小型化C波段大功率收发组件研制

小型化 C波段大功率收发组件研制

赵俊顶 陈家明 张端伟 章勇佳 周伟 陈继鹏 王亦何

南京电子器件研究所，江苏南京 210016

摘 要：本文以有源相控阵雷达为应用背，基于微波单片集成电路(MMIC)技术和多芯片组装(MCM)工艺技术，采用合适的设计方案，研制了一种小型化C波段150W大功率收发组件。该组件性能优良、体积小、功耗低、可靠性高，能够实现发射功率150W，接收增益大于40.0dB，噪声系数小于2.5dB，组件尺寸为60mm×50mm×10mm，且内部集成了发射通道电路、接收通道电路及电源管理电路等。

关键词:收发组件;小型化;大功率; MMIC; MCM

1. 引言

随着雷达、导航、电子对抗、微波通讯的发展，要求微波收发系统向大功率、低功耗、小型化、高集成度发展，随着微波单片集成电路（MMIC）和多芯片组装（MCM）技术的发展与应用，收发组件的发展趋于小型化、轻量化、高集成。本文介绍的小型化C波段200W功率收发组件就是基于这种需求而研制，它是某系统的核心部件，主要完成对输入信号的限幅放大、功率放大等功能。

2. 原理简介

该收发组件有发射通道、接收通道、环形器收组成，主要用于对频段内输入的射频信号进行功率放大并对接收自天线的微弱射频信号进行低噪放大。

发射通道主要由衰减器、单刀单掷开关、增益放大器、驱动放大器、末级放大器、3dB电桥、耦合器、检波器、电源管理电路组成，完成对发射射频信号的功率放大。四个末级放大器一起工作进行功率合成,实现大功率状态200W发射输出。通过脉冲供电模式对放大器进行加电，放大器的加电脉冲和微波开关的调制脉冲在时间上保持高度一致，在提高电源利用率的同时，增加了发射链路的隔离性能。

接收通路主要由限幅器、低噪声放大器、3dB电桥、数控衰减器、温补衰减器、电源供电及控制电路组成，完成对回波信号的低噪声放大，同时具有对大功率信号的限幅保护功能。采用脉冲供电模式对放大器进行加电，放大器的加电脉冲与发射链路的加电脉冲独立控制，高发低收，发射通路工作时，关断接收通路供电，实现收发分时工作，提高收发隔离度。

C波段收发组件能搞实现接收增益：≥40.0dB,噪声系数：≤2.5dB,接收通道输出P-1功率：≥10dBm,发射功率增益：≥40dB,发射饱和功率：≥150W等指标。

图 1- 1 原理框图

3. 电路设计

为设计出小型化收发组件，接插件采用超微型矩形密封电连接器，接收通道及发射通道均选用成熟的MMIC芯片，为不仅减少分立元件的使用，还可以简化设计过程，提高设计效率。生产装配采用MCM技术，不仅大大减小了电路装配和调试工作量，而且幅相一致性较好、体积小。

1. 1. 接收通道设计

接收通道主要功能是将天线接收到微弱信号逐级放大输出；接收支路主要由环形器、电桥Ⅱ、限幅器、低噪声放大器、电桥Ⅰ、带通滤波器、10dB数控衰减器、单刀单掷开关、温补衰减器、低噪声放大器、衰减器等组成。

为提高接收通道的承受功率指标及改善支路间驻波，接收支路采用了平衡式限幅低噪放设计方案。接收通道元器件具体指标如表1 所示，射频输入信号节点功率为-32.5dBm时，首先经过环形器、电桥Ⅱ、限幅器、低噪声放大器、电桥Ⅰ后节点功率变为-4.5dBm，然后经过带通滤波器、30dB数控衰减器、单刀单掷开关、温补衰减器后节点功率为-13.5dBm，最后经过低噪声放大器、衰减器P1dB为+11.5dBm。

