摘" 要：针对有源相控阵雷达系统对高功率T/R组件轻量化、小型化的应用需求，通过微组装电路和芯片化电路技术，设计了一款小型化L波段收发组件。射频收发切换采用双环行器，发射通道采用零中频调制方案，接收通道采用超外差变频方案。该T/R组件通过高密度微组装集成工艺，实现了本振功分与放大、功率放大、低噪声放大、滤波、电源调制、功率检测等功能电路的高密度集成。经过批量试制验证，该组件三温发射输出功率优于49 dBm，接收增益平坦度优于±1 dB，三温噪声系数优于2.8 dB，尺寸仅为75 mm × 42 mm× 20 mm，质量约为130 g。
关键词：收发组件；L波段；小型化；热设计
中图分类号：TN42" " " 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）22-0001-05
Design and Implementation of a L-band Miniaturized T/R Module
Abstract： For the lightweight and miniaturized application requirements to high-power T/R components of active phased array radar system， a L-band miniaturized T/R module is designed by micro-assembly circuit and chip circuit technologies. The RF transceiver switching uses the double junction circulator， the transmission channel uses the Zero-IF modulation scheme， and the reception channel uses superheterodyne frequency conversion scheme. Through high-density micro-assembly integration process， the T/R module implements high-density integration of functional circuits of power division and amplification of LO， power amplification， low noise amplification， filtration， power supply modulation， power detection and so on. The batch trial-production verification shows that the output power of three-temperature transmission of this module is better than 49 dBm， the gain flatness of reception channel is better than ±1 dB， the noise factor of three-temperature is better than 2.8 dB， the size is 75 mm×42 mm×20 mm， and the mass is about 130 g.
Keywords： T/R module; L-band; miniaturization; heat design
0" 引" 言
相控阵雷达具有波束捷变，兼顾边扫描边跟踪（TWS）、搜索加跟踪（TAS）模式，任务可靠性高等诸多优点，是目前雷达技术发展的主流方向[1]。收发（Transmitter and Receiver， T/R）组件是每个有源相控阵雷达天线单元端接的重要组成部分，用于发射时信号的功率放大与接收时信号的低噪声放大，因此，相控阵雷达的性能主要由T/R组件的发射功率和噪声系数来决定。T/R组件的发射功率与噪声系数直接影响相控阵雷达系统的作用距离与灵敏度，故高功率、低噪声、高可靠的T/R组件一直以来都是该领域研究的热点。
随着雷达系统和微波技术的发展，其要求T/R组件体积越来越小、功能集成化越来越高。T/R组件的小型化、轻量化、集成化已成为保证雷达系统性能和可靠性的关键技术问题[2]，传统的集成电路技术难以适应快速发展的小型化与轻量化要求，为此，必须通过微封装电路模块和芯片化电路技术来实现雷达系统T/R组件的轻量化、小型化和低成本化[3-4]。
