C-band High-power Microwave T/R Module Design
Qianzhiyu
No.55 Institute,CTEC
No.524,ZhongShanDong Road,Nanjing210016
Abstract: This paper introduces a C-band high-power microwave T/R module. With analyzing the whole targets of the module, we chose proper structure and used microwave CAD software. We got a good exhibition on a C-band microwave T/R module.
Key words: phased array radar,T/R module, solid state power amplifier
摘要:本文介绍了一种相控阵用C波段大功率T/R组件的设计实现方法。通过分析整机技术要求,借助微波CAD辅助设计软件,采用固态功率放大器,并针对各功能部件选取合适的电路形式,设计并制作完成C波段大功率T/R组件样品,并给出了测试结果。
关键词:相控阵、T/R组件、固态功率放大器
1.引言
有源相控阵雷达具有探测距离远、效率高、可靠性高、维修性好、具有灵活的波束和更好的波瓣特性、高性能的阵列信号处理、灵活的雷达资源管理以及更高的抗干扰能力等一系列优点。
实现有源相控阵雷达的关键在于其有源相控阵列天线,而T/R组件则是相控阵阵列天线最关键的部件。相控阵雷达的性能、体积、重量以及可靠性都与T/R组件息息相关。从某种意义上讲,相控阵雷达的发展取决于T/R组件的发展。
T/R组件中技术难度最大的要属发射通道的大功率放大器。由于近十几年来微波功率器件技术的发展,频率应用范围提高、输出功率提高,器件均一性趋好,固态的功率放大器得以实现工程应用。
高性能T/R组件要求功率放大器具有宽频带、长脉冲、大功率,研制新的高性能的T/R组件对于进一步提高雷达整机的性能具有十分重要的意义。
2.总体设计考虑
T/R组件原理框图如图1所示
从T/R组件设计原理框图可见,相控阵雷达用T/R组件主要由环行器、发射固态功率放大器、接收开关限幅器、LNA、数控衰减器、移相器、收发切换开关组成。
移相器提供T/R组件的移相功能;固态功率放大器提供组件的发射功率;开关限幅器在组件功放工作时保护接收电路;LNA作为接收放大,并且整机可以通过数控衰减器调整组件接收通道增益。组件电源中包含了脉冲调制功能,可以根据系统指令选择固态功率放大器的工作方式。
T/R组件在雷达系统当中有三种工作状态,即发射、接收、负载态,由整机系统通过收发切换开关控制实现。
3.单元电路
根据T/R组件的整体设计,需设计的单元电路包括固态功率放大器、限幅和低噪声放大器、数控衰减、移相器和微波控制开关等。
3.1 功放和调制方式
功率放大器各级放大器和输出功率均采用固态功率器件,设计增益约51dB,饱和输出功率大于40W,发射效率应大于25%。采用5级级联放大,利用微波CAD辅助设计软件进行仿真并确定电路拓扑,合理安排各级放大器的功率电平和增益分配,使各级放大器均处于浅饱和状态,保证了功放的增益、输出功率幅度、发射效率达到设计要求的同时,保证了T/R组件之间发射幅度相位特性的一致性。
功率放大器可以以连续波模式工作,也可以以脉冲调试的模式工作。采用漏极调制的调制方式,在电路设计中尽可能减小电源电路内阻,降低电源功率消耗。上述设计保证了功率放大器在长脉冲甚至连续波条件下的发射性能。
3.2 开关限幅和低噪声放大器
开关限幅器在固态功放工作时保护接收电路。在组件工作在发射模式时,开关限幅器中的反射式开关处于关断状态,通过开关、限幅器的级联保证40dB左右的隔离(见图3),保证LNA不会收到大功率的冲击。
低噪声放大器设计增益35dB,噪声系数≤1.5dB。设计电路为3级放大器,选用超低噪声HEMT场效应管,并利用微波CAD软件辅助设计确定匹配电路。
3.3 数控衰减、移相器和微波控制开关
数控衰减器通过三组衰减切换电路实现三位步进衰减,并相互组合形成8种衰减状态,由3位编码控制衰减。
移相器为等时延移相器,通过四组相位切换电路实现四位移相,并相互组合形成16种移相状态,由4位编码控制移相。
微波控制开关有两种,一种为单刀双掷开关、一种为单刀三掷开关。两个开关共同工作选择T/R组件的工作状态,同时保证T/R组件接收、发射的隔离,由4位编码控制。
共有11位控制信号,分别为4位开关、4位移相、3位电调衰减、均为TTL输入信号。雷达整机系统通过这11位信号控制T/R组件的工作的方式。
根据各部分电路控制信号的真值表以及控制信号的极性、电流要求,在组件的电源中相应安排驱动电路。
4.测试结果
通过上述设计过程,最终制作出多只T/R组件样品,具体测试结果如下:
工作频段:C波段
移相器性能:
a)位数:4位(-180°、-90°、-45°、-22.5°)
b)最大移相误差(发射、接收):Δθ≤6°
c)均方根误差:接收状态≤3°,发射状态≤3.5°
发射支路性能
a)输入功率+5dBm时,饱和功率Po约46.1～46.4dBm (全工作频段、16种移相状态)
b)输入功率范围+1dBm～+7dBm,输出功率变化Po±0.5dB
c)工作方式:
脉冲工作:脉宽0.5～400uS,最大工作比45%
连续波工作:连续工作时间≥10min
连续波工作电流12.8A,电源10.5V,电源效率30.3%
接收支路性能
a)通道增益:24.4～25.3dB(全频段、16种移相状态、数控衰减器不衰减)
b)噪声系数:2.2dB
c)1dB压缩输出功率约+5dBm
d)数控衰减器:三位(0.5dB、1dB、2dB)
样品之间的收、发的幅度、相位一致性良好。
从上述测试结果看,所设计制作的T/R组件样品发射功率可达连续波40W,其他接收、移相、控制等组件功能齐备,达到了设计预期。
5.结论及今后的发展方向
T/R单元发射功率的提高可以直接提高相控阵雷达的探测、搜索范围,提高T/R组件发射功率是提高雷达性能的一种手段和发展趋势,本文所介绍的C波段大功率T/R组件正是针对这个发展方向而提出并研制的,为大功率固态功放在相控阵TR组件中的应用作了有益的探索。
本文所介绍的C波段大功率T/R组件采用固态功率技术,发射功率可达连续波40W。随着固态功率器件的发展,将来仍可以进一步提高发射功率、效率,采用集成MMIC技术,提高集成度、缩小体积。从而推动相控阵雷达整机性能的提高和发展。
参考文献
顾其诤 等 《微波集成电路设计》人民邮电出版社
《Handbook of RF/Microwave Components and Engineering》 A JOHN WILEY & SONS,INC
弋稳 等 《雷达接收技术》 电子工业出版社