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  T/R组件是构成有源相控阵雷达天线的基础,它的体积、重量、性能、可靠性等指标直接影响整体性能。基于氮化镓功率放大芯片的T/R组件在体积、性能、热稳定性方面都占有优势,在相同输出功率下获得比GaAs器件更高的效率、更小的尺寸,热稳定性好。同时在组件内部大量采用微带线结构制作无源电路,微带线制作简便且易与其他微波器件集成,采用微带式功分器和微带线耦合器可以进一步减小组件的体积。本文介绍了一款基于氮化镓芯片的C波段5通道T/R组件,对组件关键指标进行分解、仿真设计并实测实现。
 
1 . 组件设计
1.1电路原理
  T/R组件由5通道收发支路和一分五功分网络构成。每个通道包含六位移相器、六位衰减器、收发开关、限幅器、低噪声放大器以及功率放大器等器件,由于小型化的要求,组件内部器件均采用MMIC芯片构成。
  T/R的原理模型见图1。
组件原理模型图  
图1 组件原理模型图
  单通道组件内部公共部分包含六位数控移相器、开关、环行器、耦合检波和滤波器,实现收发的分时切换工作、发射检波、发射谐波抑制和接收干扰滤除。
  接收支路要求单通道增益(14±1)dB,噪声系数≤3dB;电路由两级低噪声放大器、六位数控衰减器组成。
  实现接收信号的限幅放大、幅相的加权。低噪声放大器的指标将起关键影响,增益越高、噪声系数越小,系统性能越好。
  发射支路要求功率≥20W,效率≥35%;电路驱动放大器、功率放大器等部分组成,功率放大器的功率和效率是决定组件性能的关键指标,它的效率越高,系统的效率越高。
 
1.2仿真计算
  T/R组件基于小型化设计要求,传输线均采用微带线制作,微带结构的传输线更适用于平面电路结构体积小。
  一分五功分网络采用一分六微带功分器功分器实现,将多余的端口连接匹配负载,图2为该功分网络模型,该功分网络的隔离度达到18dB以上。通过仿真软件和实测获得的数据对比在图3给出,两者能够比较好的吻合。
功分网络模型图  
图2 功分网络模型图
功分网络仿真和测试值对比  
图3 功分网络仿真和测试值对比
  接收支路的级联计算指标见表1所示,单通道增益设计值16dB左右(包含功分器损耗),噪声系数2.8dB;实测时通过增加可调衰减器将增益控制在(14±1)dB。
表1 接收增益、噪声级联计算值
接收增益、噪声级联计算值  
  发射支路的发射效率计算时,以占空比35%计算功耗:其中公共电路0.28W、发射驱放0.6W、接收支路0.78W,功放效率50%输出功率44.5dBm(28W)时功耗19.8W,组件输出(P0)66W计算,计算组件效率(η)为36%,发射支路的级联计算指标见表2。
表2 发射输出功率、效率计算值
发射输出功率、效率计算值  
 
1.3   结构和热仿真
  T/R组件的结构设计需要考虑安装、散热、重量、可靠性等问题。
  5通道的T/R组件模块采用了大量的裸芯片以提高组件封装密度,因此必须对T/R模块进行密封设计,以隔绝外部恶劣的工作环境的影响,保证其长期可靠性和稳定性。外壳选用铝壳体并采用激光封帽的方式。
  组件的主要热源来自与功率放大模块的热耗,系统采用液冷方式进行散热,采用Flotherm热仿真软件计算管芯温度,当液冷板控制在壳温50℃时,组件的管芯温度小于80℃,如图4所示,该结构方案能够很好的实现热控制。
功放管芯热仿真图  
图4 功放管芯热仿真图
2 . 组件的实现
  5通道T/R组件的结构实现图如图5所示,包含5通道T/R模块和滤波器模块,模块之间采用双阴互连。
5通道T/R组件结构图  
图5 5通道T/R组件结构图
  接收通道测试结果如图6所示,增益13.6dB~14.3dB,噪声系数2.3dB~2.9dB。发射通道测试结果如图7所示,输出功率在43.5dBm~44.4dB,组件效率35.6%~39.6%。
组件接收指标测试  
图6 组件接收指标测试
组件发射指标测试
图7 组件发射指标测试
 
3 . 结论
  本文介绍了C波段T/R组件的设计与实现,通过仿真软件对组件中的微带电路进行仿真并制作样品实测,来验证指标中隔离度、插损等指标。组件的功率放大器采用氮化镓工艺实现,在获得大功率的同时获得的组件效率大于36%以上。最终实现的T/R组件体积95mm×88mm×9.4mm、连接腔体滤波器后体积为160mm×88mm×15mm,满足应用要求。

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