一種高集成度C波段數字陣列模塊的設計*

趙家敏 鄭世連 畢 勝 胡曉芳 祝加秀

（中國電子科技集團公司第三十八研究所安徽省天線與微波工程實驗室 合肥 230088）

1 引言

數字陣列雷達是一種新體制相控陣雷達，其核心內涵是接收和發射波束均以數字方式來實現?；驹硎前l射波束利用DAC 器件的高精度幅相控制能力，將波形產生和發射信號幅相控制融為一體設計，通過控制數字波形的相位和幅度來實現發射波束的空間調控；接收波束則是在中頻回波數字化之后，在數字域進行幅相加權?；谑?發全DBF設計思想的新型相控陣雷達技術具有數字化、模塊化、可擴充等優良特性，有著非常好的應用前景。它不僅具有常規相控陣雷達的所有優良性能，同時具有更大的波束調度靈活性、更好的抗有源干擾性能［1～3］。

實現其功能的硬件基礎是高度集成化的數字陣列模塊（Digital Array Module，DAM）。本文根據C 波段雷達項目的需求，設計的一種C 波段DAM，將模擬射頻前端（功放、限幅低噪放）、C 波段上下變頻、本振功分單元、中頻數字收發單元、供電電源等功能整合并一體化設計，完成雷達數字化收發、數據預處理及數據傳輸功能，實現了模塊的高集成度設計。

2 功能與組成

雷達發射時，DAM 內數字收發單元根據系統指令產生發射波形，經過上變頻、濾波、功率放大后，經過環行器輸出至天線單元；雷達接收時，天線單元接收到的回波信號經過環行器、限幅低噪放、濾波、下變頻至中頻信號，經過數字收發單元進行A/D 變換、數字正交解調，將解調數據經過光纖傳輸至信號處理單元［4～7］。

C 波段DAM 按照8 個數字化收發通道構造成一個數字陣列模塊的思路進行集成設計，由8 個獨立的收發通道構成模擬收發部分；數字接收和數字波形產生采用8 通道一體化設計，共用一個數字板；射頻收發單元采用一次上下變頻，變頻所需的本振信號在DAM 內部進行功分；電源采用高電壓DC 輸入，在內部完成DC/DC 變換，模擬、數字收發單元DC/DC電源模塊獨立使用；DAM的正面為8路模擬收發通道，一體化數字板，中頻信號轉接板，背面為8 通道變頻通道、本振功分網絡、電源控制轉接板與集成化電源，中間為散熱水道。

圖1 C波段DAM功能組成框圖

3 詳細設計

3.1 射頻收發電路

射頻收發電路完成回波的接收、下變頻到中頻采集，及中頻激勵信號的上變頻、功率放大等功能。由于二次變頻環節多和時鐘種類多，多信號間互調問題難以避免，同時由于系統瞬時帶寬增加的需求，滿足收發指標要求的頻率窗口難以選擇，C波段收發通道設計采用一次混頻高中頻數字收發方案，隨著高中頻或射頻數字收發技術的發展、成熟以及成功應用，C 波段雷達采用一次混頻高中頻數字收發方案技術成熟度上沒有問題。由于減少了變頻環節以及時鐘種類，因此可以有效地解決發射通道多信號互調問題。

C 波段DAM 包含8 路射頻收發電路，每一通道包含限幅低噪放、功率放大器、變頻、濾波等模塊。

圖2 射頻收發電路原理框圖

3.2 收發前端設計

模擬收發前端采用集成化設計，將功率放大器、限幅低噪放設計在一個管殼內，做成一個收發前端組件。在不采用壓縮制冷的方式下需要保證DAM 穩定可靠的工作，發射鏈路的高效率、低熱耗設計是DAM 研制的關鍵，本方案選用寬禁帶GaN功率管設計功率放大器。收發前端的低噪放采取雙平衡吸收式限幅低噪放，采用限幅單片的集成方式。

