李樹(shù)良，朱潤(rùn)月，劉　楊

(1. 南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039;　2. 酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，　甘肅 酒泉 735000)

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X波段有源相控陣?yán)走_(dá)子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李樹(shù)良1，朱潤(rùn)月2，劉楊1

(1. 南京電子技術(shù)研究所，南京 210039;2. 酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 735000)

分析了X波段有源相控陣?yán)走_(dá)子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件的功能及其工作原理，介紹了驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件高精度與小型化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方式。針對(duì)任務(wù)需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種集成五位延時(shí)、收/發(fā)增益補(bǔ)償功能的驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，該驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件接收增益為16 dB±1 dB，發(fā)射功率為27.5 dBm±0.5 dBm，延時(shí)切換時(shí)幅度精度≤±0.8 dB，相位精度≤±5°。

子陣；驅(qū)動(dòng)延時(shí)；高精度；小型化

0　引　言

隨著雷達(dá)技術(shù)水平的提高，相控陣?yán)走_(dá)的寬帶化成為目前發(fā)展趨勢(shì)。與傳統(tǒng)窄帶雷達(dá)相比，寬帶雷達(dá)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。雷達(dá)瞬時(shí)帶寬的提高，會(huì)產(chǎn)生寬帶大掃描角度帶來(lái)的波束空間指向色散問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，需要對(duì)相控陣天線(xiàn)接收/發(fā)射信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償。若對(duì)每個(gè)天線(xiàn)通道信號(hào)均進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，會(huì)較大程度上增加天線(xiàn)陣面的成本。在子陣級(jí)加入延時(shí)線(xiàn)，即可對(duì)波束指向精度有著明顯提高，又能兼顧延時(shí)線(xiàn)的應(yīng)用成本[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中，實(shí)現(xiàn)延時(shí)補(bǔ)償主要有微帶傳輸線(xiàn)[3-4]、慢波傳輸線(xiàn)[5]、左手傳輸線(xiàn)[6]等方式。微帶傳輸線(xiàn)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但體積較大不利于集成。慢波、左手傳輸線(xiàn)方式體積較小，但帶寬有限，帶內(nèi)幅度平坦度較差。

本文采用微波多層工藝，選擇多層帶狀線(xiàn)傳輸線(xiàn)方式設(shè)計(jì)延時(shí)電路，在較小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了X波段4 GHz寬帶延時(shí)，并具備較好的帶內(nèi)幅相特性。此外，本文將發(fā)射驅(qū)動(dòng)、接收增益補(bǔ)償與延時(shí)電路一體化設(shè)計(jì)，一方面可以補(bǔ)償寬帶大角度掃描帶來(lái)的波束空間指向色散；另一方面補(bǔ)償延時(shí)帶來(lái)的損耗，有利于陣面收/發(fā)鏈路電設(shè)計(jì)。該組件輸出功率≥27 dBm、接收增益≥15dB，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)0.1ns，延時(shí)量為0～3.1 ns，具備一定的實(shí)用性。

1　子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件的功能

傳統(tǒng)的窄帶波束形成器中，每一個(gè)傳感器的信號(hào)都乘以復(fù)數(shù)加權(quán)系數(shù)而形成陣列天線(xiàn)的輸出信號(hào)。當(dāng)信號(hào)帶寬增加時(shí)，由于天線(xiàn)修正的相位和頻率不構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，窄帶波束形成器的性能開(kāi)始惡化，所以，對(duì)于信號(hào)傳輸中不同的頻率成分來(lái)說(shuō)相位響應(yīng)會(huì)有所變化[7]。因此，處理寬帶、超寬帶陣列信號(hào)時(shí)必須將每個(gè)天線(xiàn)單元收發(fā)信號(hào)之間的時(shí)延差補(bǔ)償?shù)胶侠淼姆秶?。以接收天線(xiàn)為例，如圖1所示。

圖1　引入延時(shí)線(xiàn)補(bǔ)償后的陣列天線(xiàn)示意圖

假設(shè)第n路天線(xiàn)陣元的接收信號(hào)為xn(t)，由于存在時(shí)延，則

(1)

式中：τn為第n路天線(xiàn)接收信號(hào)時(shí)延；d為陣元間距；θ為陣元垂直方向與接收信號(hào)夾角；n=1,2,…,N，N為陣元總數(shù)量。

對(duì)每個(gè)天線(xiàn)接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，去除時(shí)延值

(2)

則補(bǔ)償后的信號(hào)為

x1(t-T0)

(3)

可以求得合成信號(hào)為

(4)

