小型化超寬帶四通道T/R組件的研制

王 潔 崔 敏 周海進(jìn)

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展，有源相控陣?yán)走_(dá)要在多目標(biāo)、多功能情況下完成許多新的任務(wù)，寬帶信號(hào)具有提高距離分辨率，提高測(cè)距精度，提高信號(hào)/干擾比等諸多優(yōu)越性能，使寬帶有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)成為有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的重要發(fā)展方向。無(wú)論在技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)難度、還是在開發(fā)費(fèi)用上，寬帶T/R組件都是寬帶有源相控陣?yán)走_(dá)的核心。因此，針對(duì)多功能、小型化和高可靠性的寬帶T/R組件研制變得非常重要[1]。

本文介紹了一種小型化超寬帶四通道T/R組件，頻率6GHz～18GHz，應(yīng)用于電子對(duì)抗領(lǐng)域的有源相控陣?yán)走_(dá)?；贛CM多芯片微組裝技術(shù)，采用微波多層混壓板，集成4個(gè)T/R通道，實(shí)現(xiàn)組件超寬帶工作。

1 T/R組件技術(shù)要求

小型化超寬帶四通道T/R組件主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：

頻率：6GHz～18GHz；

發(fā)射單通道飽和輸出功率：≥4W；

接收單通道線性增益：≥17dB；

接收噪聲系數(shù)：≤5dB；

移相精度(RMS)：≤8°；

衰減精度(RMS)：≤1.5dB。

2 T/R組件設(shè)計(jì)分析

2.1 工作原理

小型化超寬帶四通道T/R組件的主要功能組成包括前級(jí)放大單元、一分四功分合成網(wǎng)絡(luò)、四個(gè)收發(fā)通道和電源控制驅(qū)動(dòng)電路等。每個(gè)收發(fā)通道包含移相多功能、衰減多功能、均衡器、驅(qū)動(dòng)放大器、功率放大器、大功率開關(guān)、固定衰減器、限幅器、低噪聲放大器等功能器件。電源控制驅(qū)動(dòng)電路包括穩(wěn)壓器、電源調(diào)制器和溫度傳感器等。其原理框圖如圖1所示。

2.2 T/R組件微波混壓板設(shè)計(jì)

2.2.1 微波混壓板分層構(gòu)造

T/R組件多通道集成首先考慮整板設(shè)計(jì)，把微波傳輸線、邏輯控制線和電源線集成在一塊印制板上，以實(shí)現(xiàn)多通道控制信號(hào)和電源信號(hào)復(fù)用，提高通道間微波傳輸?shù)囊恢滦?，減小組件體積。常用的微波介質(zhì)材料有LTCC，其介質(zhì)損耗小，加工精度高，電路設(shè)計(jì)靈活，但是其制作費(fèi)用高昂，且更適用于面積小、層數(shù)高的使用環(huán)境。本文采用的微波復(fù)合介質(zhì)材料是Rogers 4350b混壓多層FR4，第一層介質(zhì)為4350b傳輸微波信號(hào)，第二、三、四層介質(zhì)為FR4傳輸控制及電源信號(hào)。該微波多層混壓板基材價(jià)格較低，加工精度高，且經(jīng)仿真驗(yàn)證在6GHz～18GHz工作頻率內(nèi)傳輸性能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

微波多層混壓板頂層用于微波信號(hào)傳輸和放置元器件，第二層為微帶地層。中間層用于傳輸控制信號(hào)和電源信號(hào)，同時(shí)用大面積地層隔離信號(hào)層和電源層。通過(guò)仿真和合理布局，將它們組合在同一個(gè)三維微波傳輸結(jié)構(gòu)中[2]，布線時(shí)采用共面波導(dǎo)和大面積地孔，改善T/R組件中各個(gè)通道之間、發(fā)射支路和接收支路之間的隔離度；考慮大電流信號(hào)走線的壓降和復(fù)雜數(shù)字信號(hào)之間的隔離；板邊金屬包邊，保證整個(gè)混壓板的信號(hào)屏蔽與電磁兼容性，同時(shí)使混壓板在燒結(jié)時(shí)接地效果更好。圖2為微波多層混壓板的分層構(gòu)造圖。

2.2.2 混壓板微波電路設(shè)計(jì)

1)微波接地設(shè)計(jì)

微波多層混壓板中的微帶線地層不在基板背面，而是位于第二層，因此，與一般微帶線不同，該微帶線地實(shí)際上已不是理想的傳輸線地，傳輸線的傳輸模式發(fā)生了改變，且在高頻率上易出現(xiàn)高次模式。為提高性能、擴(kuò)展應(yīng)用頻率，可以利用在微帶結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置設(shè)置接地盲孔和共面波導(dǎo)過(guò)渡來(lái)優(yōu)化傳輸線接地[3]，提高微帶線的傳輸性能。

混壓板上4350b介質(zhì)厚度0.254mm，50Ω線寬0.54mm，地孔內(nèi)徑0.25mm，整板厚度1.2mm。建模仿真得到，共面波導(dǎo)形式傳輸線兩側(cè)地與傳輸線間距0.7mm，靠近傳輸線的地孔中心間距0.6mm，在6GHz～18GHz全頻帶內(nèi)損耗小于-0.17dB，駐波小于1.11，如圖3所示。若有空間可放置兩排地孔，第二排孔與第一排孔間距0.45mm，且錯(cuò)位排列。在6GHz～18GHz全頻帶內(nèi)損耗小于-0.165dB，駐波小于1.09，如圖4所示。可以得到在整板布局中，傳輸線兩側(cè)應(yīng)盡可能多的放置地孔。

