相控陣測(cè)控系統(tǒng)瓦式一體化T/R組件設(shè)計(jì)*

李 旭

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

相控陣測(cè)控系統(tǒng)的基本原理是在同一時(shí)刻將不同通道的信號(hào)進(jìn)行幅度、相位加權(quán)，從而達(dá)到信號(hào)在天線遠(yuǎn)場(chǎng)形成波束精確合成指向的功能[1]。實(shí)現(xiàn)不同通道的信號(hào)幅度、相位加權(quán)來進(jìn)行波束合成指向主要有模擬T/R組件合成和數(shù)字T/R組件合成兩種方式，由于數(shù)字加權(quán)合成波束方式速度響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)定性好、波束可擴(kuò)展性強(qiáng)，因此數(shù)字波束合成架構(gòu)對(duì)應(yīng)的數(shù)字T/R組件成為了目前相控陣測(cè)控系統(tǒng)核心部件的主流實(shí)現(xiàn)方式[2-4]。

性能良好的T/R組件設(shè)計(jì)既是相控陣測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，也是相控陣測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心，一個(gè)性能優(yōu)異的相控陣測(cè)控系統(tǒng)必須要有一個(gè)性能可靠、設(shè)計(jì)合理、使用維修方便的T/R組件設(shè)計(jì)來支撐。隨著相控陣測(cè)控系統(tǒng)的集成度越來越高，通道數(shù)越來越多，高集成度一體化數(shù)字T/R組件設(shè)計(jì)也顯得越來越迫切。

數(shù)字T/R組件根據(jù)其集成方式和結(jié)構(gòu)形態(tài)的不同一般可分為縱向集成橫向組裝的磚式T/R組件和橫向集成縱向組裝的瓦式一體化T/R組件兩種形式[5]。傳統(tǒng)的磚式T/R組件是由多個(gè)功能完整的小模塊橫向組裝成一個(gè)子陣級(jí)T/R組件模組，每個(gè)小模塊單獨(dú)完成子陣內(nèi)部分通道T/R組件的信號(hào)處理。傳統(tǒng)磚式T/R組件主要存在尺寸大、功耗高、集成度低、安裝復(fù)雜、散熱效果差和可靠性不高等問題。

為了解決磚式T/R組件存在的一系列問題，目前一般采用瓦式T/R組件解決方案。新型瓦式一體化T/R組件的形態(tài)結(jié)構(gòu)為多層瓦片式層疊結(jié)構(gòu)，每一層瓦片完成整個(gè)子陣所有通道的部分獨(dú)立功能。典型的相控陣測(cè)控系統(tǒng)從天線陣面往后依次分為天線陣元、背板、雙工器、接收模塊、發(fā)射模塊、冷板、多通道預(yù)處理模塊和子陣電源模塊等幾個(gè)部分。

傳統(tǒng)磚式T/R組件和新型瓦式T/R組件的不同結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)特點(diǎn)也決定了它們對(duì)于元器件技術(shù)指標(biāo)要求的不同。相控陣測(cè)控系統(tǒng)中新型瓦式一體化T/R組件由于集成度更高、尺寸更小，帶來的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是系統(tǒng)的收發(fā)隔離設(shè)計(jì)要求更高。除了系統(tǒng)頻譜規(guī)劃上的收發(fā)隔離設(shè)計(jì)外，瓦式一體化T/R組件對(duì)收發(fā)鏈路有源器件的隔離度和線性度要求更高，對(duì)于雙工器、連接器、印制板和腔體結(jié)構(gòu)等無源器件的隔離度和無源互調(diào)性能也提出了更高的要求。

1 新型瓦式一體化T/R組件設(shè)計(jì)

下面以16個(gè)陣元通道規(guī)模的相控陣測(cè)控系統(tǒng)的子陣為例來進(jìn)行T/R組件的設(shè)計(jì)說明。該相控陣測(cè)控系統(tǒng)具備多個(gè)波束左右旋同時(shí)接收和多個(gè)波束左右旋分時(shí)發(fā)射的能力，每個(gè)天線子陣有16個(gè)陣元，32個(gè)旋向的同時(shí)接收處理和16個(gè)旋向的分時(shí)發(fā)射處理能力。單個(gè)子陣級(jí)T/R組件的組成框圖如圖1所示。