本文将微封装电路和芯片化电路技术应用到收发组件的设计中，组件内部集成了高功率GaN功率放大器、高功率限幅低噪声放大器、数控衰减器、驱动放大器、电源调制及上电时序保护电路、检波电路等，结构方面采用了上下分腔设计，并将裸芯片、封装芯片、薄膜电路、多层印制板电路进行了混合集成，成功研制出输出功率优于49 dBm、三温噪声系数优于2.8 dB的小型化与轻量化T/R组件。
1" 方案设计
本文设计的小型化收发组件由四个部分组成，分别是接收通道、发射通道、本振放大功分电路、电源调制及控制电路。其中，发射通道为一路零中频调制电路，接收通道为一路下变频电路，电源调制及接口控制电路主要对收发放大器进行电源调制以及数控衰减器进行衰减控制。组件的射频电路原理框图如图1所示。
组件工作在发射状态时，内部的IQ调制器将外供的基带信号通过零中频方式调制为与本振同频的射频信号，经过一级低通滤波器进行谐波抑制，输出为5 dBm的射频信号，再经过数控衰减器、驱动放大器后，送入GaN功放。功放输出的功率信号经隔离器、环行器及带通滤波器进行谐波与杂波的抑制后输出，组件出口功率大于49 dBm。同时，发射通道设计有1位30 dB数控衰减器，以满足系统对发射功率进行程控的功能要求。
组件工作在接收状态时，接收到的射频信号首先经过滤波器进行带外杂波信号的滤除，再通过环行器后进入限幅低噪声放大器，进行低噪声放大后的射频信号再经过镜像抑制滤波器进行镜频抑制后，与本振信号下混频得到中频信号。同时，接收通道设计有1位30 dB数控衰减器，以满足系统对接收动态范围的要求。
本振放大功分电路将外供本振信号先进行放大和滤波后，进行功分，用于发射通道的零中频调制以及接收通道的下变频。
电源调制及控制电路，主要用于提供GaN功放的上下电时序、+36 V供电的漏极电源调制、低噪声放大器和增益放大器的+5 V电源调制，以及发射功率检测及驻波检测，其原理框图如图2所示。
组件射频链路中各功能单元采用微封装电路和芯片化电路技术设计实现，通过采用微组装工艺技术，实现多种形式的基板、芯片、功能单元的互联，实现了组件的高密度、小型化集成，大幅降低系统的体积和重量。同时，组件采用裸芯片的部分采用激光封进行气密性设计，提高了组件的可靠性，最终组件的尺寸为75 mm×42 mm×20 mm，相比传统组件，体积大幅缩减。
2" 关键技术指标分析
2.1" 接收通道技术指标分析
接收通道主要包含公共支路的滤波器、环行器，以及接收支路的限幅器、低噪声放大器、混频器、数控衰减器以及中频放大器等，如图1所示，其中本振放大器、本振功分器、中频放大器、数控衰减器、混频器采用一体化芯片设计方案，实现了更进一步的小型化。由于组件采用环行器方案进行设计，故在低噪声放大器之前增加一级高功率反射式限幅器，抗烧毁能力500 W脉冲功率，以避免在发射时由于开路、短路造成的全反射功率通过环行器进入接收通道，而发生低噪声放大器及接收通道的其他器件发生烧毁。当信号超过限幅器的限幅电平时，功率信号被限幅器反射至环行器，最终被发射通道中隔离器的负载吸收；当信号未超过限幅器的限幅电平时，则信号正常通过限幅器后进入低噪声放大器，仅损耗限幅器的插损。限幅器与低噪声放大器共同构成限幅低噪放载片。
噪声系数和动态范围是组件接收通道的主要指标。在系统带宽确定的情况下，噪声系数决定了系统的临界灵敏度[5]。由于接收通道各器件采用级联方式进行工作，则组件的噪声系数为级联电路噪声系数：
NF = 10lg（F1+（F1-1）/G1+（F2-1）/G1G2+…+（Fn-1）/G1G2…Gn-1）
其中，F表示每一级的噪声系数，G表示每一级的增益。由上式可知，组件的噪声系数取决于第一级低噪声放大器的增益和噪声系数，经及低噪声放大器之前无源器件的耗。故组件第一级低噪声放大器选择为31 dB高增益放大器，噪声系数为1.0 dB，同时选择低损耗环行器及滤波器，二者合计损耗为1.3 dB。
依据上述公式，噪声系数的理论计算值为：NF = 2.3 dB，考虑高温下噪声系数会增大约0.5 dB，则组件在全温条件下的噪声系数为2.8 dB，满足系统使用要求。
系统要求的接收机带宽BW为20 MHz，则接收通道的灵敏度可由如下公式计算：
Smin = -174+10lgBW+NF
经计算，组件的灵敏度为 = -98.2 dBm，组件的线性输入最大信号为-25 dBm，则接收通道的线性动态范围为73.2 dB，满足系统使用要求。
结合变频损耗及中频放大器增益，接收通道的增益为40 dB，整个接收通道的增益分配如表1所示。
2.2" 发射通道技术指标分析
发射通道主要包含公共支路的滤波器、环行器，以及发射支路的GaN功放、GaN驱放、驱动放大器、数控衰减器及IQ调制器等，如图1所示，其中驱动放大器、数控衰减器采用一体化芯片设计方案，实现了更进一步的小型化。
