一種新型小型化收發(fā)組件的設(shè)計(jì)

張國強(qiáng) 楊 莉 崔 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

毫米波制導(dǎo)兼有微波制導(dǎo)和紅外制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，毫米波天線的旁瓣可以做得很低，敵方難以截獲，這就增加了集中干擾的難度。同時(shí)毫米波制導(dǎo)系統(tǒng)受導(dǎo)彈飛行中形成的等離子體影響較小，國外許多導(dǎo)彈的末制導(dǎo)均采用了毫米波制導(dǎo)系統(tǒng)［1］。

隨著現(xiàn)代制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，對精度和距離的要求越來越高，相應(yīng)對雷達(dá)導(dǎo)引頭提出新的要求，特別是導(dǎo)引頭的關(guān)鍵部件，收發(fā)組件必須滿足高功率、小體積、輕重量的要求。

基于以上分析，需要對精確制導(dǎo)系統(tǒng)中的核心部件毫米波收發(fā)組件，進(jìn)行重點(diǎn)研究。文獻(xiàn)［2-3］對毫米波收發(fā)組件小型化技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，提出了一些組件小型化的設(shè)計(jì)方法。針對本組件的小型化要求，在兩路接收支路之間引入選通開關(guān)，將傳統(tǒng)的雙路接收并為一路，同時(shí)，對組件內(nèi)部的過渡形式進(jìn)行小型化處理，這樣可以最大化的減小體積。結(jié)合導(dǎo)引頭對毫米波收發(fā)組件的要求，設(shè)計(jì)出了一種高功率、小體積、輕重量的毫米波三收一發(fā)集成組件，其輸出功率達(dá)到2W，接收增益達(dá)到23dB，體積Φ 40mm×15mm，重量為95g。

1 設(shè)計(jì)分析

毫米波收發(fā)組件主要完成對發(fā)射激勵(lì)信號的功率進(jìn)行放大，然后送至天線輻射單元;以及完成對接收回波信號的低噪聲放大、下變頻處理后送至中頻接收機(jī)。

基于以上功能分析形成如下原理框圖:

圖1 收發(fā)組件原理框圖

此外，由于應(yīng)用在復(fù)雜工作環(huán)境，在滿足系統(tǒng)電性能技術(shù)指標(biāo)的前提下，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下3 個(gè)方面:一是采用成熟技術(shù)和電路設(shè)計(jì)，壓縮元器件種類和品種，保證設(shè)計(jì)的可靠性和繼承性;二是盡量簡化方案設(shè)計(jì)，不以追求高指標(biāo)為目標(biāo)，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度;三是采用主/備設(shè)計(jì)，通過設(shè)置冗余電路降低設(shè)備的失效率。根據(jù)如上的原理框圖設(shè)計(jì)，形成如下的技術(shù)指標(biāo)要求:

工作頻率:f1～f9GHz;

和口發(fā)射功率:≥+33dBm;

和口接收增益:≥23dB;

差口接收增益:≥23dB;

接收噪聲系數(shù):≤6dB;

體積:≤Φ 40mm×15mm;

重量:≤100g。

1.1 傳輸波導(dǎo)的設(shè)計(jì)

一般情況下，在Ka 波段的傳輸系統(tǒng)中均采用BJ320 的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，其尺寸為3.56mm ×7.12mm，而在本文設(shè)計(jì)中，由于體積和尺寸的苛刻要求，采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，已經(jīng)不能滿足布局要求，有必要選擇合適的非標(biāo)波導(dǎo)作為傳輸媒介。這種選擇主要基于以下幾方面的考慮:

a 單模傳輸條件

在一般情況下，為了避免在波導(dǎo)中同時(shí)存在多個(gè)模式引起的干擾，比如不均勻性引起模式間的耦合使波導(dǎo)元件的設(shè)計(jì)復(fù)雜化，在不同模式下因相速不同引起信號失真等等，實(shí)用的波導(dǎo)系統(tǒng)都盡可能的采用單模波導(dǎo)。在矩形波導(dǎo)中，由于TE10波的λc最大，與它最接近的是TE20或TE01波的λc，因而只要傳輸波的工作波長介于它們之間，TE10波的單模傳輸就有可能，單模傳輸條件可以寫成:

