小型化超宽带四通道T/R组件的研制

王 洁 崔 敏 周海进

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着有源相控阵雷达技术的发展，有源相控阵雷达要在多目标、多功能情况下完成许多新的任务，宽带信号具有提高距离分辨率，提高测距精度，提高信号/干扰比等诸多优越性能，使宽带有源相控阵雷达技术成为有源相控阵雷达技术的重要发展方向。无论在技术指标、设计难度、还是在开发费用上，宽带T/R组件都是宽带有源相控阵雷达的核心。因此，针对多功能、小型化和高可靠性的宽带T/R组件研制变得非常重要[1]。

本文介绍了一种小型化超宽带四通道T/R组件，频率6GHz～18GHz，应用于电子对抗领域的有源相控阵雷达。基于MCM多芯片微组装技术，采用微波多层混压板，集成4个T/R通道，实现组件超宽带工作。

1 T/R组件技术要求

小型化超宽带四通道T/R组件主要技术指标要求如下：

频率：6GHz～18GHz；

发射单通道饱和输出功率：≥4W；

接收单通道线性增益：≥17dB；

接收噪声系数：≤5dB；

移相精度(RMS)：≤8°；

衰减精度(RMS)：≤1.5dB。

2 T/R组件设计分析

2.1 工作原理

小型化超宽带四通道T/R组件的主要功能组成包括前级放大单元、一分四功分合成网络、四个收发通道和电源控制驱动电路等。每个收发通道包含移相多功能、衰减多功能、均衡器、驱动放大器、功率放大器、大功率开关、固定衰减器、限幅器、低噪声放大器等功能器件。电源控制驱动电路包括稳压器、电源调制器和温度传感器等。其原理框图如图1所示。

2.2 T/R组件微波混压板设计

2.2.1 微波混压板分层构造

T/R组件多通道集成首先考虑整板设计，把微波传输线、逻辑控制线和电源线集成在一块印制板上，以实现多通道控制信号和电源信号复用，提高通道间微波传输的一致性，减小组件体积。常用的微波介质材料有LTCC，其介质损耗小，加工精度高，电路设计灵活，但是其制作费用高昂，且更适用于面积小、层数高的使用环境。本文采用的微波复合介质材料是Rogers 4350b混压多层FR4，第一层介质为4350b传输微波信号，第二、三、四层介质为FR4传输控制及电源信号。该微波多层混压板基材价格较低，加工精度高，且经仿真验证在6GHz～18GHz工作频率内传输性能满足系统设计要求。

微波多层混压板顶层用于微波信号传输和放置元器件，第二层为微带地层。中间层用于传输控制信号和电源信号，同时用大面积地层隔离信号层和电源层。通过仿真和合理布局，将它们组合在同一个三维微波传输结构中[2]，布线时采用共面波导和大面积地孔，改善T/R组件中各个通道之间、发射支路和接收支路之间的隔离度；考虑大电流信号走线的压降和复杂数字信号之间的隔离；板边金属包边，保证整个混压板的信号屏蔽与电磁兼容性，同时使混压板在烧结时接地效果更好。图2为微波多层混压板的分层构造图。

2.2.2 混压板微波电路设计

1)微波接地设计

微波多层混压板中的微带线地层不在基板背面，而是位于第二层，因此，与一般微带线不同，该微带线地实际上已不是理想的传输线地，传输线的传输模式发生了改变，且在高频率上易出现高次模式。为提高性能、扩展应用频率，可以利用在微带结构的适当位置设置接地盲孔和共面波导过渡来优化传输线接地[3]，提高微带线的传输性能。

混压板上4350b介质厚度0.254mm，50Ω线宽0.54mm，地孔内径0.25mm，整板厚度1.2mm。建模仿真得到，共面波导形式传输线两侧地与传输线间距0.7mm，靠近传输线的地孔中心间距0.6mm，在6GHz～18GHz全频带内损耗小于-0.17dB，驻波小于1.11，如图3所示。若有空间可放置两排地孔，第二排孔与第一排孔间距0.45mm，且错位排列。在6GHz～18GHz全频带内损耗小于-0.165dB，驻波小于1.09，如图4所示。可以得到在整板布局中，传输线两侧应尽可能多的放置地孔。

