Ka波段多通道超薄型 T/R组件的实现 -中国期刊网

首页 > 《科学与技术》 > 2020年14期 > Ka波段多通道超薄型 T/R组件的实现

（整期优先）网络出版时间：2020-09-27

作者: 沈端孙安锋李丽华

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Ka波段多通道超薄型 T/R组件的实现

沈端孙安锋李丽华

南京国博电子有限公司，江苏，南京， 210016

摘要：介绍了一种Ka波段八通道超薄型T/R组件的电路原理设计和实现。GaAs MMIC、微型同轴结构、微型插针、高密度多层布线技术的应用有效减小了组件的体积和重量；组件内部通过合理的力学结构设计，增加了组件的抗形变能力，并最终实现了高可靠性的多通道Ka波段八通道超薄型T/R组件。

关键词： T/R组件；Ka波段；超薄型；小型化；高可靠性

1 引言

相控阵T/R组件由于具有扫描速度快、控制灵活、幅度和相位连续可调等优点，正获得越来越广泛的应用。在毫米波有源相控阵体系中,每幅相控阵天线均包含成百上千个T/R通道，每一辐射单元的高功率产生、低噪声放大以及幅相控制均由独立的T/R通道来实现，同时，由于相控阵体系自身体积和供电电源的限制，对毫米波T/R组件的的体积提出了严格的要求^[1-2]。

本文介绍了一款Ka波段八通道超薄型T/R组件的设计及实现，对组件关键指标进行分解、仿真设计并实测。组件具有较薄的Z向尺寸、较高的抗形变能力、较好的性能指标。

2组件设计

2.1 电路原理

T/R组件由8通道收发支路和2个一分四功分网络构成。每个通道包含六位移相器、五位衰减器、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。

组件每个通道包含数控移相器、收发切换开关、低噪放、数控衰减器、发射驱放、发射末级放大器等元器件。

组件实现的功能有：（1）实现收发分时切换工作；（2）单通道独立移相衰减；（3）单通道独立功率放大和低噪声接收。

图1 组件原理框图

发射支路要求输出功率≥400mW，接收支路要求单通道增益≥19，带内平坦度±2dB，噪声系数≤4.5dB，组件重量≤20g。

组件要求实现小型化、超薄型设计，尺寸要求：60mm×35mm×3.3mm。

2.2 仿真计算

根据设计要求，对组件内功分网络采用微带电路方式实现。在各种微带功分器中，Wilkinson 功分器由于其结构简单、易于实现，具有良好的电特性等因素，被广泛地应用于微波和毫米波电路系统中。为提高集成度，减小馈电收发组件体积，将采用低损耗微带板结合GaAs工艺技术的功分器的方式，实现毫米波一分四功分网络设计。

图2 功分网络模型图

图2为毫米波一分四功分网络模型，该功分网络仿真结果为插损-7.2～-7.9dB，驻波S11≈1.9，S22、S33≈1.4。

接收支路的级联计算指标见表1所示，单通道增益设计值23.5dB左右（包含功分器损耗），噪声系数设计值3.31dB。发射支路的级联计算指标见表2，发射功率设计值≥27.5dBm。

表1 接收增益、噪声级联计算值

表2 发射输出功率、效率计算值

2.3 结构和热仿真

组件需要在长为60mm，宽为35mm尺寸内实现八个收发独立通道，这要求组件内部采用大量裸芯片以提高封装密度，同时对对组件进行密封设计，以隔绝外部恶劣的工作环境影响，保证其长期可靠性和稳定性。外壳采用激光封帽的方式。在选择结构材料时统筹考虑了强度、成本、重量、加工性、热和电性能要求等方面综合因素。由于要求重量轻、传热快，同时要求结构所用材料能够易于加工，选择铝作为主体材料^[3]。

由于组件Z向尺寸为3.3mm极薄，组件的主要热源来自与功率放大模块的热耗，系统采用风冷方式进行散热，采用热仿真软件计算管芯温度，当风冷控制壳温稳定在70℃时，组件的管芯温度小于96.1℃，如图3所示，该结构方案能够很好的实现热控制^[4]。