【《双波段线阵插件设计分析》3800字】

双波段线阵插件设计分析目录TOC\o"1-2"\h\u9787双波段线阵插件设计分析 173241.1双波段线阵插件总体方案 1171811.2关键技术 2157701.3微波电路设计 390491.4供电调节电路设计 8在分析了双波段线阵插件的功能原理的基础上，确定了产品的测试需求、指标要求，下一阶段进行双波段线阵插件方案设计。1.1双波段线阵插件总体方案两个波段的线阵插件的功能相似，接口有射频端口和供电调节端口，不同波段波导形式的射频信号经过波导-微带转换把射频信号传输到线阵插件对应的正反平面，然后通过微带功分馈电网络传输到每个T/R模块，最后传输到对应的天线单元。逻辑调节单元调节通过译码器实现对每个T/R通道选择的调节，每个T/R通道由专用的串转并波控芯片实现通道的收发状态和移相衰减状态调节。每个波段有独立的供电滤波网络，实现对输入电源的滤波、稳压，保证具有整条线阵插件工作合适的储能[26-27]。ka波段线性阵列入口前面的线性阵列上的插件框架是波导的形式,扩展了波导的长度,执行波导微带转换在适当的距离T/R模块,然后将信号能量划分为两个模块通过使用微带1-divide-2等于功率分配器,并通过金丝键合的方式将微带线与模块连接波导盖板通过烧结紧固到框架，功率分配器盖板通过螺钉紧固到框架[28]。低频电路板只有两个部件:二四解码器和储能滤波电容。线阵框架在避开功分网腔体的地方开挖腔体，低频电路板采用低温烧结(或螺钉紧固)的方式倒扣安装(所有部件均放置在框架开挖腔体中)。[29]。线阵插件框架反面X波段线阵先通过波导-同轴-微带转换，再由1分2微带功分器把信号能量分到两个模块，通过焊接的方式连接到模块。功分器盖板通过螺钉紧固在框架。低频电路板上只有二四译码器和储能滤波电容两类元器件，线阵框架在避开功分网络腔体的地方挖腔，低频电路板采用低温烧结（或螺钉紧固）紧固方式倒扣安装（元器件全部放在框架挖腔处）[30]。低频电路板调节和电源信号通过金线键合的方式连接到Ka波段收发模块的低频端口。天线电源的大功率电源输入到直通芯电容的线性阵列插件中，低频调节接口采用J63A31芯和37芯连接器。线阵插件采用“背靠背”结构形式，即正面为Ka波段线阵，反面为X波段线阵。不同的线阵通道需选择合适数量通道的模块及译码器，如图3-1、3-2所示。图3-1线阵X波段面布局示意图图3-2线阵Ka波段面布局示意图1.2关键技术线阵插件作为相控阵天线的核心组成单元，面临着结构复杂，集成度高，两个工作频率段，工艺复杂以及可靠性、工程化要求高等设计难题。针对上述设计难点，具有以下关键技术。微波电路设计对两个频率段合理分配指标，并在有限的空间内实现馈电网络的设计。T/R模块设计X波段T/R模块的功率放大芯片采用Gan工艺，功率大，需要密封；Ka波段T/R模块T/R模块频率高，体积小[31]。供电调节电路设计供电调节电路尺寸小，布线密度高，射频、模拟、数字信号高度交叉，电磁兼容性能要求高。一体化结构设计结构设计要求高密度集成，工艺要求尽可能简单，可靠性高。1.3微波电路设计1.1.1X波段微波电路X波段微波电路由波导微带转换电路、微带功分馈电网络以及T/R通道组成[32]，如图3-3所示。图3-3线阵插件X波段微波电路组成线阵插件工作于脉冲发射时，驱动功放输出激励信号经过波导微带转换后，通过微带功分馈电网络进入每一个T/R通道。1.1.1.1X波段微波电路指标分配根据线性阵列插件输入的激励信号的幅值，分析了x波段微波电路各部分的指标。线阵插件上X波段T/R模块根据布阵和通用性需要分为两种类型：双通道X波段T/R模块和三通道X波段T/R模块。链路传输损耗如下：线阵插件微带及金丝键合损耗0.2dB；微带线长度为60mm（根据布局计算）左右，按照每10mm损耗0.2dB计算损耗为1.2dB；微带功分器由于隔离电阻和高阻线的因素，损耗在0.5dB,带内平坦度为±0.2dB；微带波导转换损耗0.5dB。X波段双通道T/R模块需要输入激励信号为9～11dBm，三通道T/R模块需要输入激励信号为11～13dBm。链路图如图3-4所示。图3-4X波段微波链路图1.1.1.2X波段微波馈电网络仿真先通过同轴探针的方式实现波导-同轴转换[33-34]，同轴探针下方圆柱体的直径、长度和波导短路面到探针的距离为调谐尺寸；然后进行同轴-微带转换，微带线与同轴探针进行连接的金属圆形半径为调谐尺寸，图3-5。图3-5X波段馈电网络仿真模型仿真结果如图3-6、图3-7所示。图3-6X波段馈电网络驻波仿真结果图3-7X波段馈电网络传输仿真结果波导同轴过渡部分对微波性能影响较大，敏感尺寸为探针1长度l1_p及探针1下方圆柱长度l_p。为了保证微波性能，采用探针、圆柱单独加工的方式，优点是保证了加工精度，装配过程中可以调整。探针1、圆柱装配过程图如图3-8所示。当探针1、圆柱位置确定好后用焊锡焊紧，从而完成整个探针的紧固，如图3-9所示。