S波段雷达有源相控阵的组件设计研究

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摘要：有源相控阵雷达体现出的高可靠性、更快的系统响应时间等特性，极大地推动其技术性能，在综合可靠性、低成本化等方面获得快速提升。本文概要说明了T/R组件的工作原理和设计要求，并实际工程应用需求，围绕T/R组件技术指标进行方案设计，开展T/R组件工程设计及相关测试，为更高集成度、更高频率有源射频集成前端设计积累经验，并为其他相关设计提供一定层面的借鉴。

关键词：S波段；雷达有源相控阵；T/R组件；设计

引言

有源相控阵雷达通过阵面的T/R组件性能体现出其在带宽、信号处理、冗余设计等方面的优势。本文结合相控阵雷达对T/R组件的结构、功能、适用条件等方面的要求，制定科学合理的方案，完成S波段有源相控阵雷达T/R组件的设计。

1.S波段雷达有源相控阵T/R组件概述

1.1 T/R组件工作原理

有源相控阵雷达的T/R（Transmitter and Receiver）组件位于天线和信号合成/分解网络之间，是极其关键的部件，每个T/R组件类似于一个普通雷达的高频头，每一个天线阵列单元都有一个T/R组件与之对应。

T/R组件内部组成包括有发射模块、接收模块、功分器、组件电源、控制电路等。其主要功能是在发射状态将频综送来的激励信号放大至指定功率，在接收状态低噪声放大回波信号；并实现天线波束扫描所需的波束及相移控制，保证收、发工作态之间的快速转换。

组成相控阵雷达的T/R组件数量众多，因而在设计中受到设计成本的制约，需要在设计中开发高性能且成本可接受的T/R组件。

1.2 设计要求

T/R组件设计应当依循以下设计要求：（1）高性能：各T/R组件之间的输出幅度和插入相位应保持一致，保证辐射功率空间合成时的高效率，避免波束指向出现偏差，影响其精度；同时，设计应当保证 T/R组件的幅相稳定性，避免温湿度、气压等因素对T/R组件的干扰；（2）高可靠性：T/R组件设计应预先进行严格的可靠性设计、预估和试验，选取符合设计要求的元器件，严格控制生产工艺流程，如当前HPAMMIC中应用的HBT技术就能将其表面积减少近一半；（3）可生产性：T/R组件设计应采取收发集成、一体化设计的方式，通过自动化贴装完成集成组件的设计；并采用全自动测试系统，对每个组件的收发指标进行逐个测试，使之符合使用要求。

2.T/R组件方案设计分析

2.1 相关指标分析

S波段雷达有源相控阵T/R组件设计要计算和评估若干指标，这里着重分析以下指标：

（1）接收灵敏度和噪声系数：通过提高增益、降低温度、选择最佳噪声匹配的方式，能够明显减少内部噪声系数，提高雷达系统的灵敏度；

（2）镜频抑制度：雷达接收信号有回波信号及回波的镜频信号，使雷达的噪声系数增至3dB。为此，需要通过在混频前使用滤波的方式，抑制镜像频率的幅度大小，可以利用镜像抑制混频器实现对镜像频率的有效抑制；

（3）效率及发射功率：T/R组件发射支路要损耗较多的电能，不利于提高发射总效率。对此，需要重点提高发射支路的效率，可以根据实际需求选择适宜的功率放大器，如BJT晶体管、LDMOS场效应管、GaN-HEMT等；

（4）电源脉冲调制：要对T/R组件发射支路的供电进行脉冲调制，在AC-DC或DC-DC的开关电源中采用PWM调制技术，通过对电源的调制，实现对放大器供电的排序，抑制供电电源纹波对发射射频的干扰。并利用储能电容器，为放大器提供所需的脉冲电流，在脉冲休止期对储能电容进行充电，从物理上隔离电源的影响[1]；

（5）组件发、收通道端口复用：对于共用连接部分的设计要满足信号馈送的需求，可以采用环行器隔离器组合的连接方案，为发射支路提供相对稳定的负载，尽量减少发射支路功率的传输损耗，降低接收通道的噪声系数，提高组件发、收通道的安全可靠性；

