一種可實(shí)現(xiàn)天線極化切換功能的S 波段前端組件設(shè)計(jì)

周海進(jìn) 王嘉煜 康 穎

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

近年來，雷達(dá)技術(shù)研究取得了巨大的進(jìn)步，不同體制、不同功能任務(wù)類型的雷達(dá)層出不窮。但無論其組成架構(gòu)、工作體制如何變化，增強(qiáng)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)信息的獲取、識(shí)別能力和在復(fù)雜環(huán)境下的工作、生存能力一直是業(yè)界工作者追求的兩大主題。通常情況下，雷達(dá)大多是從回波信號(hào)的頻率、幅度、相位等參量中提取目標(biāo)相關(guān)信息，隨著人們對(duì)電磁波極化參量的認(rèn)識(shí)愈發(fā)成熟，現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)于探測信號(hào)極化信息的利用獲得了越來越廣泛的關(guān)注[1]。

在雷達(dá)射頻前端硬件設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)電磁波信號(hào)以不同的極化形式輻射或者接收有兩種基本方式：一是單一極化天線單元與有源收發(fā)前端一一對(duì)應(yīng)，此方式可以實(shí)現(xiàn)不同極化電磁波信號(hào)同時(shí)發(fā)射或者接收，但有源部分成本代價(jià)較大；二是每對(duì)極化正交天線單元共用一個(gè)有源收發(fā)前端，輸出端口通過大功率射頻單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同極化輻射端口間的切換，此方式成本相對(duì)低廉，但不同極化的電磁波信號(hào)需分時(shí)發(fā)射或者接收。在大型相控陣系統(tǒng)中，收發(fā)前端通道的數(shù)量較多，考慮雷達(dá)硬件成本控制因素，選用第二種方式更為可行，此時(shí)設(shè)計(jì)一款輸出對(duì)應(yīng)一對(duì)極化正交天線且具備極化切換功能的收發(fā)組件就顯得非常必要。

1 組成

本文介紹的可實(shí)現(xiàn)天線極化切換功能的S波段有源前端組成框圖如圖1所示。其中收發(fā)組件部分(虛線框內(nèi))主要包括：

1)發(fā)射鏈路，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率綜合器送入射頻小信號(hào)的功率放大功能；

2)接收鏈路，主要完成對(duì)天線接收回波信號(hào)的放大；

3)環(huán)形濾波組件，主要完成射頻信號(hào)收發(fā)轉(zhuǎn)換和對(duì)帶外干擾信號(hào)及功率器件非線性效應(yīng)產(chǎn)生的無用信號(hào)的抑制功能；

4)大功率射頻單刀雙擲開關(guān)，主要完成收發(fā)組件與外部極化正交輻射天線的連接和極化切換功能；

5)電源調(diào)制電路，主要實(shí)現(xiàn)收發(fā)鏈路上、下電控制，同時(shí)具備模塊高溫保護(hù)及大功率開關(guān)上電時(shí)序保護(hù)功能。前端組件模塊采用多層微波數(shù)字混壓PCB技術(shù)實(shí)現(xiàn)，減小了的體積，提高設(shè)計(jì)集成度和可靠性[2-5]。

2 組件電氣設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)

以中等功率收發(fā)組件設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)驗(yàn)證目標(biāo)設(shè)定為：發(fā)射通道兩端口發(fā)射功率增益均大于48dB，飽和輸出均大于51dBm，二次諧波抑制均小于-60dBc，效率均大于35%(發(fā)射占空比不小于10%)，接收通道噪聲系數(shù)不大于3dB。考慮到S波段功率放大器件增益和效率水平現(xiàn)狀，我們選用三級(jí)放大器級(jí)聯(lián)放大方案，其中第一級(jí)為GaAs器件，后兩級(jí)均為高效率GaN器件；考慮到功率放大器件飽和放大時(shí)由于非線性效應(yīng)對(duì)輸出諧波信號(hào)帶來的影響，我們在環(huán)形器與極化切換開關(guān)中間添加腔體帶通濾波器以滿足組件帶外抑制指標(biāo)要求；單通道組件完成功率飽和放大后通過單刀雙擲開關(guān)輸出對(duì)應(yīng)一對(duì)極化正交天線，因此所選擇的開關(guān)既要可承受大功率傳輸，同時(shí)插入損耗也須盡量小以免影響發(fā)射效率和接收噪聲系數(shù)。本設(shè)計(jì)中，選用的開關(guān)主要指標(biāo)為：