圖1 16個(gè)陣元子陣級(jí)T/R組件組成框圖

傳統(tǒng)的磚式T/R組件示意圖如圖 2所示，16個(gè)陣元的子陣級(jí)T/R組件模組由4個(gè)獨(dú)立的T/R組件模塊組成，每個(gè)T/R組件完成4個(gè)陣元(8個(gè)接收通道，4個(gè)發(fā)射通道)的收發(fā)處理。

圖2 磚式T/R組件示意圖

圖2所示的磚式子陣級(jí)T/R組件模組由4個(gè)直插式的磚式T/R組件構(gòu)成，每個(gè)磚式T/R組件先完成4個(gè)陣元通道的信號(hào)收發(fā)、放大、變頻、采樣處理及第一級(jí)的子陣級(jí)的波束合成與處理，再通過分離的高速數(shù)字線纜組件連接到陣面后端進(jìn)行下一級(jí)子陣間更大規(guī)模的數(shù)字波束合成與處理。

新型瓦式一體化T/R組件的形態(tài)結(jié)構(gòu)為多層瓦片式層疊結(jié)構(gòu)，每一層瓦片完成整個(gè)16陣元子陣所有通道的部分獨(dú)立功能。瓦式一體化T/R組件中，天線及雙工器作為無源器件一般會(huì)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)考慮，除子陣電源外其他各個(gè)模塊作為瓦式一體化T/R組件進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)。新型瓦式一體化T/R組件示意圖如圖3所示。

圖3 新型瓦式一體化T/R組件示意圖

1.1 收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

收發(fā)模塊為高性能、高集成度的頻分雙工(Frequency Division Duplexing,FDD)收發(fā)組件，該組件集射頻放大、混頻、本振為一體，一般采用超外差變頻電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在接收方向，接收模塊的射頻前端完成32路左旋和右旋射頻信號(hào)的耦合、低噪聲放大、濾波、模擬下變頻等處理；在發(fā)射方向，發(fā)射模塊的射頻前端完成16路左旋或右旋信號(hào)的模擬濾波、上變頻、功率放大、耦合輸出、極化選擇等處理。為了完成各通道的幅相一致性標(biāo)校，收發(fā)模塊均集成有收發(fā)校準(zhǔn)功能。

由于新型瓦式一體化T/R組件通道集成度高，所以收發(fā)鏈路之間的通道隔離就成了T/R組件設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)注重點(diǎn)。為了降低發(fā)射鏈路對(duì)接收鏈路的干擾，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)射模塊和接收模塊一般分成兩個(gè)獨(dú)立的腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局設(shè)計(jì)。

接收模塊采用多層板設(shè)計(jì)，多層板正面為中頻電路部分，背面為射頻電路部分，布局示意圖如圖4所示。接收模塊部分發(fā)熱量較小，所以在瓦式一體化T/R組件整體層疊設(shè)計(jì)時(shí)接收模塊靠近天線雙工器一側(cè)布局。

圖4 接收模塊布局

發(fā)射模塊也采用多層板設(shè)計(jì)，多層板正面為中頻電路部分，背面為射頻部分，布局示意圖如圖5所示。發(fā)射模塊功放發(fā)熱量大，為了實(shí)現(xiàn)良好的液冷散熱效果，瓦式一體化T/R組件層疊設(shè)計(jì)時(shí)將發(fā)射模塊的末級(jí)功放安裝面直接與液冷板接觸貼合。

圖5 發(fā)射模塊布局

1.2 多通道預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)