2)T结过渡

T/R组件中大部分微波芯片均装配在混压板表面，芯片常规厚度0.1mm，这样的高度差，会使传输线金丝键合的长度增加，带来金丝引入的感性，使端口失配。如图5所示，建模仿真在6GHz～18GHz全频带内损耗小于-0.1dB，驻波小于1.24。在传输线端口加入T结微带线[4]，T结可等效为LC匹配，有效改善端口驻波。建模仿真，得到T结w=1mm，h=0.3mm时，在6GHz～18GHz全频带内损耗小于-0.06dB，驻波小于1.06，如图6所示。

3)空气过渡

微带线的导带上半部分是空气，下半部分是介质，在结构上的不均匀性使微带线不能传输纯TEM波。在高频率或宽频带场合时，需考虑纵向场的分量，可在同轴连接器转换成微带线时，在同轴连接器之后添加一段空气同轴线，实现模式的平稳过渡，并减小同轴传输部分暴露在腔体中的面积，提高宽带传输性能。同轴连接器SMP的导体直径d=0.39mm，建模仿真，得到r1=1mm，h1=0.15mm，r2=0.45mm，h2=0.8mm时，在6GHz～18GHz全频带内损耗小于-0.018dB，驻波小于1.1，如图7所示。

2.3 结构设计

合理的金属分腔对提高信号的隔离度和远离谐振频率有决定性作用，混压板旨在便于整板走线和一体化设计，分板、分腔必然降低其优越性。故本文采用了混压板上安装异形隔墙的方式来进行结构设计。由壳体墙定位通道宽度，把散热要求较高的功率放大器和大功率开关烧结在壳体墙分腔区域内。异形隔墙用螺钉安装在微波多层混压板表面，与壳体墙通过定位槽卡住，保证准确定位。异形隔墙与壳体墙共同作用使各通道分隔为独立的腔体，保证了通道内不产生腔体谐振。异形隔墙在各通道微波传输线位置开窗，同时隔离了功分网络与电源控制电路，保证了功分网络的腔体性能，如图8所示。安装异形压块位置的微波多层混压板上设置大面积地孔，使异形压块通过地孔与微带地、壳体地互连[5]，同时在板子内部实现通道间信号的隔离。

异形隔墙通过螺钉安装在混压板表面，组件盖板通过螺钉与异形隔墙安装，此时若采用φ=1.6mm的螺钉，隔墙厚度至少需要3mm。根据以往的工程设计经验，异形隔墙与混压板和与盖板之间安装需无缝隙，则螺钉需均匀布置且越多越好。但是组件内部器件密度很高，隔墙上厚度为3mm的位置非常有限，本文采用上下两次安装螺钉的方法解决了这一难题。先使用φ=1.6mm×5mm的螺钉从壳体底面向上，穿过混压板将异形隔墙安装混压板表面，再使用φ=1.6mm×4mm的螺钉从盖板向下，将盖板固定在异形隔墙和壳体上。异形隔墙上的安装孔位实现了复用，尽可能的增加了安装螺钉孔的个数。在最终调试完成后，螺钉孔涂抹密封胶，实现了壳体内部密闭。

3 实物测试

小型化超宽带四通道T/R组件尺寸为80mm×37.5mm×10mm，重量小于60g，如图9。经测试，T/R组件发射输出功率大于4W，接收增益大于19dB，噪声系数小于4.8dB，如图10所示。

4 结束语

小型化超宽带四通道T/R组件通过混压板分层、接地、隔离等措施，有效避免了多通道集成带来的电磁干扰问题，各项功能指标均满足系统设计要求。从测试结果可以看出接收增益带内一致性较差，主要是由于每个器件的安装精度不一致，级联后在宽带信号下偏差就会累积放大；并且器件手册上的输出曲线与装配后的状态有偏差，带内均衡器的选择存在优化空间。未来在宽带组件研制中应加强安装精度和一致性控制，同时对关重器件在前期单独测试，为均衡量控制提供实测依据。目前，该T/R组件已经成功试制，电气性能良好，完成小批量生产，其关键技术具有广泛的应用推广价值。