2)T結(jié)過(guò)渡

T/R組件中大部分微波芯片均裝配在混壓板表面，芯片常規(guī)厚度0.1mm，這樣的高度差，會(huì)使傳輸線金絲鍵合的長(zhǎng)度增加，帶來(lái)金絲引入的感性，使端口失配。如圖5所示，建模仿真在6GHz～18GHz全頻帶內(nèi)損耗小于-0.1dB，駐波小于1.24。在傳輸線端口加入T結(jié)微帶線[4]，T結(jié)可等效為L(zhǎng)C匹配，有效改善端口駐波。建模仿真，得到T結(jié)w=1mm，h=0.3mm時(shí)，在6GHz～18GHz全頻帶內(nèi)損耗小于-0.06dB，駐波小于1.06，如圖6所示。

3)空氣過(guò)渡

微帶線的導(dǎo)帶上半部分是空氣，下半部分是介質(zhì)，在結(jié)構(gòu)上的不均勻性使微帶線不能傳輸純TEM波。在高頻率或?qū)掝l帶場(chǎng)合時(shí)，需考慮縱向場(chǎng)的分量，可在同軸連接器轉(zhuǎn)換成微帶線時(shí)，在同軸連接器之后添加一段空氣同軸線，實(shí)現(xiàn)模式的平穩(wěn)過(guò)渡，并減小同軸傳輸部分暴露在腔體中的面積，提高寬帶傳輸性能。同軸連接器SMP的導(dǎo)體直徑d=0.39mm，建模仿真，得到r1=1mm，h1=0.15mm，r2=0.45mm，h2=0.8mm時(shí)，在6GHz～18GHz全頻帶內(nèi)損耗小于-0.018dB，駐波小于1.1，如圖7所示。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合理的金屬分腔對(duì)提高信號(hào)的隔離度和遠(yuǎn)離諧振頻率有決定性作用，混壓板旨在便于整板走線和一體化設(shè)計(jì)，分板、分腔必然降低其優(yōu)越性。故本文采用了混壓板上安裝異形隔墻的方式來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由殼體墻定位通道寬度，把散熱要求較高的功率放大器和大功率開關(guān)燒結(jié)在殼體墻分腔區(qū)域內(nèi)。異形隔墻用螺釘安裝在微波多層混壓板表面，與殼體墻通過(guò)定位槽卡住，保證準(zhǔn)確定位。異形隔墻與殼體墻共同作用使各通道分隔為獨(dú)立的腔體，保證了通道內(nèi)不產(chǎn)生腔體諧振。異形隔墻在各通道微波傳輸線位置開窗，同時(shí)隔離了功分網(wǎng)絡(luò)與電源控制電路，保證了功分網(wǎng)絡(luò)的腔體性能，如圖8所示。安裝異形壓塊位置的微波多層混壓板上設(shè)置大面積地孔，使異形壓塊通過(guò)地孔與微帶地、殼體地互連[5]，同時(shí)在板子內(nèi)部實(shí)現(xiàn)通道間信號(hào)的隔離。

異形隔墻通過(guò)螺釘安裝在混壓板表面，組件蓋板通過(guò)螺釘與異形隔墻安裝，此時(shí)若采用φ=1.6mm的螺釘，隔墻厚度至少需要3mm。根據(jù)以往的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，異形隔墻與混壓板和與蓋板之間安裝需無(wú)縫隙，則螺釘需均勻布置且越多越好。但是組件內(nèi)部器件密度很高，隔墻上厚度為3mm的位置非常有限，本文采用上下兩次安裝螺釘?shù)姆椒ń鉀Q了這一難題。先使用φ=1.6mm×5mm的螺釘從殼體底面向上，穿過(guò)混壓板將異形隔墻安裝混壓板表面，再使用φ=1.6mm×4mm的螺釘從蓋板向下，將蓋板固定在異形隔墻和殼體上。異形隔墻上的安裝孔位實(shí)現(xiàn)了復(fù)用，盡可能的增加了安裝螺釘孔的個(gè)數(shù)。在最終調(diào)試完成后，螺釘孔涂抹密封膠，實(shí)現(xiàn)了殼體內(nèi)部密閉。

3 實(shí)物測(cè)試

小型化超寬帶四通道T/R組件尺寸為80mm×37.5mm×10mm，重量小于60g，如圖9。經(jīng)測(cè)試，T/R組件發(fā)射輸出功率大于4W，接收增益大于19dB，噪聲系數(shù)小于4.8dB，如圖10所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

小型化超寬帶四通道T/R組件通過(guò)混壓板分層、接地、隔離等措施，有效避免了多通道集成帶來(lái)的電磁干擾問(wèn)題，各項(xiàng)功能指標(biāo)均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。從測(cè)試結(jié)果可以看出接收增益帶內(nèi)一致性較差，主要是由于每個(gè)器件的安裝精度不一致，級(jí)聯(lián)后在寬帶信號(hào)下偏差就會(huì)累積放大；并且器件手冊(cè)上的輸出曲線與裝配后的狀態(tài)有偏差，帶內(nèi)均衡器的選擇存在優(yōu)化空間。未來(lái)在寬帶組件研制中應(yīng)加強(qiáng)安裝精度和一致性控制，同時(shí)對(duì)關(guān)重器件在前期單獨(dú)測(cè)試，為均衡量控制提供實(shí)測(cè)依據(jù)。目前，該T/R組件已經(jīng)成功試制，電氣性能良好，完成小批量生產(chǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。