多通道預(yù)處理模塊前端通過盲插的接插件與收發(fā)模塊的中頻接口垂直互聯(lián)，完成32路中頻接收信號(hào)的模擬數(shù)字(Analog-Digital,A/D)轉(zhuǎn)換處理，同時(shí)完成16路中頻發(fā)射信號(hào)的數(shù)字模擬(Digital-Analog,D/A)轉(zhuǎn)換處理。接收方向上，采樣完成后的數(shù)字信號(hào)一般通過JESD204B串行高速接口傳輸至預(yù)處理板上的數(shù)據(jù)處理芯片進(jìn)行第一級(jí)的波束合成處理，處理完成的串行數(shù)據(jù)再通過高速光纖傳輸至陣面后端進(jìn)行下一級(jí)的波束匯聚。發(fā)射的上行數(shù)據(jù)流程和接收數(shù)據(jù)方向相反。

多通道預(yù)處理模塊在設(shè)計(jì)上統(tǒng)一考慮了多種工作模式的使用需求，除了配置有一片用于數(shù)據(jù)處理的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片外，一般還配置由一片主控FPGA芯片，陣面后端設(shè)備可以通過數(shù)據(jù)/控制協(xié)議復(fù)用的高速光纖鏈路對(duì)主控FPGA進(jìn)行不同的配置與管理，以適應(yīng)不同的工作模式加載。為了滿足大規(guī)模子陣級(jí)的程序升級(jí)，多通道預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)有支持功能代碼的在線更新，支持硬件平臺(tái)的工作狀態(tài)監(jiān)控等功能，可以滿足相控陣測(cè)控系統(tǒng)多通道、多波束形成的應(yīng)用場(chǎng)景。多通道預(yù)處理模塊的功能組成框圖如圖6所示。

圖6 多通道預(yù)處理模塊功能組成框圖

典型的16陣元(32個(gè)接收通道，16個(gè)發(fā)射通道)多通道預(yù)處理模塊采用1片主控FPGA芯片完成預(yù)處理模塊的配置與管理，1片數(shù)據(jù)處理FPGA芯片完成上下行數(shù)據(jù)的合成與傳輸，16片雙通道AD芯片完成32個(gè)接收鏈路的數(shù)據(jù)采樣，4片四通道的DA芯片完成16個(gè)發(fā)射通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換。除此之外，還需要配置有數(shù)字光模塊、時(shí)頻處理模塊等功能模塊。

時(shí)頻處理模塊的主要功能是完成對(duì)各個(gè)子陣上下行多路時(shí)頻信號(hào)的傳輸與分配，上行信號(hào)主要包括接收本振、發(fā)射本振、接收標(biāo)校、時(shí)鐘和同步信號(hào)，下行信號(hào)主要是發(fā)射標(biāo)校信號(hào)。為了提高相控陣測(cè)控系統(tǒng)時(shí)頻信號(hào)分配的可靠性和集成度，目前的相控陣測(cè)控系統(tǒng)主要采用波分復(fù)用的光傳輸架構(gòu)進(jìn)行時(shí)頻信號(hào)分發(fā)。時(shí)頻光處理模塊中的光波分復(fù)用器解出上行的多路時(shí)頻光信號(hào)，分別對(duì)其光電轉(zhuǎn)換和放大，最后由電接口輸出分配給收發(fā)組件和多通道預(yù)處理模塊使用。下行的1路發(fā)射標(biāo)校信號(hào)先放大再電光轉(zhuǎn)換為下行光信號(hào)，下行光信號(hào)與上行光信號(hào)波分復(fù)用為一芯光纖進(jìn)行傳輸[6]。時(shí)頻處理模塊主要由光放大器和光波分復(fù)用器組成，其組成框圖如圖7所示。

圖7 時(shí)頻處理模塊組成示意圖

1.3 子陣電源設(shè)計(jì)

為了降低傳輸損耗，提高電源分配效率，目前的相控陣測(cè)控系統(tǒng)一般采用高壓直流方式進(jìn)行子陣級(jí)的T/R組件電源分配：首先通過陣面后端的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備將市電轉(zhuǎn)化為高壓直流電，然后再通過電源線將高電壓、低電流的直流電送到各個(gè)子陣處。子陣電源的主要功能是將后端輸入到陣面的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電后給瓦式一體化T/R組件各個(gè)功能模塊供電。高壓直流的傳輸方式可以大大減少電源傳輸?shù)哪芰繐p耗，提高系統(tǒng)的用電效率。典型的子陣電源主要由保險(xiǎn)、浪涌電流抑制電路、電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)濾波電路、濾波電路、直流(Direct Current，DC)變換器、電壓電流檢測(cè)電路、指示電路和控制器等組成。