1. 增益、P1dB

-环形器损耗（0.4dB）-电桥Ⅱ损耗（0.4dB）-限幅器损耗（0.3dB）+低噪声放大器增益（26.0dB）-电桥Ⅰ损耗（0.4dB） -数控衰减器损耗（3.0dB）-单刀单掷开关损耗（1.0dB）-温补衰减器损耗（2.5dB）+低噪声放大器增益（26.0dB）=44dB；由接收通道增益原理图及所选元器件指标情况可知，如果接收功率为-32.5dBm时，支路P1dB压缩点输出功率为11.5dBm。

2. 噪声系数

根据级联网络噪声系数的计算公式：

模块单支路噪声系数设计值为：

NF_总≈2.0dB

3. 承受功率

承受功率由环形器、限幅器决定，在10%占空比情况下，其所选限幅器能够承受功率≥49dBm、所选电桥Ⅱ承受功率≥53dBm、所选环形器能够承受峰值功率≥53dBm。

1. 2. 发射通道设计

发射支路主要功能是将输入支路射频信号逐级实现放大，最终实现所需饱和输出功率；采用四个功率载板进行功率合成，为了提高合成效率、功率容量及小型化要求，具体采用氧化铝介质的Lange桥实现功率合成；大信号模式下，四个功率载板一起工作,小信号近炸模式下，关断其中三个功率载板，只让一个功率载板工作。通过脉冲供电模式对放大器进行加电，放大器的加电脉冲和微波开关的调制脉冲在时间上保持高度一致，在提高电源利用率的同时，增加了发射支路的隔离性能；发射支路主要由衰减器、单刀单掷开关、增益放大器、单刀单掷开关、驱动放大器、电桥Ⅰ、末级放大器、电桥Ⅱ、环形器组成。

根据收发模块总体指标要求，射频输入信号节点功率为+10dBm，首先经过衰减器、单刀单掷开关节点功率变为+5dBm，然后经过增益放大器、单刀单掷开关节点功率变为+18dBm、其次经过驱动放大器节点功率变为+41dBm，再经过电桥Ⅰ由一路射频信号功分四路、推动四路末级放大器、再由电桥Ⅱ将四路射频信号功率合成为一路后节点功率≥52.5dBm，最后经过环形器饱和输出功率≥52dBm(150W)。

1. 功率增益、饱和输出功率

-衰减器损耗（3.9dB）-单刀单掷开关损耗（0.9dB）+增益放大器增益（14dB）-单刀单掷开关损耗（0.9dB）+驱动放大器增益（2.5dB）-电桥Ⅰ损耗（0.4dB）-电桥Ⅰ损耗（0.4dB）+末级放大器增益（13.0dB）-电桥Ⅱ损耗（0.5dB）-电桥Ⅱ损耗（0.5dB）-环形器损耗（0.4dB）=42.6dB；整个发射支路的总功率增益≥50.5dB，净功率增益≥42.6dB，输入功率≥10dBm时，饱和输出功率约为52.0dBm(150W)。

2. 发射附加效率

考虑到发射链路中驱动放大器和末级放大器的附加效率：≥65%，基于此组件的附加效率≥60%。

4. 研制结果

通过采取以上的设计方法与测试技术,成功地研制出了小型化C波段大功率收发组件,并且量产，发射功率≥51.5dBm,发射功率增益≥43dB，接收通道增益≥40dB,噪声系数≤2.5dB,很好地满足了指标要求。且本产品可靠性非常高，具备很高的良率，适用于多种雷达平台。

[1]郭庆，吕慎刚．C波段全固态T/Ｒ组件设计[J].微波学报，2013，29(4)：69-73.

[2]刘秀博，吴洪江.MMIC在T/R组件中的应用[J].半导体技术，2015(11)：810-814.

[3]胡明春，周志鹏，严伟.相控阵雷达收发组件技术[M].国防工业出版社，2010.

[4]邢靖，刘永宁．C波段固态功放设计和实验研究［J］现代雷达，2005(6):59-62.