（6）故障检测及保护： 对T/R组件的工作状态进行实时在线监控，及时发现组件工作异常状态，具体检测内容包括有：输出射频功率和反向回波功率的射频检波、脉冲宽度、工作电压、重要器件温度等。对于电压电流的保护的关键在于脉冲宽度、占空比的检测与保护，检测电路能够自动适应各种调制周期，实现对脉冲宽度的有效限制。

2.2 设计方案

（1）T/R组件接收支路

1）限幅低噪声放大器：考虑到该组件要承受峰值100W的功率，设计选取反射式限幅，采用低噪声放大器和限幅器一体化设计模式，最大程度降低损耗，使之降至0.7dB以下；2）镜像抑制混频器：设计有三个功分器和两个双平衡混频器，将接收的回波信号与本振信号混频，输出两路相位相差90o的中频，对其进行同相合成；对于镜像频率则通过反相相消的方式，抑制镜像频率的输出；3）中频放大链路：采用带通滤波器对中频进行滤波处理，降低噪声系数，使其低于2.7，增益为20dB，且每两级放大增加一个负斜率温补衰减器用于补偿，将衰减变化率控制为-0.007dB/℃，增益变化控制在1dB以内；4）动态范围：将接收机的动态范围设置于-30dBm，最大输出大于+10dBm，线性动态为40dB；

（2）T/R组件发射支路

1）收发开关：设计选取通用型GaAs pHEMT开关，功率设置为+30dBm，确保输入信号在开关的线性区域，减少谐波的幅度；2）发射功率放大链：设计选取SZA型放大器，利用其输出检波功能和脉冲调制功能，将输入功率放大至+31dBm，实现对射频信号的开关调制，减少失配引起的反射。必要时可以增设隔离器；3）放大器匹配：根据实际运行需求，采用适宜的放大器匹配方法，在无法获取器件大信号模型的情况下，采用小信号S参数法宽带功率放大器的设计，能够获得大信号的负载阻抗，提取器件的封装寄生参数，实现阻抗匹配；为了提高开关类功率放大器设计的准确性，可以采用负载牵引法设计开关类功率放大器，通过不断调节输入和输出端的阻抗，获取功放管的最优输出阻抗值，并设计输出、输入匹配网络及谐波抑制网络，在输入功率为28dBm时，功率附加效率可达69.35%，极大地提高大信号下模型的准确性。4）储能电容计算：T/R组件采用分时脉冲进行工作，为了节约能耗，可以在+50V电源并联大容量的电解电容，为功率放大器件提供峰值电流，并在脉冲休止期进行充电。结合实际需求，设计选择330uF的储能电容。

3.T/R组件工程设计与测试

3.1 T/R组件的工程设计

S波段雷达有源相控阵T/R组件包含有各种电路，如高速数字电路、低频模拟电路、高功率射频电路等，一旦这些电路出现相互交调、逻辑翻转或泄漏，则会导致发射支路误放大或自激等问题。对此，需要采用以下关键技术进行工程设计：

（1）介质分层：T/R组件的集成板要满足射频信号传输的功能，必须选择适宜的介质，考虑复杂布局布线的要求，本设计选取普通板材与微波复合介质板材的混合方式，利用混合介质分层进行微波射频信号的传输；对于混合介质板中微波共地的问题，可以根据需求选择适宜的共地方式，如就近通孔共地和金属化包边共地的方式，其中，就近通孔共地是在围绕微带线附近就近将金属化孔直接连接至最底层，消除寄生电感的干扰，使端口阻抗趋近于单层微波板的阻抗；金属化包边共地方式则适用于加工不方便的情形，当通孔共地无法达到宽频带内区域的要求时，则应选取金属化包边工艺，通过电镀的技术将第2层铜箔与底层直接连接，使传输线端口完美匹配，减弱阻抗随频率变化的趋势；

（2）地孔隔离：根据不同信号的用途，可以利用地孔区分不同区域，如高灵敏接收支路传输S波段射频信号和300Mhz中频信号、印制板B面传输数字序列信号、功率放大电路传输S波段大功率射频信号、印制板A面传输脉冲模拟信号等，减少不同信号之间相互交叉、串扰的现象[2]；

