一種X波段寬帶T/R組件的實(shí)現(xiàn)

郝金中,張 瑜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所 第5專業(yè)部,河北 石家莊 050051)

一種X波段寬帶T/R組件的實(shí)現(xiàn)

郝金中,張 瑜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所 第5專業(yè)部,河北 石家莊 050051)

介紹了一種寬帶X波段四通道T/R組件的實(shí)現(xiàn)方法。在小尺寸空間中包含了微波電路、DC/DC電源、波束控制、功率故障檢測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)功能。結(jié)構(gòu)上輸入輸出、加電端口均設(shè)計(jì)在同一側(cè)。對(duì)組件復(fù)雜功能和特殊結(jié)構(gòu)以及由此帶來(lái)的工藝裝配問(wèn)題進(jìn)行了分析和闡述,并研制出符合各項(xiàng)指標(biāo)要求的寬帶X波段T/R組件,該組件有完善的工藝措施來(lái)保證,性能好、重量輕、可靠性高;通過(guò)電性能和結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的測(cè)試,達(dá)到了總體技術(shù)要求。

T/R組件;X波段;DC/DC電源;波束控制;特殊結(jié)構(gòu)

有源相控陣?yán)走_(dá)是目前雷達(dá)研究和發(fā)展的主流,在有源相控陣?yán)走_(dá)中,高性能、高可靠的T/R組件是雷達(dá)的核心部件。X波段的相控陣?yán)走_(dá)由于波長(zhǎng)短、探測(cè)精度高并且天線口徑小、重量輕,所以廣泛應(yīng)用于各種基于機(jī)載、球載及星載平臺(tái)的探測(cè)、制導(dǎo)及成像系統(tǒng)。因此,對(duì)X波段T/R組件的研制非常重要[1]。

本文設(shè)計(jì)的X波段T/R組件,相比傳統(tǒng)組件,不僅設(shè)計(jì)有微波電路,還包含了DC/DC電源、波控等電路。組件設(shè)計(jì)有功率故障檢測(cè)和溫度檢測(cè)功能,增強(qiáng)了組件的使用可靠性和維修性,更好地滿足了現(xiàn)代雷達(dá)的發(fā)展要求。該T/R組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,將射頻輸入輸出端口、加電口設(shè)計(jì)在同一端;組件的微波傳輸方向設(shè)計(jì)有翼型“翅膀”結(jié)構(gòu),選用插拔型的射頻和低頻接插件,可利用整機(jī)結(jié)構(gòu)中的卡槽將組件固定,與整機(jī)天線口和電源口連接,免去傳統(tǒng)組件螺釘緊固的繁瑣。

該T/R組件有4個(gè)收發(fā)通道,接收增益>25 dB,包括電源部分在內(nèi),整個(gè)組件效率達(dá)到20%以上,性能優(yōu)越。

1 T/R組件原理

1.1 微波部分原理

微波通道由4路收發(fā)通道組成,每個(gè)通道的接收支路和發(fā)射支路可單獨(dú)控制;發(fā)射支路的功能是將發(fā)射信號(hào)進(jìn)行配相和高功率放大后饋送至天線輻射單元,接收支路的功能是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行高頻放大,然后進(jìn)行相位和幅度調(diào)整后送入后續(xù)接收機(jī)[2]。

對(duì)組件的發(fā)射和接收指標(biāo)分別進(jìn)行分解:接收支路包括限幅器、低噪聲放大器、放大單片等。輸入端為一個(gè)雙結(jié)環(huán)行器,可保證接收支路輸入端駐波。接收支路和發(fā)射支路共用移相器,發(fā)射支路信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后由雙結(jié)環(huán)行器輸出,發(fā)射支路由4級(jí)放大組成,末級(jí)GaAs芯片飽和輸出功率41 dBm。30 V電源輸入端選用電容量為330 μF的鉭電容并聯(lián)對(duì)地,保證放大器的脈沖頂降。

串并轉(zhuǎn)換器通過(guò)T/R信號(hào)和不同的控制位輸出控制T/R組件的發(fā)射數(shù)控移相器、接收數(shù)控移相器、接收數(shù)控衰減器、收發(fā)開關(guān)狀態(tài)[3]。

