,42(12).

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[5] 謝勇軍，王鵬，李磊. Ansoft HFSS基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[6] 池保勇，余志平，石秉學(xué). CMOS射頻集成電路分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出社，2006.