S波段高功率T/R组件的小型化和高可靠设计

2012-06-08吴苏兴张海兵

雷达与对抗 2012年3期

吴苏兴，耿亮，张海兵，包伟

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

自上世纪90年代以来，有源相控阵已成为相控阵雷达发展的主流，几乎所有先进的、新研制的雷达均采用了有源相控阵体制［1］。一维相扫有源相控阵三坐标雷达由于性能优异、系统组成相对简单、研制成本低而得到广泛应用。其有源天线面阵采用一行阵元(行馈）对应一个T/R组件的方式，因此需要的T/R组件数量相对较少。但是，为保证雷达威力就必须使用高输出功率T/R组件，通常要求每个T/R组件能够输出数百瓦量级或更大的射频功率。一维相扫相控阵三坐标雷达的T/R组件分布在阵面的重要节点上［2］，一旦出现故障对雷达整机性能影响较大，因此该T/R组件必须具备很高的可靠性。为保证对低空目标的探测性能，一维相扫相控阵三坐标雷达在使用时通常由作战平台的举升系统将天线面阵升到较高的位置，或者将天线面阵架设在作战平台的高处(如舰艇的桅杆）使用。这就要求天线面阵不能太重，否则过高的重心加上面阵高速旋转产生的扭力将威胁平台自身的安全性，这对于质量本来就不大的中小型作战平台的影响会更为严重。作为有源面阵的核心部件，高输出功率T/R组件的性能和重量直接决定了天线面阵的综合指标。因此，为了满足中小型作战平台对一维相扫相控阵三坐标雷达适装性的要求，必须实现高输出功率T/R组件的小型化以尽可能减小其体积和重量。

本文介绍了一种S波段高功率T/R组件的设计方法与技术，着重研究了其小型化和高可靠的实现方法。

1 组成与功能

作为一维相扫相控阵三坐标雷达的基本接收和发射单元，该高功率T/R组件一般由射频功率放大电路、收发转换、接收与下变频电路、电源变换电路、以太网通信接口电路、监测与控保模块电路等功能单元组成。其组成框图如图1所示。

图1 T/R组件组成框图

T/R组件主要功能的设计要求如下:

(1）将上行射频激励信号经功率放大电路放大至一定功率后传送给天线单元向外辐射;

(2）将天线单元接收的射频回波信号经收发转换与限幅LNA、下变频电路变换成系统所需的下行中频信号后输出给综合信号处理机ADC后进行脉压、DBF等后端信号处理;

(3）对组件各功能单元的状态进行监测并施加必要的控制和保护;

(4）通过以太网接口电路与系统终端进行通信，实时发送组件状态信息同时响应终端的操控。

(5）DC/DC 电源变换模块为组件内部各组成部分提供所需要的不同电压和功率的直流供电。

2 设计与实现

2.1 组件电路的结构形式

本T/R组件(以下简称组件）电路的设计尝试使用了一种“三明治”式的结构形式。该结构形式与传统结构形式相比具有体积小、重量轻、高可靠、电磁兼容性好的优点。下面将对该结构形式进行简要描述。如图2所示，将两块相似的具有多个空腔结构的金属壳体上下夹住中间的一整块多层微波复合介质基板，使预先设计的基板表面镀金条形地平面和相对应的组件壳体结构筋条相接触，从而构成多个相互独立的腔体。如图3所示，在各腔体区域，多层微波复合介质基板的上下表面则布有包括微带电路在内的多种类型电路，并高密度电装各种有源和无源表贴器件，对于散热要求高的大功率器件如功放单元等则通过在基板上挖槽将大功率器件埋入并与底部金属壳体直接接触的安装方式实现热量的快速导出。