上面給出了單模工作λ 的范圍，亦即頻率范圍。對于a≥2b的波導(dǎo)來說，上述條件可以簡化為:2a＞λ＞a。

b 功率容量考慮

根據(jù)烏莫夫-坡印亭定理［4］，通過規(guī)則波導(dǎo)的傳輸功率為:

對于TE模

根據(jù)上述單模傳輸條件及功率容量分析，最終確定選擇a=6mm，b=2mm 的非標(biāo)波導(dǎo)作為輸出傳輸波導(dǎo)。

1.2 輸出微帶－波導(dǎo)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換作為一種傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換形式，在高頻段應(yīng)用比較多。微帶-波導(dǎo)過渡，類似于同軸到波導(dǎo)的轉(zhuǎn)接，也就是將微帶插入波導(dǎo)形成探針。由電磁理論可知:任意一個(gè)沿探針方向的具有非零電場的波導(dǎo)模在探針的表面激勵(lì)起電流，根據(jù)互易定理，當(dāng)微帶線上準(zhǔn)TEM 模向波導(dǎo)入射時(shí)產(chǎn)生的電流也同樣激勵(lì)起波導(dǎo)模。為了與矩形波導(dǎo)的主模TE10模耦合最強(qiáng)，根據(jù)微帶與波導(dǎo)模式電場場分布的特點(diǎn)，微帶線作為探針從波導(dǎo)的寬邊中心插入，置入TE10模電場強(qiáng)度的最大處［5-6］，這樣就保證了能量最大效率耦合到波導(dǎo)腔。

如下圖是微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換的仿真建模及尺寸圖:

圖2 垂直過渡仿真建模

設(shè)計(jì)中采用Rogers5880 作為微帶探針，基片厚度為0.127mm，介電常數(shù)為2.2，根據(jù)圖4 的尺寸進(jìn)行仿真優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明該微帶-波導(dǎo)過渡插損可以達(dá)到0.1dB，端口駐波可以達(dá)到1.2，在后期的微帶和波導(dǎo)的加工中嚴(yán)格控制誤差，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 垂直過渡的設(shè)計(jì)

垂直過渡作為微波信號不同層之間的互聯(lián)形式，在組件的設(shè)計(jì)中被經(jīng)常使用，常見的有微帶-帶狀線的過渡［7-8］。為了滿足信號的饋入要求，需要設(shè)計(jì)垂直過渡進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該過渡位于射頻信號輸入端及中頻信號輸出端，設(shè)計(jì)的目的一方面要保證發(fā)射激勵(lì)信號及本振基準(zhǔn)信號通過垂直過渡饋入發(fā)射鏈路，另一方面要滿足中頻信號良好的傳輸要求。

設(shè)計(jì)中考慮空氣過渡對微波信號傳輸?shù)挠绊懀缦聢D在HFSS 中仿真建模:

圖3 垂直過渡仿真曲線

圖4 微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換仿真建模及尺寸

圖5 微帶-波導(dǎo)過渡仿真曲線

設(shè)計(jì)中充分考慮裝配誤差對性能的影響，同時(shí)加工尺寸留有冗余，仿真結(jié)果表明該垂直過渡插入損耗達(dá)到了0.1dB，端口駐波滿足1.2 的要求，可以保證信號的良好傳輸。

1.4 組件實(shí)物

根據(jù)如上設(shè)計(jì)分析，最終形成如下收發(fā)組件三維圖及加工實(shí)物圖:

圖6 收發(fā)組件三維圖和實(shí)物圖

圖7 實(shí)物測試曲線

由上述測試結(jié)果可知，在頻帶內(nèi)，輸出功率和接收增益滿足設(shè)計(jì)要求，接收噪聲系數(shù)有惡化的現(xiàn)象，初步估計(jì)是由于接收支路傳輸路徑過長及器件本身的插損過大造成，可以在后續(xù)的設(shè)計(jì)中加以改進(jìn)，從而使技術(shù)指標(biāo)更加優(yōu)化。

2 結(jié) 論

采用HFSS 仿真設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)出了一種小型化的的毫米波收發(fā)組件，設(shè)計(jì)指標(biāo)與工程實(shí)測基本一致，從而印證了該設(shè)計(jì)方法在組件小型化設(shè)計(jì)中的可行性。

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