圖1 T/R組件原理框圖

1.2 DC/DC電源電路

本組件直接采用30 V和5 V電源工作,5 V電壓供接收電路使用,30 V輸入電壓經(jīng)過(guò)DC/DC電源,產(chǎn)生所需要的8.5 V直流電壓供發(fā)射通道使用。30 V電源供發(fā)射通道工作,基本要求為輸出功率大、效率高、尺寸小。根據(jù)這些要求,采用DC/DC電源模塊,輸出所需電壓。

該組件4路發(fā)射通道,至少采用3個(gè)DC/DC模塊。3個(gè)DC/DC電源直接并聯(lián)輸出,由于電路的不平衡,影響輸出效率。因此,設(shè)計(jì)采用一組DC/DC電源直接輸出供1路收發(fā)組件工作,另一組DC/DC電源并聯(lián)輸出供3路收發(fā)組件工作的方式。

圖2 LTM4613并聯(lián)原理圖

圖3 DC/DC電源實(shí)物圖

1.3 組件波控電路

波控電路主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控分機(jī)與TR組件的控制功能連接。上行接口監(jiān)控分機(jī)與波控電路接口包括LVDS和RS422兩種接口。

圖4 波控電路連接圖

裝配在T/R組件上的波控子板可有正常工作模式和調(diào)試工作模式。正常工作模式是T/R組件工作在實(shí)際整機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài),調(diào)試工作模式是T/R組件在實(shí)驗(yàn)室中調(diào)試和快速測(cè)試自身指標(biāo)的狀態(tài)。

FPGA通過(guò)一個(gè)IO口電平進(jìn)行模式識(shí)別,高電平為工作模式,低電平為調(diào)試模式。在工作模式下,編碼數(shù)據(jù)通過(guò)422差分接口傳遞給FPGA,FPGA解碼出控制字,根據(jù)數(shù)據(jù)里的通道信息,選擇相應(yīng)的DATAx通道定向發(fā)送。同時(shí)產(chǎn)生CLK時(shí)鐘和鎖存LOAD信號(hào)給T/R組件完成衰減移相功能,產(chǎn)生T、R脈沖信號(hào)控制組件的收發(fā)轉(zhuǎn)換功能。FPGA從SDA和SCL引腳,通過(guò)I2C通信模式讀取溫度和功率數(shù)據(jù),再編碼發(fā)送回整機(jī)作處理[4-5]。在調(diào)試工作模式下,計(jì)算機(jī)直接向FPGA的普通IO口發(fā)送CLK,DATA,LOAD數(shù)據(jù),并配合SEL0/SEL1做2～4譯碼選通DATAx通道,使FPGA轉(zhuǎn)發(fā)給T/R通道進(jìn)行控制,來(lái)完成移相和衰減控制。

圖5 波控電路與T/R組件連接圖

2 技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)

本組件的技術(shù)難點(diǎn)在于尺寸小、功能復(fù)雜,使用的電源數(shù)量少,更適用于雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上解決了該組件射頻輸入輸出和加電端口在組件同一側(cè)的要求,更好地滿足了工程需要,且該組件也可在連續(xù)波下工作。

2.1 組件的功能復(fù)雜性

該X波段T/R組件是功能較為復(fù)雜的收發(fā)組件,其包含了波控電路和電源電路。波控子板在T/R組件正常工作時(shí)可與整機(jī)按照約定的協(xié)議進(jìn)行編碼和解碼數(shù)據(jù)通信,其與外界整機(jī)數(shù)據(jù)通信采用傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)的422差分電平的工作方式。電源電路提供了組件波控和微波部分工作所需的3.3 V、8.5 V和-5 V電壓,整個(gè)組件對(duì)外端口只需30 V和5 V的電壓,所需的電源數(shù)量少,適合工程需要。

