一种高集成多通道数字收发阵列模块设计

周海进 雷国忠 康 颖 王嘉煜 张思明

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着现代雷达技术的不断进步，有源相控阵雷达向数字化方向发展的趋势和应用需求日益强烈。与传统相控阵雷达相比，其具有动态范围大、多波束、系统工作可靠性高等优点[1-4]。数字收发阵列模块作为此型雷达的关键部件，在系统设计中占据举足轻重的地位，其设计研制的难点不仅在于需要完成雷达探测信号的数字化收发，上、下行数据的预处理及传输功能[5-7]，还应具备高集成、轻量化的特点，以满足大型数字相控阵雷达系统的应用要求。

本文中基于数字化、集成化的设计思想，详细介绍了一种S波段8通道数字收发阵列模块的设计方法。通过将直流电源转换、基带数据预处理及传输、数字-中频信号转换及收发、本振功分及上下变频、时钟信号分配网络、射频收发等功能模块开展一体化设计，结合数模混合集成技术和多层微波-数字混压PCB技术的应用，实现了多通道数字收发模块的高度集成，为进一步开展全数字收发有源相控阵雷达系统的研制提供了有效支撑。

1 组成与功能

如图1所示，多通道数字收发阵列模块在雷达系统中处于信号处理机与辐射天线阵列之间。内部主要由直流电源变换、光电转换、基带数据传输及预处理、系统时钟/本振功分网络及8路收发通道等五大部分组成。各部分的主要功能为：

1)直流电源变换：包括DC-DC转换及线性稳压，主要功能是将外部集中式电源送入的+28V电压转换为各功能器件所需的电压类型；

2)光电转换：完成基带数据及控制信号在光纤与FPGA之间的传输转换；

3)基带数据传输及预处理：通过FPGA芯片完成信号在模块与外部信号处理机间的传输及部分预处理功能；

4)系统时钟/本振功分网络：对外部送入模块的系统时钟/本振信号进行多路等功率、同相位分配，并传送至各收发通道；

5)收发通道：发射端主要完成激励信号波形产生、数模转换(DAC)、上变频及小信号放大、大功率饱和放大及射频滤波输出等功能；接收端主要完成对回波信号的低噪声放大、下变频及滤波处理、模数转换(ADC)及数字正交下变频等处理。

2 关键部分设计思路

2.1 收发通道设计

数字收发阵列模块的收发通道设计与传统的模拟收发阵列模块通道设计稍有不同，主要区别体现在各通道内部需对收发信息进行数字化处理。若采用分立式元器件搭建链路，不仅成本昂贵，且不符合数字阵列模块高集成度设计的要求。在本设计中，我们将信号数模/模数转换及上、下变频部分集成设计为数模混合集成模块，与后端模拟收发放大模块搭配构成完整收发通道，原理组成框图如图2所示。发射状态下，信号处理机发送的I/Q基带数据经光电转换及FPGA处理后送入数模混合集成模块，与其内部的NCO信号进行数字正交上变频，产生中频激励信号经外部中频滤波器滤除镜频和带外杂散后，送入上变频器与本振信号相减产生射频激励小信号，然后经功率放大模块进行饱和放大，再经环形滤波组件输出至外部辐射天线。接收时，回波射频信号经限幅低噪放放大、下变频、中频滤波、ADC模数转换及DDC正交下变频处理后，变为数字信号通过FPGA及光纤传送至外部信号处理机。

2.2 本振功分网络设计

多通道数字收发模块外部输入的射频信号主要包括本振信号和时钟信号。如图1所示，两种信号均需通过一分八功分网络分配至各收发通道，硬件实现则以微带功分网络形式在多层混压印制板的顶面和底面分别排布以避免交叉传输。考虑电磁兼容因素，本振分配网络分布于印制板底面，并借助底部结构件壳体开槽形成本振功分网络传输封闭腔。信号经一分二功分器级联实现多路分配后，通过贯穿多层混压印制板的低损耗金属化过孔传输至顶面数模混合集成模块相应管脚。图3和图4分别给出了本振功分网络及低损耗穿层传输过孔的仿真模型和计算结果。

2.3 电源变换设计

本设计中，系统送入数字收发阵列模块、供电信号为单一直流+28V电源。模块内部各器件所需电压如+5V、-5V、模拟/数字+3.3V、+1.8V等近10种类型均是由+28V通过DC-DC电源变换芯片和线性稳压器(LDO)转换而来，所有电源芯片按就近原则在功能器件周围排布，以避免远距离传输带来其他信号串扰。

2.4 光电转换及数据传输

光电转换在本设计中是数字收发阵列模块与信号处理机间进行数据交互的唯一接口。发射时，将信号处理机通过光纤送入的各通道幅相控制字、工作模式等信息经光电转换后送入FPGA，完成预处理及时序控制后发送至各收发通道；接收时，各单元通道回波信号经FPGA预处理后送入光电转换模块，进行电-光信号转换后经光纤送入系统信号处理机进行数据分析处理。

2.5 热设计

多通道数字收发阵列模块的功能复杂，内部发热器件数量较多，因此散热设计是不容忽视的一个方面。在本设计中，我们采用液冷散热的方式，将8个收发通道并行排布，并对功率放大模块、电源变换模块、数模混合集成模块、FPGA等主要器件的热耗进行了计算，结合热学仿真软件优化液冷管道设计，确保模块在高温环境下可以正常工作。图5给出了8通道数字收发阵列模块内部液冷管道示意图。

通过上述各关键部分的详细设计，实现的多通道数字收发阵列模块样机尺寸为460mm×300mm×40mm，重量小于6kg。

3 测试结果

多通道数字收发阵列的测试通道数量较多，且涵盖数字和模拟两部分内容，参照传统收发阵列采用常规测试方式难以满足大型相控阵系统对多通道数字收发阵列的指标评估要求，引入自动测试系统及相关控制软件是一种比较可行的方式。测试过程中，借助外部标准电源进行集中式供电，模拟信号源产生时钟/本振两种信号，利用功率计和频谱仪测试模块输出峰值功率及频谱特性，利用标准电源读取工作电流计算得出工作效率，采用Y因子法将输入的噪声功率等效为噪声源的温度变化，输出端通过测量噪声功率变化计算得到接收通道噪声系数。图6、图7分别给出了带内杂散和偏离主频1kHz处相位噪声的测试结果。模块可实现的主要的电气特性指标如下：

工作频段：S波段；

单通道发射峰值功率：≥100W；

通道间发射功率不一致性：≤0.8dB；

最大占空比：20%；

工作效率：≥25%；

发射信号相位噪声：≤-105dBc/Hz@1kHz；

带内杂散：≤-65dBc；

接收通道噪声系数：≤3.5dB。

4 结束语

文中介绍了一种S波段8通道数字收发阵列模块的设计方法，详细阐述了模块内部各组成部分的工作原理及组成方式，制作了实物样机并开展相关测试，评估结果表明该模块可以满足数字有源相控阵雷达的使用要求，同时也为后续进一步开展相关工作奠定了基础。