有源相控阵雷达T/R组件稳定性分析设计

有源相控阵雷达T/R组件稳定性分析设计

刘先莉

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230000

摘要：T/R组件是有源相控阵雷达的核心部件，有源相控阵雷达天线辐射单元经T/R组件将发射信号功率放大，以低噪声放大接收信号，并调整幅度及相位，从而完成发射与接收波束的空间合成。

关键词：有源相控阵雷达；T/R组件；稳定性

一、有源相控阵雷达发展概况

相控阵雷达是指通过相位控制电子对阵列雷达进行扫描，利用大量个别控制的小型天线进行单元排列，最终形成天线阵面，并且每个天线单元由各自独立的开关控制，形成不同相位波束。相控阵雷达分为有源和无源两类，其中，有源相控阵雷达天线阵面的每个天线单元中均含有源电路，T/R组件是有源相控阵雷达的关键部件，很大程度上决定其性能优劣。收发合一的T/R组件包括发射支路、接收支路、射频转换开关、移相器。每个T/R组件既有发射高功率放大器(HPA)、滤波器，限幅器，又有低噪声放大器(LNA)、衰减器、移相器、波束控制电路等。由此看见，利用二维相位扫描的有源相控阵雷达设备量和成本相当可观。尽管如此，最先研制成功并投入应用的相控阵雷达就是有源相控阵雷达，例如20世纪60年代末美国研制的的大型相控阵雷达AN/FPS-85。该相控阵雷达作用距离数千公里，被用于空间目标监视、跟踪及识别，可做导弹预警、测轨和编目卫星。采用收发阵面分离的二维相位扫描相控阵平面天线，其发射天线阵中含有五千多个天线单元，发射机采用四极管等电真空器件，每个发射机峰值功率高达6kW，平均功率约80W。采用有源相控阵天线模式，利用空间功率合成方式，实现发射机总输出峰值功率32MW、平均功率400kW的要求。

有源相控阵雷达出现较晚，大部分是三坐标雷达，即方位(水平方向)机械扫描、仰角(垂直方向)电扫描的一维相位扫描雷达，以此获取目标距离、方向和高度信息。为提高雷达性能，二维相位扫描的三坐标雷达采用了固态有源相控阵雷达天线，这类雷达在水平、垂直方向上均进行相位扫描，同时天线阵列还可进行机械转动，克服了平面相控阵雷达天线观察空域有限的缺点，大幅提高了雷达数据率，改善了对多目标的跟踪性能。

二、有源相控阵雷达特点

相控阵雷达与机械扫描雷达一样，分为发射、接收分系统。其中，发射分系统包括发射天线阵、发射馈电系统、发射信号产生及功率放大部分。接收分系统包括接收天线阵、接收机前端、接收波束形成网络、多路接收机、信号处理机及雷达终端设备。此外，完成不同任务的相控阵雷达虽然有差别，但基本组成部分一致。

三、T/R组件在相控阵雷达中的作用

有源固态相控阵雷达的基本单元是T/R组件，每个T/R组件相当于一个普通雷达的高频头，既有发射功率放大器，又有低噪声放大器及移相器、波束控制电路等功能电路。有时还在接收通道中增加滤波器用来抑制外界干扰信号和在有干扰杂波的条件下，控制接收信号的动态范围。必要时也在发射通道中加滤波器，用于抑制可能对外界干扰信号与对其他无线电装置造成干扰的频谱分量及高次谐波。其电路组成由系统性能要求决定，组件的研制从最初方案选择到批量生产，要经很长的过程，也需考虑多种因素。

T/R组件在相控阵雷达要完成的功能为：①发射信号的放大或产生，目前正在使用与研制中的有源相控阵雷达中，T/R组件的主要功能是对来自公共发射信号激励源的信号进行放大，由高功率放大器实现这一功能。②接收信号的放大或变频，在T/R组件接收支路里，低噪放用于接收信号的放大。考虑到在低噪放之后至接收通道接收机之间还存在接收传输网络等带来的损耗，T/R组件中低噪放的增益适当提高，以便使其后面接收部分的噪声温度降低整个接收系统噪声或噪声影响。③实现天线波束扫描所需的相移及波束控制，移相器是T/R组件中的一个关键功能电路，依靠其能使天线波束指向改变，即实现天线波束的相控扫描。④变极化的实现与控制，战术有源相控阵雷达中的T/R组件也具有实现变极化的能力。⑤检测功能，T/R组件检测功能要求对T/R组件的设计有重要影响。