1)工作頻段：S波段；

2)插入損耗：≤0.4dB；

3)峰值承受功率：≥200W；

4)端口駐波：≤1.3；

5)路間隔離：≥30dB；

6)相位一致性：≤±5°；

7)切換響應(yīng)時(shí)間：<1μs，滿足組件的研制要求。

發(fā)射通道的硬件組成、鏈路功率及各級(jí)增益指標(biāo)分配如圖2所示：可以看出，輸入射頻信號(hào)約3dBm，經(jīng)過小信號(hào)收發(fā)切換開關(guān)(插入損耗約2dB)輸出功率1dBm到高增益預(yù)驅(qū)動(dòng)放大器(HGA)，預(yù)驅(qū)動(dòng)放大器放大(飽和增益約21dB)后輸出功率22dBm，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大器(DRA，飽和增益約19dB)放大輸出41dBm，經(jīng)級(jí)間隔離器(插入損耗約0.5dB)到末級(jí)高效率放大器(HPA)，經(jīng)末級(jí)放大器(功率增益約12dB)放大輸出功率約52.5dBm，經(jīng)環(huán)形器(插入損耗約0.3dB)、腔體帶通濾波器(插入損耗約0.3dB)、大功率切換開關(guān)(插入損耗0.4dB)輸出51.5dBm至極化正交天線?？紤]高溫及批量器件指標(biāo)離散，組件輸出功率滿足大于51dBm的設(shè)計(jì)要求。

組件效率定義為模塊輸出功率與總耗散功率的比值，計(jì)算公式為：

(1)

其中：Pdiss為各級(jí)放大器漏極耗散功率與控制電路、柵極供電電路功耗之和。根據(jù)廠家提供的測試數(shù)據(jù)，在10% 占空比條件下，預(yù)推動(dòng)放大器工作電壓為+8V，連續(xù)波工作電流為200mA；推動(dòng)級(jí)放大器漏極工作電壓+28V，飽和輸出時(shí)漏極效率典型值為40%；末級(jí)放大器漏極工作電壓+28V，飽和輸出時(shí)漏極效率典型值為58%?？刂齐娐放c柵極供電電路總功耗根據(jù)實(shí)測評(píng)估結(jié)果大約為3W左右。結(jié)合圖2鏈路指標(biāo)分解，計(jì)算組件總耗散功率為：

Pdiss=(8V*0.2A+12.5W/0.4+177.8W/0.58)*10% + 3W = 36.9W；

(2)

因此，組件估算效率η= 141W*0.1 /36.9W = 38.2%，符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 接收鏈路設(shè)計(jì)

在接收鏈路設(shè)計(jì)中，噪聲系數(shù)是表征其特性的一個(gè)關(guān)鍵因素。如圖1所示，接收通道主要由極化切換開關(guān)、腔體濾波器、環(huán)行器、限幅低噪放、收發(fā)切換開關(guān)級(jí)聯(lián)構(gòu)成。對(duì)于多級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)來講，假設(shè)各級(jí)增益分別為G1，G2，G3；各級(jí)噪聲系數(shù)為NF1，NF2，NF3；則通道總的噪聲系數(shù)計(jì)算公式為[6]：

(3)

在本收發(fā)前端組件設(shè)計(jì)中，限幅低噪放之前無源器件插入損耗約為1dB,選取的低噪聲放大器增益為28dB，噪聲系數(shù)小于1.6dB，低噪放之后傳輸線、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)插入損耗2.5dB，將各值代入公式(3)計(jì)算可得接收通道噪聲系數(shù)NF=2.6dB。

