一种SCX频段超宽带新型有源阵面的研制

花婷婷 张瑞唐 永福

摘要 基于多层微波数字复合基板技术及三维立体叠层装配，提出了一个scx频段超宽带新型有源阵面。详细描述了该有源阵面原理样机的组成架构和各关键电路的设计，对样机性能进行了仿真和测试，测试结果表明，该scx超宽带新型有源阵面可实现单元接收输出P-l大干5dBm，接收增益28dB，噪声系数4.OdB，波束扫描30°。

【关键词】超宽带 有源阵面 微波数字复合板波控

1 引言

随着数字相控阵技术的飞速发展，构建集雷达、通信、电子对抗等多功能于一体的综合射频系统己成为现代电子战装备的发展要求。根据不同作战功能对天线及射频前端的要求，将多功能综合射频系统分为多个射频孔径实现，每个子孔径配合阵面公用设备一起，完成射频信号收发、校正、变频、中频数字化和信号的光电.电光转换传输等功能。有源阵面是子孔径的重要有源部件，是将天线、集成射频前端、波控、二次电源乃至变频、延时放大等进行综合集成的结果，其性能指标决定了整个阵面战术性能。对阵面进行合理化布局，开展轻量化设计及高集成设计，是控制系统的体积、重量的一个重要手段。

本文介绍了一种scx频段超宽带新型有源阵面的研制，该有源阵面采用全金属Vivaldi天线，确保超宽带;利用三角布阵，减少辐射单元数目;采用多功能芯片，将幅相控制功能、LNA功能及开关功能集成在一起，实现接收前端功能;基于多层微波数字复合基板技术，完成低频信号的走线和射频网络功能;通过三维立体叠层装配，SMP盲配互联，提高了有源阵面的系统集成度，优化了阵面体积和重量。

2 设计方案

研制的SCX频段超宽带有源阵面采用轻量化高集成的设计方案，针对接收阵面热量小的特点，利用微波数字多层复合基板设计多功能板，极大的提升了集成度，降低了重量。有源阵面的实现方案如图1所示，主要由天线单元与多功能板组成，两者通过SMP射频垂直互联实现对接。其中射频接收前端功能主要由幅相多功能模块和射频合成网络实现，位于多功能板正面，波控位于多功能板背面，通过多层PCB布线实现对幅相多功能模块的馈电与控制。

3 关键电路设计

3.1 天线单元和阵面

有源阵面天线需要在限定的重量、体积下实现5个倍频程的宽带设计，在满足增益效率要求下优化扫描状态下的驻波，采用全金属Vivaldi天线设计，并采用天线单元整体加工的方式保证天线之间的电连接，避免其它不可控因素造成的影响。Vivaldi天线的辐射是端射式的，建立的电场矢量平行于开口平面，仿真模型如下图所示，采用三角布阵，有利于减少辐射单元的数目。由图2仿真结果可见，除了个别天线单元在某些少数频点驻波比较大外，天线小阵可以在5：1的带宽内实现方位俯仰土30°二维扫描。

3.2 射频接收网络

射频接收网络采用幅相多功能模块+功分器+微带线的设计方式，三者共面布局，以减少多功能板的设计层数，使得多层介质板的压合难度下降，多功能板设计稳定可靠。幅相多功能模块将数控时延器、衰减器、放大器、驱动控制电路等多种功能集成在一个芯片上，原理图如图3所示，大大减少了模块内裸芯片的数量和总体面积，简化布局布线。传统的超宽带微带合成器设计需要多节匹配实现，多节匹配的射频网络体积过大，难以和多功能模块共面布局，为此采用基于GaAs介质的一分三和一分二功分器，以缩小宽带合成的体积。由于采用三角布阵，功分网络不对称，为了在有限面积内确保每条射频路径的幅相一致性并综合考虑宽带功分器的影响，设计时利用HFSS对微带走线进行建模，提取微带线的S参数，再利用ADS搭建包含功分器和微带走线的功分网络模型，结果如图4，通过计算调平各路径的差异，确保系统一致性指标。

3.3 波控电路

波控电路包括多个LDO模块及相应的电源滤波电路，负责将系统提供的+6V电源进行DC/DC变换后，给波控FPGA及相应的驱动电路使用，同时转给幅相多功能模块;另外接收上级发送来的指令，通过FPGA解析成多功能模块所需的移相码及衰减码，判断正确后分发给多功能模块，并完成其控制，原理框图如图5所示。由于采用多层微波数字復合基板技术将射频功能、电源与控制功能集成在一张多功能板上实现，电源与控制信号的传递则通过金属化孔实现，设计时对层叠管理进行优化，电源层与信号层分开，并在之间增加接地层以屏蔽电路间的电磁干扰。

4 测试结果

基于三维立体叠层装配，无线缆垂直互联后有源阵面本体尺寸为167mmx154mmx126mm，原理样机如图6所示。在微波暗室中，校正后进行有源阵面接收方向图和扫描范围的测试，测试结果表明，有源阵面在scx频带内，单元接收输出P-l大于5dBm，接收增益28dB，噪声系数4.OdB。波束方向图如图7较为正常未出现明显畸变。

5 结语

本文介绍了一种超宽带新型有源阵面的设计，为一种sCx波段有源阵面。该有源阵面包括全金属Vivaldi天线单元、射频接收前端网络、波控电路以及外围结构件等。文中详细介绍了各组成部分的原理和实现方式，利用多层微波数字复合基板技术、三维立体叠层装配，完成的有源阵面原理样机具有接口简单，轻量化、高集成等优点，保证了某项目可扩充阵列模块片式集成的可行性。

参考文献

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