有源相控阵雷达在发射周期，由激励信号源送来的信号送入T/R组件发射通道，再经收发开关，数字移相器到驱动放大器，再到功率放大器使信号放大后经环形器馈至天线辐射单元。在接收周期，从天线受到的微弱信号经环形器再到限幅器、低噪声放大器，最后经移相器、收发开关到接收机。

四、T/R组件构成与工作原理

当前，最常用的T/R组件由发射通道、接收通道、公用通道组成。发射信号从F端口输入，通过移相器移相后，经收发开关至发射通道驱动放大，然后由末级功放放大后，由环行器输出。接收信号由A端口输入至环行器经限幅器、低噪声放大器放大后由收发开关至移相器移相后再输出，其中限幅器起着发射期间保护接收通道的作用。由于雷达是收发同频工作，所以需采用时分(TD)工作模式来实现收发隔离。

五、T/R组件稳定性设计

1、C类功放构成的T/R组件设计。工作在S波段及其以下组件，往往要求组件输出功率大，因此组件发射通道通常采用硅工艺制造的功率晶体管，功放工作在C类。C类功放特点是导通角大，因而只有当一定大的激励信号输入时，功放才工作，小信号激励功放是截止的。若发射通道采用大功率激励(常采用PIN管移相器)，那么发射通道增益就不会太大，而环行器及收发开关的隔离度在这个频段能做得很好。由于接收通道往往不断电连续工作，因此设计人员要注意，当发射导通工作时，必须使环路增益和隔离度满足相关要求。在这个频段，可轻而易举地选到合适开关及隔离器来满足系统要求，这也就使以往组件系统设计人员在不考虑环路稳定性设计时也能使组件满足工程使用要求。

2、A类或AB类功放构成的T/R组件设计。这类组件由于工作频率较高，天线单元间距的限制使系统对组件尺寸要求很苛刻，而组件输出功率一般不大于10W，因此均采用GaAs FET或PHEMT有源器件来实现其高频特性。设计人员往往使这类器件在发射时处于AB类工作状态，因此同上面组件的发射电路不同，即使无激励信号，发射通道也处于工作状态，再加上采用的GaAs FET器件移相器相对损耗较大，使组件的系统增益较高，而开关和隔离器在这个频段的隔离度不可能太高，因此若只通过器件的选择很难满足收发隔离要求。设计人员除选择合适器件外，还必须另外采取措施来提高系统隔离度，一般可通过T/R波控来实现．

组件系统设计人员为提高效率，通常对发射通道功放电路进行脉冲调制，这样使组件在发射以外工作期间的收发隔离度得以提高，但在发射期间隔离度未改善，因此为提高整个工作期间的收发隔离度，必须在发射期间关断接收通道，并且两者的控制时序不能有交叉，即发射控制上升沿和接收控制下降沿不能有交叉，且要求发射导通时间小于接收截至时间。

若采用图1所示不合适的收发时序，即发射导通时间正等于或小于接收截至时间，发射控制上升沿和接收控制下降沿有交叉，这样收发通道就可能存在瞬间收发隔离不够的可能，从而使系统存在不稳定隐患。

图1  不正确的收发控制时序图

总之，经上述分析可看到T/R组件系统稳定性设计是对组件设计人员新引入的概念，特别在高频频段组件设计中，要引起足够重视。另外，除上述设计方法外，在T/R电路设计中要注意空间隔离、电源和控制线滤波隔离，只有这样才能提高组件设计成功率，缩短研制和调试周期，降低研制成本，提高雷达阵面可靠性及整机稳定性。

参考文献：

[1]李浩摸.相控阵收发(T/R)组件[J].半导体情报，2016(02).

[2]於洪标.有源相控阵雷达T/R组件稳定性分析设计[J].电子学报，2016(06).