1.4 子陣互聯(lián)設(shè)計(jì)

子陣互聯(lián)設(shè)計(jì)主要包含低頻互聯(lián)設(shè)計(jì)和射頻互聯(lián)設(shè)計(jì)。低頻互聯(lián)主要指瓦式一體化T/R組件各模塊間電源和時(shí)鐘信號(hào)的互相連接，射頻互聯(lián)主要指天線陣面和雙工器、雙工器和收發(fā)模塊、收發(fā)模塊和多通道預(yù)處理模塊之間的射頻連接。射頻互聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)主要有兩個(gè)方面的考慮：一是降低各連接面及接插件的無源互調(diào)值，避免相控陣測(cè)控系統(tǒng)在多載波大功率工作時(shí)產(chǎn)生過大的互調(diào)信號(hào)，影響相控陣測(cè)控系統(tǒng)的接收工作性能并對(duì)周邊其他系統(tǒng)產(chǎn)生額外干擾；二是加強(qiáng)不同通道連接面的隔離設(shè)計(jì)，避免同一子陣內(nèi)不同通道之間的信號(hào)串?dāng)_。

以雙工器和T/R組件連接面的連接方式為例，該連接面采用低互調(diào)的雙陰連接器進(jìn)行互聯(lián)設(shè)計(jì)。雙陰連接器的半浮動(dòng)特性可以降低對(duì)于安裝面連接器位置的加工精度要求，提高瓦式一體化T/R組件各模塊安裝的工程可實(shí)現(xiàn)性。為了進(jìn)一步提高雙工器和T/R組件連接面各通道間的隔離性能，在雙工器各連接器端面處設(shè)計(jì)有凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的在T/R組件連接面處設(shè)計(jì)有對(duì)插的凹槽結(jié)構(gòu)，通過凸臺(tái)和凹槽的插合配合，一方面可以提高不同通道的屏蔽隔離性，另一方面可以起到導(dǎo)銷定位功能，降低多個(gè)連接器安裝面同時(shí)對(duì)插安裝的復(fù)雜性。

2 新型瓦式一體化T/R組件性能分析

2.1 功耗分析

如表1所示，16個(gè)陣元(32收16發(fā)通道)的新型瓦式一體化T/R組件的單個(gè)子陣功耗為267 W，遠(yuǎn)小于同樣通道數(shù)的傳統(tǒng)磚式T/R組件的350 W，T/R組件形態(tài)的優(yōu)化和集成度的提高顯著降低了組件的功耗，從而減少了整個(gè)系統(tǒng)的散熱壓力和用電負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的可靠性。

表1 瓦式一體化組件功耗分析

2.2 熱仿真分析

瓦式一體化T/R組件集成度越來越高，熱流密度也越來遠(yuǎn)大，傳統(tǒng)的風(fēng)冷對(duì)流散熱方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足T/R組件的散熱需求，所以新型瓦式一體化T/R組件一般采用液冷散熱方式。散熱的液冷冷板采用流體冷卻的方式，以冷卻液為流體載熱介質(zhì)，通過流體循環(huán)流動(dòng)將整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量帶出。

傳統(tǒng)磚式T/R組件散熱冷板位于T/R組件和子陣天線陣面之間，4個(gè)獨(dú)立的磚式T/R組件只有靠近冷板的發(fā)射模塊散熱效果較好，后端的接收模塊尤其是T/R組件發(fā)熱量巨大的數(shù)字板距離冷板過遠(yuǎn)，熱阻大，散熱效果差，直接影響了T/R組件的工作性能及可靠性。

