s波段有源相控阵雷达TR组件研究

李美华,马文玲

【摘要】本文主要涉及工作在S波段的频带，频带宽度为400MHz、平均占空比与脉冲宽度分别在10%、200μs以内，基于有源相控阵雷达TR组件，这一组件应用模块化的设计方式，并将功率放大、接受以及电源模块正和到铝合金板当中，借助合理的布局与优化电路结构，强化强迫液冷的散热设计方式，保障组件的性能指标满足设计要求，并且还带有更小体积、更轻重量以及更紧凑结构等基础特征。对此，本文简要分析s波段有源相控阵雷达TR组件研究，希望能够为相关工作者提供帮助。

【关键词】s波段；有源相控阵雷达；TR组件；临床研究

引言

伴随着高功率固态功率器件和单片微波集成电路的持续发展，每一个相控阵雷达天线单元通路可以设置固态的TR组件，其属于有源相控阵雷达天线，和常规雷达相比，有源相控阵雷达具备更加明显的探测优势，抗干扰能力也更加明显同时可靠性相对较高，可维护优势比较突出。雷达天线当中每一个TR组件相比于普通雷达的高频头，不仅有低噪声放大器和波束控制电路等多种功能电路，并且TR组件属于有源相控阵雷达的重点部件，属于固态有源相控阵雷达发射期间最为基础且重要的部件。对此，探讨s波段有源相控阵雷达TR组件具备显著实践性价值。

一、s波段有源相控阵雷达TR组件研究要求

目前来看，关于s波段有源相控阵雷达TR组件的研究要求主要在于三个方面，具体如下：1、高性能。TR组件之间的输出幅度与插入相位的一致性会直接影响固态有源相控阵雷达的整体指标，在输出幅度与插入相位存在较大差异时，天线空间合成的辐射功率会明显下降，此时还会导致波束出现指向偏差与精度变化等问题，此时便需要TR组件的发射支路与接收支路之间的输出幅度和插入相位保持高度一致性。并且电源转换效率在TR组件当中也是提供能量初级电源功率消耗的比值，这也是衡量TR组件的重点性能指标[1]；2、高可靠性。因为TR组件数量庞大，可靠性会对整个雷达的MTBF形成影响。应用多TR组件空间合成属于可靠性分析并应用并联模型，这一种方式可以允许少数组件在性能下降时也不会影响雷达的正常运行。对于每一个独立的TR组件，可靠性从设计开始都备受重视；3、可生产性。固态有源相控阵雷达的阵面是通过数千个甚至上万个TR组件，其可以缩短生产周期并呈现出较少调试、维修以及提升制造成品率、应用你全自动测试验收，促使雷达TR组件具备较好的可生产性，这也是批量定型生产的重要要求。例如，目前收发集成的一体化设计，传统分布式TR组件经常应用收发通路独立设计制造方式，并结合配备独立的辅助电路，促使整个组件中的多模块单元构成，在生产期间可以基于多工序流程。从目前国内外所研制的组件，大多数都选取收发一体化设计应用SMT或微组装工艺，以高度集成设计一体化组件[2]。

二、s波段有源相控阵雷达TR组件研究

2.1TR组件的方案选择

基于对TR组件指标和部分功能的分析，最终明确设计方案，基于发射激励信号与接收本振信号以分时服用同一个射频接口，在脉冲高电平的情况下，开关可以将发射激励信号亏如到数控移相器当中，再借助高增益放大器、推动放大器以及隔离器、功率放大器等，最终基于环形器输出给天线单元。在脉冲低电平的情况下，开关可以将接收本振信号馈入到镜像中实现对混频器本振端的抑制，对于接受回波信号时可以通过天线基于四环口环形器、限制低噪放之后，基于本振之下进行变频，中频输出后滤波放大然后再进行输出。