图2 组件的结构形式三维图

图3 组件的结构形式及器件安装方式示意图

该结构形式的好处主要体现在3个方面:首先，由于多层微波复合介质基板的双面都能安装器件，大幅提高了组装密度，使得集成度较单面安装器件基板高出一倍，这显著缩小了组件基板的面积，相应的组件壳体尺寸也得以同步减小，从而有效减轻了组件的重量。此外，由于整个组件所有功能单元都制作在一整块多层复合介质基板上，通过基板内部走线即可完成各功能单元间的互连，无须使用飞线跨接，从而大幅减少了接续和焊点的数量，使得组件的可靠性显著提高。另外，由于功能电路都位于相互独立的腔体内，避免了互相之间的辐射干扰，从而改善了电磁兼容性能并提高了电路的稳定性与可靠性。

2.2 多层微波复合介质基板

多层微波复合介质基板与普通的用于数字电路的多层互连基板相比有本质的不同。如图4所示，为提高布线密度和器件的组装密度，多层微波复合介质基板中的微带线地平面不设在基板背面，而是位于基板中间层。由于与系统的微波信号地之间没有电气互连，该微带传输结构实际上已不是典型的微带线结构，传输线的传输模式发生了改变，所以其传输性能如反射、损耗等会出现明显恶化。为了解决上述问题，本设计中采用了设置接地通孔将位于中间层的地平面与基板底面的条形镀金接地面相连接使位于中间层的微带地平面与壳体(系统的微波信号地）相连的方法，重建一条信号返回电流低阻抗通道，达到了恢复上述非典型微带线结构传输性能的目的。为得到最佳传输性能，信号环路面积必须最小，所以设置的接地孔与基板边缘间距应越小越好［3］，同时还需通过电磁仿真软件对过孔直径和间距参数进行优化以得到效果最佳的孔径与间距值。

本设计的多层微波复合介质基板共6 层，表层主要为微带电路与电源电路，在第2 层和第5 层设置地平面。底层主要为控制电路和少量微带电路。其余层为电源线、控制线、数据线的布线。层间用金属填充孔实现信号之间的互连。

图4 组件多层微波复合介质基板分层布局示意图

2.3 高功率密度功放

本T/R组件发射通道需要达到数百瓦的射频功率和很高的增益，为此不得不进行多级放大及复杂的功率分配与合成，使功放电路成为整个组件中面积最大、重量最重、功耗最大、失效概率最高的功能电路。因此，功放电路设计的是否紧凑小巧、是否稳定可靠是关系到能否实现组件小型化和高可靠性的关键。

为尽可能提高功率密度以减小功放电路的面积，使用一种高增益功放MCM(多芯模块）作为第一级推动。该MCM 采用微组装工艺将多级功放裸片在内部进行高度混合集成，并封装在一块很小的管壳内，从而在很小的体积内实现47 dB的高增益。功放末级采用四个轻巧型的200 W 功放单元合成输出800 W 功率。该功放单元将两只100 W 功率管直接并排烧结在一小块薄铜衬底上，低阻抗匹配条件下合成出约200 W功率。其尺寸较常规单管功放单元要小得多，厚度也很薄，因而重量很轻。末级功率的分配/合成器采用层压串馈形功率分配/合成技术，由于层压串馈具有体积小、重量轻、端口位置设计灵活非常便于布局的优势(如图5所示），因此提高了末级功放的紧凑程度和功率密度，进一步减小了组件的体积和重量。

图5 采用串馈分配/合成器的末级功放示意图

电路振荡的有效防止是功放设计尤其是高增益功放设计的关键点，它直接决定了功放电路能否稳定可靠地工作。本设计采取级间安装隔离器，在直流馈电线路上设置滤波器抑制传导通路的反馈，用基板接地条与壳体筋条配合在级间形成完全独立隔腔的方式杜绝空间耦合反馈，通过仿真分析合理设置隔腔的尺寸使谐振点远离功放的工作频率等方式防止电路产生振荡，经实验验证具有很好的效果。

3 研制结果

应用上述小型化与高可靠的设计实现方法，本文成功研制了一种S波段高功率T/R组件。该T/R组件在脉宽200 μs，占空比10%的条件下输出功率可达800 W，其净尺寸为300 mm×192 mm×26 mm(不含散热器），重量仅为3 kg，与传统方式实现的高功率T/R组件相比，其体积重量明显减小，可靠性更高。