新型瓦式一體化T/R組件散熱冷板位于發(fā)射模塊和數(shù)字板之間，散熱面積大，散熱路徑短，組件中發(fā)熱量大的發(fā)射模塊和多通道預(yù)處理數(shù)字板均緊貼散熱冷板的兩側(cè)，散熱效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的磚式T/R組件。

按照供液溫度30 ℃、流量1 L/min、環(huán)境溫度45 ℃、總熱耗267 W、流體介質(zhì)為65#防凍液的條件進(jìn)行工程流體動(dòng)力學(xué)仿真分析，瓦式一體化T/R組件整體及內(nèi)部各芯片的殼溫溫度云圖如圖8和圖9所示。

圖8 瓦式一體化T/R組件溫度云圖

根據(jù)仿真結(jié)果，所有芯片的殼溫最高溫度為85.95 ℃，最低溫度為 39.43 ℃。最高溫度分布在發(fā)射模塊的功放芯片處，該處芯片熱流密度比較高，所以此處芯片殼溫相對(duì)較高。整個(gè)一體化組件外表面最高殼溫53.61 ℃，集中在子陣電源處。仿真結(jié)果顯示各模塊芯片均工作在適宜的工作溫度點(diǎn)，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境良好。

2.3 尺寸重量分析

16個(gè)陣元(32收16發(fā)通道)的子陣級(jí)傳統(tǒng)磚式T/R組件的整體外形尺寸約為300 mm×300 mm×170 mm，質(zhì)量約為25 kg。該新型瓦式一體化T/R組件的整體尺寸為245 mm(長(zhǎng))×237 mm(寬)×58 mm(高)(不含連接器及把手等)，質(zhì)量為17 kg，遠(yuǎn)小于同樣通道數(shù)目的傳統(tǒng)磚式T/R組件。T/R組件高度尺寸的大幅降低可以顯著優(yōu)化相控陣天線內(nèi)部的操作空間，徑向集成度的提高可以有效降低整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安裝復(fù)雜性，從而方便操作人員對(duì)于設(shè)備的安裝及后期維護(hù)。

2.4 安裝及維護(hù)性

傳統(tǒng)的磚式T/R組件安裝時(shí)需要先將液冷板和天線背板進(jìn)行安裝連接，然后再將各個(gè)獨(dú)立的磚式T/R組件依次通過液冷板和天線陣面進(jìn)行連接，各T/R組件模塊安裝完成后再將各磚式T/R組件通過高速線纜和后端的下一級(jí)波束合成設(shè)備進(jìn)行連接，安裝過程復(fù)雜，維修維護(hù)不便。

新型瓦式一體化T/R組件在進(jìn)行集成安裝時(shí)可以先在產(chǎn)線上將收發(fā)模塊、液冷板、多通道預(yù)處理模塊、子陣電源以及互聯(lián)線纜進(jìn)行安裝連接，安裝完成后再將整個(gè)瓦式一體化T/R組件通過盲插連接器和天線背板進(jìn)行一次性連接，大大簡(jiǎn)化了安裝流程，也為后期天線陣面上T/R組件的維修更換提供了便利條件[7]。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)相控陣測(cè)控系統(tǒng)T/R組件的設(shè)計(jì)需求，分析了傳統(tǒng)磚式T/R組件存在的集成度低、尺寸大、功耗高、安裝復(fù)雜和后期維護(hù)性差等問題，設(shè)計(jì)了一種新型瓦式一體化T/R組件。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析和工程實(shí)例表明，該新型瓦式一體化T/R組件在集成度、尺寸、重量、功耗、經(jīng)濟(jì)性以及安裝維護(hù)性等方面均比傳統(tǒng)的磚式T/R組件設(shè)計(jì)有明顯提升。

隨著相控陣測(cè)控系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，陣元數(shù)越來愈多，設(shè)備集成度也會(huì)越來越高，天線陣面內(nèi)部的操作空間也將越來越小，新型瓦式一體化T/R組件的集成度高、安裝維護(hù)方便、尺寸小和重量輕的優(yōu)勢(shì)也將變得越來越明顯，新型瓦式一體化T/R組件在相控陣測(cè)控系統(tǒng)中的使用也將愈加廣泛。