T/R組件相位特性研究

，

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

有源相控陣?yán)走_(dá)因波束指向、波束形狀可快速變化、可實時形成所需波束形狀、實現(xiàn)巨大輻射功率的合成空間，具有同時執(zhí)行對空搜索、跟蹤和識別數(shù)百批目標(biāo)的多任務(wù)功能，具有極高的數(shù)據(jù)更新率、極短的反應(yīng)時間等優(yōu)點，已成為國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和新一代戰(zhàn)機(jī)等軍事領(lǐng)域關(guān)注的焦點，得到各個國家和組織的關(guān)注和重視，并競相投入巨資研制和開發(fā)。為了提高測距精度和距離分辨率, 要求信號具有大的帶寬，為了提高雷達(dá)的探測距離和威力，在設(shè)備峰值功率受限的情況下，要求信號具有大的時寬，這就要求雷達(dá)信號具有大的時寬帶寬乘積。脈沖壓縮雷達(dá)可以通過脈沖壓縮技術(shù)實現(xiàn)大時寬帶寬乘積信號，不需要高能量窄脈沖所需的高峰值功率，就可以實現(xiàn)寬脈沖的能量和窄脈沖的分辨率[1]。脈沖壓縮要求系統(tǒng)相位有較好的線性特性，若信號產(chǎn)生相位非線性失真，則在脈沖壓縮處理后將產(chǎn)生成對回波脈沖，在相位非線性失真比較大的情況下，這些脈沖出現(xiàn)交疊，則類似于在脈沖壓縮處理后脈壓后脈沖的副瓣電平升高，出現(xiàn)脈沖展寬的現(xiàn)象，從而降低雷達(dá)探測的距離分辨率[2]。T/R組件作為脈沖壓縮雷達(dá)的核心部件，其相位非線性度對脈沖壓縮性能至關(guān)重要，決定了脈沖壓縮的效果和雷達(dá)探測的距離分辨率。

GaAs場效應(yīng)晶體管大信號模型被提出[3]，也有相關(guān)文獻(xiàn)從放大器設(shè)計的角度提出了相位畸變的原理[4-5]。本文從T/R組件設(shè)計出發(fā)，提出了一個簡化的GaAs功率管模型，從非線性器件、多級放大器耦合效應(yīng)、組件的腔體效應(yīng)、封蓋效應(yīng)四個方面分析了T/R組件的相位特性。并從這4個方面出發(fā)，提出了優(yōu)化T/R組件相位特性的方法。文中以一個X波段T/R組件為設(shè)計實例，對文中所提優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計驗證。

1 相位非線性失真定義

對于一個傳輸系統(tǒng)，設(shè)其傳輸函數(shù)為

H(jω)=|H(jω)|ejφ(ω)

(1)

群時延：

(2)

若系統(tǒng)的相移特性為線性，則該系統(tǒng)對信號所有頻率的分量具有固定的時延，td為一個與頻率無關(guān)的常數(shù)，則φ(ω)是一個斜率為td的一條直線；若系統(tǒng)為非線性，td為與頻率有關(guān)的函數(shù)，則信號各個頻率的分量將受到不同的延遲導(dǎo)致相位失真，φ(ω)不再是一條直線，即產(chǎn)生了相位非線性失真。

系統(tǒng)相位與頻率的關(guān)系如圖1所示。用一條斜率恒定的直線擬合非線性系統(tǒng)的相位，非線性系統(tǒng)相位曲線與所擬合直線的差值曲線為相位線性度曲線，曲線的峰峰值大小即為系統(tǒng)的相位非線性誤差，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)相位與頻率的關(guān)系

圖2 相位非線性誤差定義

T/R組件的相位優(yōu)化的目標(biāo)是減小其相位非線性誤差，優(yōu)化其相位線性度。

2 引起相位非線性失真的原因

2.1 放大鏈路非線性器件

T/R組件接收鏈路中，采用低噪聲放大器對接收信號進(jìn)行低噪聲放大。低噪聲放大器工作在線性放大區(qū)，相位線性度較好，相位失真小。發(fā)射高功率放大鏈路通常由驅(qū)動放大器和末級功率放大器組成。驅(qū)動放大器輸出功率較低，作為推動末級高功率放大器的前級器件，通常工作在器件的線性區(qū)域，相位失真小。末級功率放大器通常都工作在器件的飽和區(qū)，以獲得更大的輸出功率和更高的效率。提高效率的負(fù)面影響就是給系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的相位非線性失真，導(dǎo)致了系統(tǒng)相位的劇烈變化，從而導(dǎo)致了T/R組件發(fā)射相位非線性的產(chǎn)生。