2.3 電源調(diào)制電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，大功率射頻單刀雙擲開關(guān)的引入實(shí)現(xiàn)了單通道組件對(duì)應(yīng)一對(duì)極化正交天線的功能，降低了雷達(dá)硬件的實(shí)現(xiàn)成本，但同時(shí)也要求其具備可承受大功率，插入損耗小，響應(yīng)速度快的特性，結(jié)合當(dāng)前可供選擇的開關(guān)類型，選用基于PIN二極管實(shí)現(xiàn)的開關(guān)更為合適，不足之處在于此種類型開關(guān)要求在大功率射頻信號(hào)輸入之前必須已經(jīng)處于正常上電狀態(tài)，以提高開關(guān)工作的可靠性。為了解決這一問題，我們在傳統(tǒng)GaN功率器件漏極調(diào)制電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過增加比較電路和與門邏輯判斷電路的方式，將大功率單刀雙擲開關(guān)工作電壓的上電時(shí)序添加設(shè)置為判斷漏極調(diào)制電路外部控制信號(hào)通斷與否的關(guān)鍵要素，設(shè)計(jì)了一種新的具有大功率開關(guān)工作電壓上電時(shí)序保護(hù)功能的漏極調(diào)制電路，確保只在大功率單刀雙擲開關(guān)處于正常上電狀態(tài)下漏極調(diào)制電路才會(huì)正常開啟輸出，進(jìn)而對(duì)送入GaN器件的射頻信號(hào)進(jìn)行飽和功率放大。

表1 電路元器件參數(shù)與類型(發(fā)射測試占空比：10%)

新型漏極調(diào)制電路原理圖如圖3所示,+3.3V和-60V為大功率射頻單刀雙擲開關(guān)工作電壓，T_PULSE為系統(tǒng)送入發(fā)射控制脈沖。由電路邏輯關(guān)系可以看出，只有當(dāng)所有電壓均正常上電、T_PULSE置高電平兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，圖3中的P-MOS管V2源極-柵極間才能產(chǎn)生正向壓差并使其源極-漏極導(dǎo)通，電源輸出電壓+28V方可從P-MOS管的源極傳送至漏極輸出給GaN功率器件，使其處于放大狀態(tài)。圖3中各元器件值如表1所示。

3 實(shí)測結(jié)果

基于前述分析制作了前端組件實(shí)物樣機(jī)，并在發(fā)射占空比10%的條件下對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了常溫指標(biāo)測試[7]。圖4給出了有源前端收發(fā)組件兩個(gè)輸出端口的發(fā)射功率和工作效率實(shí)測曲線，可以看出，在大于15%的相對(duì)工作帶寬范圍內(nèi)，端口輸出功率均大于51dBm,工作效率均大于36%，工作頻段高端效率偏低的原因一是由于末級(jí)GaN器件自身特性所致，二是開關(guān)在大功率工作條件下頻帶高端插入損耗相對(duì)偏大。圖5給出了端口輸出的二次諧波特性曲線，可以看到在整個(gè)工作頻帶內(nèi)均滿足小于-60dBc的設(shè)計(jì)要求。圖6給出了接收通道的噪聲系數(shù)和增益曲線，可以看到在整個(gè)工作頻帶內(nèi)噪聲系數(shù)均低于2.4dB,接收增益在25-26dB之間，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

4 結(jié)束語

文中介紹一種通過添加大功率射頻單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)收發(fā)前端輸出極化切換的方法。詳細(xì)闡述了組件收發(fā)鏈路的設(shè)計(jì)過程，并結(jié)合開關(guān)特性對(duì)功率器件上電控制策略的影響，設(shè)計(jì)了一種新的具有大功率開關(guān)工作電壓上、下電時(shí)序保護(hù)功能的漏極調(diào)制電路。制作了實(shí)物模型并對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了測試，結(jié)果驗(yàn)證了文中提出設(shè)計(jì)方法的正確性和有效性。