2.2TR组件接收支路

首先是限幅降低噪声放大器，在TR组件的功率输出端处于空载或接收天线单元驻波过高时，便会导致强反射，此时便会导致峰值功率返回到接收的支路，所以需要应用限幅器实现对功率的限制并规避放大器被烧毁等严重事故问题。对于限幅器其必须承受峰值功率100W平均10W的功率，所以可以应用公反射式限幅。因为反射式限幅的损耗表现比较轻微，大多数反射功率会被环形器的负载所吸收，此时限幅器本身的吸收功率相对比较低，长时间的工作不容易导致损坏的发生。限幅器的设计要求主要在于限幅承载功率100W、损耗低于0.7db、限幅输出功率达到20mW。低噪声的放大器与限幅器属于一体化设计，其能够有效降低失陪差损，从而降低噪音系数。低噪声放大器的压缩点输出功率一般在10dbm以上。限制低噪声的放大器在温度范围内，小信号的增益一般在26db以内，带内增益气腹一般在1db左右。

其次是镜像抑制混频器。镜像抑制混频器主要是通过功分器、双平衡混频器构成，接收回波信号的正交公分之后，和等公分的两路本振信号进行混频，此时输出两路相位差90度的中频，此时两路中频信号会再通过正交合成器，对于有用频率进行有效合成，但是对于镜像频率则是相反且抵消的，可以实现度镜频的抑制输出。镜像抑制大小跟两路的幅度、相位差相关。

再次是中频放大链路。中频放大链路主要是通过三级滤波器与中频放大器构成，因为下变频之后会形成较多交互调分量，此时便需要采用带通滤波器实现对中频的有效滤波。应用带通滤波器还能够有效降低整体噪音，可以降低输出中频时的早上。因为半导体放大器增益表现会随着温度的变化而发生明显改变，电路当中的主要增益放大是通过放大器提供支持，按照使用手册可以对放大器的增益进行评价，特别是对于三级放大器在温度变化100℃时会出现1.5db的波动，此时便需要做好对温度的控制。

2.3TR组件发射支路

对于收发开关可以应用通用型的开关，开关速度150ns便可以实现在射频与本振之间的快速切换，因为电子开关在输入功率的饱和区域会形成非线性的输出，所以在选择开关的功率时，需要确保其处于开关的线性区，从而降低谐波的振幅。在发射功率放大链方面，其主要是通过三级放大器构成，输出的脉冲功率在100W以上，第一级放大器可以应用InGap放大器，应用SZA3044型，这一放大器的优势在于小信号增益、功率输出、具备输出检波功能以及脉冲调制功能。放大器可以将输入功率提升到31dbm，应用单片放大器内脉冲调制对于射频信号形成开关调制，从而提高放大器的运行效率，提升反射寂静时的关断比。因为这一的类型放大器的增益比较明显，为了降低失陪所导致的反射问题，需要积极消除高增益放大期间的自激问题，所以在高增益放大器方面需要适当增加隔离器。

在放大器匹配方面，想要促使放大器保持稳定运行，就需要为放大器提供良好匹配，放大器的匹配有几种常用发哪敢坏死，其中小信号S参数法、打信号模拟法与负载牵引技术方式有着一定的应用价值。其中第一级放大器的S参数数据可以基于网络进行获取，通过smith圆图实行阻抗匹配，这也是工程中比较常用。

总结

综上所述，S波段TR组件的集成设计可以将不同功能、不同应用电路综合设计到同一个印制电路板当中，在3D空间上可以有效分离不同类型的信号。借助介质分层、地孔隔离、隔腔设计、参考处理、共地方式等多种措施，促使集成TR组件从而有效规避因为飞线而导致的放大器自激问题，同时也能够将大功率信号与数字序列信号进行有效隔离，从而消除相互之间的串扰与互扰问题，基于多方面功能与指标的测定，可以满足设计基本要求，有利于提高雷达运行质量。

【参考文献】

[1]蒋伟，盛文，祁炜，刘诗华.大型相控阵雷达T/R组件维修决策问题综述[J].系统工程与电子技术，2022，44(01):127-138.

[2]蒋伟，盛文，王挺，鲁力.相控阵雷达T/R组件的消费比随机Petri网维修模型[J].电讯技术，2019，59(12):1481-1487.