放大器的場效應(yīng)晶體管為非線性器件，是導(dǎo)致放大器相位失真的主要原因。為了分析場效應(yīng)晶體管的相位失真特性，本文對傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管大信號非線性模型進(jìn)行了簡化，忽略值較小的漏極和柵極間的反饋電容Cgd和反饋電導(dǎo)Ggd，簡化后場效應(yīng)晶體管的等效電路如圖3所示。等效電路中含有4個非線性元件：柵源電容Cgs，柵源電導(dǎo)Ggs，漏源電導(dǎo)Gds，漏柵電導(dǎo)Gdg。在T/R組件中，場效應(yīng)晶體管通常工作在近飽和區(qū)，Gds和Cgs是導(dǎo)致放大器相位失真的主要原因。

圖3 共源極場效應(yīng)晶體管簡化等效電路模型

從圖3中可以得到S21的相位：

arg(S21)=π-tan-1·

(3)

分別對Gds和Cgs進(jìn)行求導(dǎo)可得

(4)

改變Gds和Cgs的大小將會影響S21的相位特性。從式(4)中可知，Gds的增加會導(dǎo)致S21的相位的超前，Cgs的增加會導(dǎo)致S21的相位的滯后。

2.2 多級放大器間的耦合效應(yīng)

T/R組件發(fā)射鏈路設(shè)計時，通常會采用多級放大器級聯(lián)的方式，通過驅(qū)動放大器推動末級功率放大器，以保證較大的功率輸出。驅(qū)動放大器與末級功率放大器間的耦合效應(yīng)隨著其物理間距的減小而增大。特別是在一個密閉的腔體空間內(nèi)，耦合效應(yīng)會給T/R組件的相位特性帶來較大的影響。

2.3 腔體效應(yīng)

T/R組件是一個密封的腔體，當(dāng)腔體的諧振模式落在工作頻帶內(nèi)并且Q值較高時，腔體的諧振效應(yīng)會影響組件相位的線性特性。

2.4 封蓋效應(yīng)

T/R組件封蓋的平整度會影響腔體的實際結(jié)構(gòu)，改變腔體的諧振模式和Q值大小，進(jìn)而引起T/R組件的相位特性的變化。

3 相位優(yōu)化方法及設(shè)計實例

本文設(shè)計了一個如圖4所示X波段雙通道T/R組件，對第2節(jié)中所分析的T/R組件相位失真的原因進(jìn)行設(shè)計驗證，并以這4個原因為出發(fā)點，相應(yīng)提出了優(yōu)化T/R組件相位特性的方法。

圖4 X波段雙通道T/R組件

由式(4)可知，Gds的增加會導(dǎo)致S21的相位的超前，Cgs的增加會導(dǎo)致S21的相位的滯后。為了減小功率放大器對T/R組件相位失真的影響，可以通過改變放大器的直流偏置來改變Gds和Cgs的大小，優(yōu)化T/R組件相位特性。

末級功率放大器輸入輸出理想匹配時，相位線性特性與設(shè)計值相符。若放大器輸出端電路阻抗與功率放大器芯片不能完全匹配，則會影響放大器芯片的工作點，并會引起信號的反射，從而造成T/R組件相位線性度變差。因此，功率放大器的輸出匹配對信號的相位特性也有較大的影響，改善放大器的輸出匹配，也可以減小T/R組件的相位失真。

3.1 改變柵源電壓

設(shè)計的T/R組件采用源極接地的共源極放大器，改變柵極電壓，柵源電壓Vgs會隨之改變。Vgs的增加會導(dǎo)致Cgs的增加，從而導(dǎo)致相位滯后。圖5為Vgs分別為-0.5，-0.6 和-0.7 V時T/R組件的相位非線性特性。從圖中可以看出，隨著柵壓的減小，T/R組件的相位線性度變好。但是，柵壓的減小會導(dǎo)致T/R組件的工作效率降低，超過一定范圍則會影響組件的穩(wěn)定性。在實際使用柵壓調(diào)節(jié)相位非線性特性時，需要綜合考慮非線性度、效率和穩(wěn)定性等綜合因素，選擇一個最優(yōu)值。

圖5 T/R組件相位非線性度隨柵源電壓Vgs的變化

3.2 優(yōu)化末級功率放大器輸出匹配

T/R組件放大器芯片通過金絲與外圍電路互連，在高頻組件中，互連金絲會引入電感特性，從而影響放大器的匹配。可以通過增加調(diào)試電容的方式，抵消電感對放大器輸出匹配的影響。在設(shè)計的X波段T/R組件的末級功率放大器輸出端加匹配調(diào)試塊進(jìn)行輸出匹配調(diào)試，如圖6所示。圖7中列出了增加調(diào)試塊前后T/R組件相位非線性度，從圖中可以看出，加了匹配調(diào)試塊后組件的發(fā)射相位非線性度有了一定的改善。

圖6 含有電容調(diào)試塊的傳輸線

圖7 調(diào)節(jié)功率放大器輸出匹配對T/R組件發(fā)射相位非線性度的影響

3.3 減小多級放大器間耦合效應(yīng)