（3）隔腔设计：由于电磁脉冲峰值场强高、频谱宽，对于通信网络和通信系统带来极大的威胁。为此，要设计完整无孔、缝的金属箱体屏蔽，隔离不同电路的信号空间，阻断辐射耦合路径，有效实现电磁脉冲防护。并利用一种拓展天线驻波带宽的阶梯型腔体谐振天线，设计一种阶梯型结构的谐振腔体层设计结构，将天线谐振体层中的空腔改为多层组合式结构，每层空腔的整体框架逐层增加，顶部加载馈电微带线层和天线辐射层，底部则用金属板保护和固定空腔，从而将隔腔的最低谐振频率设置在3.6GHz，保证信号的通畅传输；

（4）混合接地：对于不同信号之间出现相互干扰、串调的现象，要结合实际情况选择良好的接地方式。1）悬浮地。通过低阻抗接地导线将电路连接到信号地，而信号地则与其他导电物相隔离，从而避免产生地阻抗的耦合干扰。并通过变压器隔离和光电隔离技术，使不伺电位之间的电路配合更加便捷。这种接地方式能够有效防机箱干扰电流，不足之处在于存在静电积累，不适合电子设备；2）单点接地。将所有电路的地线接至公共地线的同一点，分为串联单点接地和并联单点接地，通常设置一个安全接地螺栓，避免两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。为防止工频及其他杂散电流在信号地线上产生干扰，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。这种接地方式较为简单，然而其缺陷在于频率高时会产生共模电压；3）多点接地。这种方式是将系统中各个接地点均直接连到距离它最近的接地平面上，使接地引线的长度最短，以减小地线电感。该法能够有效抑制共模电压，适合高频大信号和数字信号；然而其缺陷在于当干扰波长与传输导体长度相当时，极易受到干扰；4）混合接地。当信号频率覆盖高于或低于l00kHz的宽频带时，采用混合接地的方法，使系统接地结构在不同频率拥有不同的性能，低频时作为单点接地，高频时作为多点接地，利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同频率具有不同的接地结构。

3.2 T/R组件工程测试

（1）传统测试方案

传统测试方案主要是利用大功率开关，将发射支路输出的大功率射频信号输出到测试衰减器端，当其衰减至适宜的电平，测量发射支路的参数、技术指标；同样，对于接收支路的测试，也是利用大功率开关将输入信号馈入接收支路，测试接收支路的相关参数和技术指标。

这种测试方法较为简单，设备量较少，体现出较好的经济性和实用性。然而，在大功率开关设计方面难度较大，且存在收发转换的不可控状态；

（2）改进方案。采用大功率、小信号混合测试的方法，将大信号衰减为小信号进行测量。如图1所示。

当测试大功率发射信号时，用双结环形器对大信号进行分离衰减，再测量发射参数；当测试接收小信号时，利用双结环形器和开关限幅器对其进行测试，从而实现对大功率、小信号的同步收发测试。

在上述测试方案中，还需要搭建T/R组件程序控制自动化测试软件系统，对20个通道的T/R组件进行测试，该系统包括1个程控20通道的开关矩阵、1个T/R组件指令控制单元、1对仪表、开关矩阵等，通过实际测试获取相关数据，如发射峰值功、发射通道相位一致性、接收增益、噪声系数、接收通道的增益不一致性、接收通道相位一致性等[3]。

4.小结

综上所述，T/R组件是S波段雷达有源相控阵的核心，应结合实际应用需求，进行有源相控阵的T/R组件设计。

本文根据T/R组件设计相关技术指标要求，如接收灵敏度和噪声系数、镜频抑制度、效率及发射功率、电源脉冲调制、组件发收通道端口复用等，制定了T/R组件设计方案，通过介质分层、地孔隔离、隔腔设计、混合接地等设计技术，完成了T/R组件工程设计，经测试满足使用需求。后续还将设计研发其他波段的T/R组件，提高有源射频集成前端的集成度、高频率。

参考文献：

[1]曹蕊  L波段有源相控阵雷达收发组件的研究与实现[D].东南大学，2020.

[2]陈晓，陈颖.有源相控阵雷达收发组件可靠性验证方法研究[J].航空标准化与质量，2018（04）：45-49

[3]刘继鹏，苏有争，胡凯博等.有源相控阵雷达TR组件参数化热设计[J].火控雷达技术，2022，51（04）：88-92.

作者简介：曹婧云（1983.4-），女，汉，江苏南京人，本科，工程师，目前从事高功率发射方向的研究。