因此，時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)可以消除陣列天線(xiàn)孔徑效應(yīng)引起的波束色散并補(bǔ)償孔徑渡越時(shí)間。在實(shí)際工程應(yīng)用中，隨著對(duì)延時(shí)總量要求的增加，延時(shí)線(xiàn)的體積、成本與電損耗不可忽略。若對(duì)每個(gè)通道均進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，會(huì)較大程度上增加天線(xiàn)陣面的成本。因此，一般在子陣級(jí)加入延時(shí)線(xiàn)。同時(shí)，為了兼顧收/發(fā)鏈路電平設(shè)計(jì)并補(bǔ)償延時(shí)線(xiàn)帶來(lái)的損耗，將延時(shí)電路與收/發(fā)放大電路集成設(shè)計(jì)，形成子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件。

子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件在天線(xiàn)陣面中的位置與功能，如圖2所示，由陣列天線(xiàn)接收到的信號(hào)經(jīng)T/R通道放大后通過(guò)合成網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件進(jìn)行增益補(bǔ)償與延時(shí)，一定數(shù)量的有源子陣接收信號(hào)合成后進(jìn)入接收機(jī)。發(fā)射信號(hào)通過(guò)陣面網(wǎng)絡(luò)分配至各個(gè)有源子陣，然后進(jìn)入驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件進(jìn)行信號(hào)放大與延時(shí)，再分配至每個(gè)T/R通道放大后由天線(xiàn)輻射而出。

圖2　天線(xiàn)陣面示意圖

2　子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件的原理與設(shè)計(jì)

根據(jù)天線(xiàn)陣面的應(yīng)用需求，對(duì)子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件的設(shè)計(jì)提出的要求有：

1)驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件需實(shí)現(xiàn)五位延時(shí)功能，接收增益≥15 dB，發(fā)射輸出功率≥27 dBm；

2)驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件需具備較高的延時(shí)精度，延時(shí)幅度精度≤±1 dB，延時(shí)相位精度≤±12°；

3)驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件體積盡可能小，以便于子陣集成與裝配。

2.1組件原理設(shè)計(jì)

根據(jù)子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件的設(shè)計(jì)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件原理圖，如圖3所示。子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件集成了發(fā)射驅(qū)動(dòng)、接收增益補(bǔ)償與五位延時(shí)功能。為滿(mǎn)足接收增益與發(fā)射輸出功率的要求，發(fā)射鏈路采用了三級(jí)功率放大器，接收鏈路采用兩級(jí)低噪聲放大器。同時(shí)，在組件內(nèi)部電平分配時(shí)，將放大器采用延時(shí)電路隔開(kāi)。一方面可以拉大放大器之間的物理間距；另一方面可避免增益電路過(guò)于集中，防止自激，增加組件的穩(wěn)定性。

圖3　子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件原理圖

五位延時(shí)電路主要由可以通過(guò)開(kāi)關(guān)切換的參考/延時(shí)態(tài)位組成，共有1λ、2λ、4λ、8λ、16λ五種態(tài)位。以中心頻率f0=10 GHz為例，每增加一個(gè)λ，電延時(shí)量增加1/f0，即0.1 ns。延遲線(xiàn)工作在基態(tài)時(shí)，五個(gè)態(tài)位全部選擇走參考支路，此時(shí)延時(shí)量記為T(mén)0；工作在全延時(shí)態(tài)時(shí)，五個(gè)態(tài)位全部選擇走延時(shí)支路，此時(shí)時(shí)間延遲為T(mén)0+3.1 ns。因此，通過(guò)開(kāi)關(guān)選通不同路徑，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)0.1 ns、延時(shí)量T0+(0～3.1 ns)的時(shí)間延遲。

2.2組件性能設(shè)計(jì)

延時(shí)開(kāi)關(guān)切換時(shí)，延時(shí)電路產(chǎn)生的時(shí)延是由參考態(tài)與延時(shí)態(tài)的路程差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)延量提高時(shí)，路程差也需對(duì)應(yīng)增加，即延時(shí)態(tài)的傳輸電長(zhǎng)度也需增加。這會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：1)參考態(tài)與延時(shí)態(tài)的插入損耗不同；2)由于材料與加工帶來(lái)的誤差也隨之增加，這將使延時(shí)相位精度較難保證滿(mǎn)足指標(biāo)。為此，本文設(shè)計(jì)了衰減電路補(bǔ)償參考/延時(shí)態(tài)之間的插損不一致性，并采用調(diào)相電路用于保證延時(shí)相位精度，如圖4所示。

圖4　衰減與調(diào)相電路在驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件中的應(yīng)用

驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件內(nèi)部包含開(kāi)關(guān)二極管、電感、電容、放大器等射頻元器件，之間互相級(jí)聯(lián)會(huì)造成內(nèi)部駐波的疊加。因此，為了保證在較寬的帶寬內(nèi)具備較好的幅度、相位帶內(nèi)平坦度，需要對(duì)組件內(nèi)部電路進(jìn)行優(yōu)化。圖5為一切二開(kāi)關(guān)與端口水平過(guò)度的級(jí)聯(lián)仿真結(jié)果，通過(guò)電路匹配與優(yōu)化，可以將駐波控制在1.5以下。

圖5　級(jí)聯(lián)仿真結(jié)果

2.3組件實(shí)現(xiàn)工藝

驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件的小型化設(shè)計(jì)采用了微波多芯片組裝技術(shù)與微波多層印制板工藝。微波多芯片組裝技術(shù)包含微波多芯片貼裝技術(shù)與微波高密度互聯(lián)技術(shù)。驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件內(nèi)部包含了延時(shí)開(kāi)關(guān)、收發(fā)開(kāi)關(guān)、放大器芯片、控制芯片、驅(qū)動(dòng)芯片、環(huán)行器等多種元器件，因此，微波多芯片組裝技術(shù)使驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件的設(shè)計(jì)具備較高的一致性與可生產(chǎn)性。微波多層印制板工藝將多塊印制板黏合/層壓成一體，采用金屬化孔實(shí)現(xiàn)各層之間互聯(lián)，可以有效地減少電路設(shè)計(jì)面積。五位延時(shí)電路的小型化設(shè)計(jì)采用的微波多層板由五層介質(zhì)層壓而成，之間采用半固化片黏合。如圖6所示，延時(shí)電路采用了兩層帶狀線(xiàn)與一層微帶線(xiàn)設(shè)計(jì)，可以較大程度節(jié)省設(shè)計(jì)面積。

圖6　延時(shí)電路的微波多層結(jié)構(gòu)

3　子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件的實(shí)物圖如圖7所示，組件本體尺寸102 mm×45 mm×10 mm，重量≤120 g。

圖7　驅(qū)運(yùn)延時(shí)組件實(shí)物圖

對(duì)驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件各延時(shí)狀態(tài)的接收增益與發(fā)射功率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8～圖10所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件滿(mǎn)足指標(biāo)要求。接收增益為16 dB±1 dB，發(fā)射功率為27.5 dBm±0.5 dBm，延時(shí)切換時(shí)幅度精度≤±0.8 dB，相位精度≤±5°。

圖8　各態(tài)接收增益實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

圖9　各態(tài)移相精度實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

圖10　發(fā)射輸出功率實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

4　結(jié)束語(yǔ)

本文分析了子陣驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件在天線(xiàn)陣面中的功能，并根據(jù)陣面應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了一種集成五位延時(shí)、接收增益補(bǔ)償與發(fā)射功率放大的驅(qū)動(dòng)延時(shí)組件。該組件具備較為平坦的帶內(nèi)特性、較高的延時(shí)幅相精度與小型化的特點(diǎn)，已應(yīng)用于X波段艦載有源相控陣?yán)走_(dá)中。

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李樹(shù)良男，1985年生，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)天線(xiàn)饋電技術(shù)。

朱潤(rùn)月男，1984年生，雷達(dá)技師。研究方向?yàn)槔走_(dá)陣面技術(shù)。

劉楊女，1982年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)天線(xiàn)收發(fā)組件技術(shù)。

Design and Realization of an X-band Subarray Drive Time-delay Module for Active Phased Array Radar

LI Shuliang1，ZHU Runyue2，LIU Yang1

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China) (2. Jiuquan Satellite Launch Center,Jiuquan 735000, China)

The function and working principle of the subarray drive time-delay module, applied in X-band multifunctional active phased array radar are analyzed. The solutions for high accuracy design and miniaturization of drive time-delay module are also introduced. According to the task requirements，a drive time-delay module is designed and realized, integrating 5-bit time-delay, receive and transmit gain compensation. According to the measured results, the drive time-delay module achieves the receive gain within 16 dB±1 dB, transmit power within 27.5 dBm±0.5 dBm，time-delay amplitude accuracy better than±0.8 dB and time-delay phase accuracy better than ±5°.

subarray; drive time-delay module; high accuracy; miniaturization

李樹(shù)良Email：shuliangli1985@126.com

2016-03-22

2016-05-23

TN959.71

A

1004-7859(2016)07-0052-03

·天饋伺系統(tǒng)·

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.013