圖8 改進(jìn)前后驅(qū)動放大器與末級功率放大器位置圖

從第2節(jié)可知，高功率放大器，前級為驅(qū)動放大器，兩級放大器間空間距離太近會形成級間耦合。特別是因匹配不好存在信號發(fā)射以及腔體諧振等情況時，多級放大器間的耦合效應(yīng)會對T/R組件的相位非線性產(chǎn)生更加明顯的影響。圖8為改進(jìn)前后驅(qū)動放大器與功率放大器位置圖。圖9為改進(jìn)前后T/R組件相位非線性測試結(jié)果。從圖中可以看出，增加驅(qū)動放大器與功率放大器的物理間距，減小多級放大器間的耦合效應(yīng)，可以優(yōu)化T/R組件的相位特性。

圖9 驅(qū)動放大器不同位置時T/R組件的相位非線性特性

3.4 優(yōu)化腔體結(jié)構(gòu)

如圖10所示，在HFSS中對T/R組件腔體進(jìn)行建模仿真，得到其諧振模式如表1所示。從表1可以看出，T/R組件在X波段范圍內(nèi)有3個諧振模式，且Q值較大。腔體諧振會影響諧振點附近信號的傳播，諧振信號會與該頻率附近傳輸放大信號進(jìn)行疊加，從而影響發(fā)射信號的相位線性度。通常情況下，組件的外形尺寸是固定的。為了改善腔體的諧振模式，如圖11所示，增加腔體隔金的厚度。增加隔金厚度后新腔體的諧振模式如表2所示，新腔體在X波段內(nèi)諧振模式減少且Q值較原諧振模式低。圖12為兩種不同腔體結(jié)構(gòu)對T/R組件相位線性度影響，從圖中可以看出，隨著腔體在工作頻帶內(nèi)諧振模式的減少和Q值的降低，T/R組件的相位線性特性得到了改善。

圖10 T/R組件腔體模型

表1 T/R組件腔體本征模

續(xù)表

圖11 增加腔體隔金厚度的新腔體模型

表2 增加隔金厚度后新腔體的諧振模式

圖12 不同腔體結(jié)構(gòu)對T/R組件相位線性度的影響

3.5 減小封蓋效應(yīng)影響

封蓋的平整度會影響腔體的實際結(jié)構(gòu)和諧振模式，從而影響組件的電性能。文中設(shè)計實例對T/R組件進(jìn)行激光封蓋。第一次封蓋后，測得組件相位非線性誤差大于封蓋前測試結(jié)果。檢查發(fā)現(xiàn)蓋板不平整，導(dǎo)致腔體構(gòu)型改變，影響組件發(fā)射相位非線性。將組件蓋板拆開后進(jìn)行重新封蓋，保證蓋板平整，測得組件相位非線性誤差封蓋前測試結(jié)果基本一致。封蓋對組件發(fā)射相位非線性影響如圖13所示。從圖13可以看出，保證封蓋平整度可以避免因封蓋引起的腔體改變導(dǎo)致組件相位線性度的惡化。

圖13 封蓋對T/R組件發(fā)射相位非線性的影響

本設(shè)計中，依照文中提到的4種優(yōu)化方法對雙通道T/R組件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。對改進(jìn)后的雙通道T/R組件進(jìn)行測試，從圖14可以看出，改進(jìn)后組件兩個通道的相位線性度與改進(jìn)前相比都有顯著提高，從改進(jìn)前的27°優(yōu)化到10°以內(nèi)。

圖14 T/R組件改進(jìn)前后發(fā)射相位非線性對比

4 結(jié)束語

本文從4個方面對T/R組件相位失真產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，相應(yīng)地提出了優(yōu)化T/R相位特性的方法。設(shè)計制造了一個X波段雙通道T/R組件，對文中所提優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計驗證。從測試結(jié)果可以看出，優(yōu)化后T/R組件的相位線性度有了17°的改善。本文所提優(yōu)化方法切實有效，為T/R組件相位非線性優(yōu)化具有很好的指導(dǎo)意義。

[1] 張正鴻. 基于中頻模板信號的脈沖壓縮性能分析[J]. 電子信息對抗技術(shù), 2008, 23(2):26-30.

[2] SKOLNIK M I. 雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M]. 3版. 左群聲,徐國良,馬林,等譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2014:253-257.

[3] GLOCK S, RASCHER J, SOGL B, et al. A Memoryless Semi-Physical Power Amplifier Behavioral Model Based on the Correlation Between AM-AM and AM-PM Distortions[J]. IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques, 2015, 63(6):1826-1835.

[4] MOON K, CHO Y, KIM J, et al. Investigation of Intermodulation Distortion of Envelope Tracking Power Amplifier for Linearity Improvement[J]. IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques, 2015, 63(4):1324-1333.

[5] BAEK S, AHN H, NAM I, et al. A Linear InGap/ GaAs HBT Power Amplifier Using Parallel-Combined Transistors with IMD3 Cancellation[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2016, 26(11):921-923.