其中，GaN功放与GaN驱放共同构成GaN高增益功放载片，功率增益达34 dB，输出功率52 dBm，效率为50%，结合驱动放大器、数控衰减器及链路衰减，可使得IQ调制器在输出5 dBm下，末级GaN功放处于饱和状态下工作。功放后级的隔离器、环行器、滤波器损耗合计为2.4 dB，则组件可以输出功率为49.6 dBm。整个发射通道的增益分配如表2所示。
由于系统以TDD模式进行工作，则发射通道工作为脉冲形式，组件采用漏极电源调制的方式为GaN功放载片进行供电，漏极电源调制电路采用三极管及MOS管开关电路，并进行泄放电路设计，可以保证功放+36 V供电的上升沿及下降沿控制在100 ns以内，由于系统设置了1 μs的收发切换保护时间，100 ns以内的上升沿与下降沿不会使收发切换时接收与发射供电时序发生交叠，从而切断了组件中收发放大器形成的环路，避免了组件发生自激震荡的现象，使收发形成时间上的隔离。另外，漏极电源调制电路还进行了负控正设计，以避免加电时序错误造成的功放烧毁。
脉冲项降同样是脉冲收发组件的主要指标，其一般由组件内部的储能电容来保证，对于储能电容值的计算公式为[6]：
C = I×t/ΔV
其中，I表示功放脉冲内的峰值电流，t为脉冲宽度，ΔV为脉冲开始到结束时的电压降。
组件采用的功放的峰值电流为8.9 A，同时根据实际测试经验，当漏极电压下降2.5 V，功率输出下降0.4 dB，则在100 μs的脉冲宽度下，对于1.5 dB脉冲顶降的指标要求，所需储能电容值C = 8.9×100/9.375 = 94.93 μF，组件采用3只33 μF的钽电容器，可保证顶降的指标要求。
为了提高组件的谐波抑制能力，在组件的公共支路上采用了集总形式的LC带通滤波器，其原理图如图3所示。
LC滤波器首先进行了仿真，并进行了单独测试，仿真与测试结果如图4所示。从实际测试结果中可以看出，所采用的LC滤波器在二次、三次、四次谐波处可以提供大约50 dBc的抑制度。结合GaN功放本身的谐波抑制及环行器、隔离器的谐波抑制，组件可以实现二次、三次、四次谐波大于65 dBc的抑制度。
3" 热设计
GaN功放载片是组件中发热量最大的部件，良好的散热有助于组件长期在高温环境下可靠稳定的工作。因此，组件主要通过以下措施进行散热设计：选用钼铜合金作为GaN功放管芯的载体，同时管芯通过金锡焊料烧结在载体上，盒体及底盖板采用铝合金，盒体采用精密加工方式加工，保证功放载片与盒体的接触面平整光滑，以减小接触热阻。
结合上述热设计措施，将圆角和连接器等删除对组件三维模型进行简化，并在热仿真软件中对5%占空比饱和输出功率下的组件进行热仿真，设置环境温度为+70 ℃，功放载片总功耗为16 W（5%占空比），设置为体积热源，上腔内其余功耗约为0.5 W，下腔功耗约为1.5 W，分别设置为上下腔的表面热源，在温度仿真收敛后，得到仿真结果如图5所示。
经热仿真分析，在70 ℃的工作温度环境下，组件在5%占空比的工作条件下饱和功率输出，功放载体温度最高为80.88 ℃，则根据功放管芯结温计算公式：
Tch = Tbase+Pd×θjc
其中，Tbase表示载体温度，Pd表示热耗散功率，θjc表示功放管芯到壳体的热阻，组件中约为2 ℃/W，可以计算得出管芯的结温为106.48 ℃，满足Ⅰ级降额（115 ℃）要求，能够保障组件在高温环境下正常工作。
4" 测试结果分析
基于上述设计方案，试制了小批量的L波段小型化收发组件，如图6所示，并对其进行了测试，主要性能指标测试结果如表3所示，发射频谱如图7所示。
测试结果表明，组件的发射功率、脉冲上升沿与下降沿、脉冲顶降、接收增益、噪声系数等主要指标均与理论设计值保持一致，性能指标优良，尺寸仅为75 mm×42 mm×20 mm，重量仅为130 g，满足工程应用中的小型化与轻量化要求。
同时，对比国内工作频率、发射功率接近的同类型收发组件，对比结果如表4所示，可
以看出，在尺寸的小型化方面，本文所设计的组件具有明显优势。
5" 结" 论
本文通过对各性能指标的分析和计算，完成了一种L波段小型化收发组件的设计。在研制过程中重点分析了接收通道的链路增益及噪声系数，发射通道的输出功率、顶降、谐波等关键指标。为了满足相控阵雷达系统对固态收发组件体积、重量的限制要求，采用了微封装电路模块和芯片化电路技术，实现了组件的小型化与轻量化设计。收发组件在完成生产和调试之后，经测试各项指标与设计指标基本相符。目前，该组件已经通过各项试验，整机实际使用测试结果表明，该组件工作稳定可靠，完全满足系统要求。从而，印证了该设计方法在组件小型化设计中的可行性。
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