2.2 組件特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為便于應(yīng)用,滿足工程需求,組件在設(shè)計(jì)時(shí)將射頻輸入和輸出端口、低頻加電和控制端口放在了同一側(cè)。對(duì)于微波傳輸,帶線在組件內(nèi)傳輸路徑復(fù)雜,考慮到串?dāng)_、連接等問(wèn)題,組件公共部分和通道間采用分腔設(shè)計(jì),避免了相互之間的串?dāng)_。低頻控制和電源接頭與電源電路和波控電路分布在組件的兩側(cè),將插座接口引入到電路板上是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。本組件設(shè)計(jì)將盒體設(shè)計(jì)成上下兩個(gè)平行層面,下層保證組件的基本功能,上層裝配多層電路板,用來(lái)傳輸電源和控制信號(hào)。由于傳輸線多為平行線,為保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)無(wú)串?dāng)_而影響移相和衰減精度,在傳輸線間設(shè)計(jì)有大量的屏蔽線,保證信號(hào)能夠完整正確地進(jìn)行傳輸。

圖6 盒體外形

2.3 裝配問(wèn)題

本組件裸芯片86只,2 000余根鍵合絲,電路結(jié)構(gòu)和裝配工藝復(fù)雜。如何裝配數(shù)量如此之多的芯片,如何將3塊多層電路板不同溫度梯度裝配進(jìn)盒體,且要求散熱良好,成為工藝設(shè)計(jì)難題。根據(jù)多年研制T/R組件的經(jīng)驗(yàn),采用多種工藝相結(jié)合的方式,用4種溫度梯度的燒焊和2種溫度的粘接工藝[6-7],通過(guò)合理設(shè)置工藝流程,成功解決了86只芯片的裝配問(wèn)題,成品率達(dá)到100%。

2.4 功率監(jiān)測(cè)和溫度檢測(cè)功能

本組件設(shè)計(jì)有功率監(jiān)測(cè)和溫度檢測(cè)電路,通過(guò)波控子板控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器通過(guò)I2C總線通信的方式完成。功率監(jiān)測(cè)通過(guò)功率耦合、檢波電路和電壓比較器,設(shè)定合適的閾值,來(lái)監(jiān)測(cè)功率是否正常輸出。溫度監(jiān)測(cè)電路使用數(shù)字溫度傳感器件,精度較高。

3 研制結(jié)果

X波段T/R組件尺寸為130 mm×61.8 mm×8.9 mm,

重量<200 g。該T/R組件帶內(nèi)功率可達(dá)10 W,可連續(xù)波工作,整體效率≥20%,6位移相,5位衰減,噪聲系數(shù)≤4 dB。

圖7 產(chǎn)品外型結(jié)構(gòu)圖

如圖8所示,組件4個(gè)通道的接收增益均在25 dB以上,寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較好的帶內(nèi)平坦度和通道間一致性。發(fā)射功率>10 W,一致性<1.5 dB。

圖8 產(chǎn)品增益和功率測(cè)試曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種復(fù)雜功能和結(jié)構(gòu)的X波段T/R組件。通過(guò)對(duì)T/R組件的微波電路、DC/DC電源電路和波控電路的分析,結(jié)合組件自身的結(jié)構(gòu)和工藝裝配等的特點(diǎn),闡述了技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵之處。X波段T/R組件有完善的工藝措施來(lái)保證,性能好、重量輕、可靠性高。該T/R組件在電性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)方面都已經(jīng)過(guò)測(cè)試,達(dá)到了總體技術(shù)要求。T/R組件在小尺寸空間里實(shí)現(xiàn)功能多元化是雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展需求,該組件的研制對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展起到了一定的推動(dòng)作用[8]。

[1] 廖原,王潔,張娟.小型化X波段雙通道T/R組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技,2014,27(4):66-68.

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Design of A X-band Broadband T/R Module

HAO Jinzhong,ZHANG Yu

(5th Professional Section,13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050051,China)

The implementation of an X-band four-channel broadband T/R module is given.It includes the microwave circuit,DC/DC power,and the functions of beam control,power failure detection and temperature measurement in a small-size module.Structurally,the input port,output port and power port are all on the same side.The paper analyzes and expatiates the complicated function and special structure of the module and the assembly process problem it brings.An X-band broadband T/R module whose performance meets the indicators has been manufactured.This module has the advantages of good performance,light weight,and high reliability due to the delicate techniques.Tests show that it meets the indicators of electric and structural properties and is technically satisfying.

T/R module;X-band;DC/DC power;beam control;special structures

2014- 11- 25

郝金中(1974—),男,碩士,高級(jí)工程師。研究方向:T/R組件,毫米波微波組件。E-mail:haojinzhong@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.034

TN958.92

A

1007-7820(2015)04-128-04