圖3 收發前端實物圖

3.3 變頻電路設計

C 波段變頻電路是一款集成了開關、混頻、放大、濾波、數控衰減及溫度補償的收發功能系統級封裝電路，集成一個HTCC管殼內實現。

基于高溫共燒陶瓷（HTCC）技術的多層基板是實現電路小型化、輕量化、高可靠的有效手段。受DAM的空間限制，收發變頻電路采用基于HTCC的微波多芯片模塊（MMCM）的方式來實現。氧化鋁高溫共燒陶瓷技術是一種較成熟的封裝技術，是由92%～96%氧化鋁外加4%～8%的燒結助劑在1500℃～1700℃下燒結而成。該基板技術成熟，介質材料成本低，熱導率和抗彎強度較高。并且由于其燒結溫度高，可以與可伐等金屬材料進行一體化燒結，大大節約了布線空間。HTCC 一體化管殼作為HTCC 基板的衍生產品，已廣泛應用于軍品微電路封裝［8～9］。

3.4 一體化數字收發設計

將數字波形產生與中頻采集功能設計在一塊數字收發板上，引入多通道集成的ADC、DDS 和大容量FPGA 器件進行8 通道集成化設計。FPGA 控制DDS 是主流的雷達波形產生方式，支持波形模式、帶寬、脈寬等參數的靈活調節，實現波形捷變。8 通道數字接收機是基于軟件無線電思想在中頻或射頻數字化、數字解調產生基帶I/Q 信號來進行設計的［10～12］。

圖4 C波段上下變頻實物圖及內部設計圖

DAM 中采用光電變化模塊完成大容量數據的高速傳輸。光接口是DAM 與雷達系統數據交互的唯一接口。雷達系統通過光傳輸將各收發通道的幅相控制字、工作模式字等送入DAM，同時，DAM將組件的狀態信息、數字正交回波信號等數據通過光傳輸送給雷達系統。在工程研制中，將光電傳輸功能集成在數字收發板中。圖5 為研制的數字收發板實物圖。

3.5 電磁兼容設計

DAM 內部高度集成了8 通道的大功率發射信號，小信號的數字收發信號，光電信號，時鐘信號等，考慮到DAM 體積小、信號種類多、發射功率大，因此需要特別重視各種信號間的電磁兼容性設計。采用如下設計方法提高電磁兼容性：

1）使每個通道形成相對密閉的腔體，提高通道隔離度；

2）收發通道采用開關濾波器組用于不同頻段干擾和鏡像頻譜抑制；

3）數字收發板上數字地、模擬地、光纖地進行合理的劃分，把各種地塊進行物理上的隔離，然后在用磁珠連接，這樣既保持了各種地的獨立性，防止各種電磁干擾（避免了傳導耦合，近場耦合），又通過磁珠進行了有效的公共回流通路的連通，使整個功能板建立一個公共接地平面［7］；

4）工程設計上，公共地與DAM 殼體具有大面積的直接搭接，確保該模塊與DAM 殼體有極小的接觸電阻，使各種信號有一致的公共回流通路，并且可以有效地防止各種輻射，干擾信號能夠迅速直接的通過該通路回流。

4 測試結果

經過研制，C 波段數字陣列模塊外形尺寸為220mm×250mm×38mm，重量約4.5kg，C波段八通道DAM實物如圖6所示。

圖6 C波段DAM實物圖

圖7 發射通道輸出峰值功率

圖8 發射信號信雜比

對DAM 收發通道進行測試，實測發射通道峰值功率大于100W，發射通道脈內信雜比大于60dB。

對接收通道指標進行了測試，接收通道噪聲系數小于2.4dB，接收通道動態范圍大于55dB@瞬時帶寬10M時。

表1 接收通道噪聲系數與動態范圍測試表格

經過測試，C 波段達到主要性能指標如下：

工作頻段：C波段；

發射峰值功率：＞100W；

發射信號信雜比：＞60dBc；

接收系統動態：＞55dBc；

接收噪聲系數：＜2.4dB；

發射效率：＞38%。

5 結語

本文介紹了C 波段DAM 的設計要點與組成構架，研制了一種8 通道輸出功率大于100W 的數字陣列模塊，經過測試，各項指標符合雷達系統使用要求。該型模塊采用高度集成的設計案例，對其他頻段DAM的設計具有較大的指導和借鑒意義。