图3-8探针安装示意图1图3-9探针安装示意图2探针在框架上的紧固示意图如下图所示，探针下方的垫板厚度为仿真出的波导底面距离探针底面的距离，利用垫板保证了整个探针在线阵框架中的位置，再把探针焊牢，完成探针在线阵框架上的紧固，如图3-10。图3-10探针安装示意图3对探针1长度l1_p在±0.05mm，探针1下方圆柱长度l_p在±0.025范围内进行容差分析，所有曲线在工作带宽内驻波小于1.4。1.1.2Ka波段微波电路Ka波段微波电路由波导功分馈电网络、波导微带转换电路以及T/R通道组成，如图3-11所示。图3-11线阵插件Ka波段微波电路组成1.1.2.1Ka波段微波电路指标分配根据线性阵列插件输入的激励信号的幅值，分析了Ka波段微波电路各部分的指标。为了减小线阵插件传输损耗，微波采用波导传输，在纵向距离模块16mm左右采用波导微带过渡。微带及金丝键合损耗0.5dB，微带波导转换损耗0.7dB，波导（波导拐弯部分）损耗0.3dB，微带功分器由于隔离电阻和高阻线的因素，损耗在0.5dB,带内平坦度为±0.2dB。Ka波段通道模块全温状态下需要输入的激励信号为6～10dBm。链路图如图3-12所示图3-12Ka波段微波链路图1.1.2.2Ka波段微波馈电网络仿真Ka波段微波波导微带转换仿真模拟实验模型如下示意图3-13所示，仿真模拟最终结果如下示意图3-14、3-15所示。H面波导功分控制器设备由于布局未最终确定，无仿真模型及结果，公共口驻波在3GHz范围内小于1.2。图3-13Ka波段微带转换仿真模型图3-14Ka波段微带转换驻波仿真结果图3-15Ka波段微带转换传输仿真结果根据已有的经验，微带探针定位精度对微波性能影响最大，对探针长度在±0.04mm的范围内进行容差分析，驻波在工作带宽内小于1.45。1.4供电调节电路设计不同规格的线阵插件，其供电调节电路原理相同[38，39。考虑到插件尺寸，导致布板不同，但对称位置的布板相同。由于要实现对每个T/R模块调节信号较多，整条线阵模块调节信号繁多，低频电路布板密度很高，所以慎重设计考虑避免电磁扰动，造成T/R通道调节混乱。低频电路板对输入的各路低压电源采用低压差稳压芯片进行稳压，减少外界信号对电源的干扰[40]。通过储能电容保证所有通道在脉冲工作时在有限的充电时间内可以满足T/R通道使用。GaN功放芯片用+28V电源由于电压过高无法进行稳压，采用不同容值的电容进行滤波，如图3-16所示。图3-16线阵插件稳压电路低频电路板调节电路按照调节命令实现对每个通道不同状态进行调节。通过译码器对每个通道进行选择，如图3-17所示。图3-17线阵插件通道选择电路1.4.1Ka波段储能电容设计Ka波段功率电源经过滤波电容对模块供电，通过译码器选择相应的模块[42-44]。Ka波段T/R模块单通道峰值输出功率26dBm～29dBm，考虑设计余量按照峰值输出功率1W，效率20%计算，则输入到Ka波段T/R模块单通道的功率为5W；各种调制状态下，一个周期内最大脉冲发射工作时间为2uS。Ka波段T/R模块功放电压为+5V，储能电容放电后保证模块正常工作的电压为4.85V。在某些情况下，储能电容器可以在一个周期内满足收发模块正常运行所需的能量。若输入到T/R模块使得模块正常运行工作的额定功率为P（5W），运行工作的时候间是t（2uS），则正常运行工作要求能量为W=P*t。额定电容的有效容量为C，工作电压为U1（+5V），保存能量为W1=C(U12)/2。T/R所需最小自动输入工作电压为U2（+4.85V），其余的能量为W2=C(U22)/2。在这一过程里储能额定电容排放的能量为W=W1-W2=C(U12-U22)/2，工作电路所需能量W=pt,所以C(U12-U22)/2=PT，可知电路在T时间内最小电容：C=2PT/(U12-U22)=2×5×2×10-6/（25-21.5）=11.5uF。即一个Ka波段T/R模块单通道需要的储能电容为11.5uF。根据每个通道的需要的储能电容量，计算出每个线阵需要的总电容量。每个线阵选用多个容值为22uF的瓷介电容作为储能额定电容。设V0为额定电容上的初始工作电压；Vu为额定电容充满终止结束工作电压数值；Vt为随意时刻t额定电容上的工作电压数值。则Vt=V0+（Vu-V0）*[1-exp(-t/RC)]ka波段储能电容充电,以500khz的调制频率和占空比为40%,假定储能电容器用于电力功率放大器在周期的40%,即0.8,和充电储能电容器的循环的60%,也就是说,充电时间t=1.2。储能电容器的陶瓷介电容量为22uf。ESR计算为R=0.1欧姆。放电时间设U2=4.85V,储能电容放电前的电压为:U1=(U22+2PT/C)0.5=4.91V充电时间设V0=4.85V;Vu=5V引起Vt=4.85+0.15*[1-exp(-1.2/0.1*22)]=4.91V。由此可见充电的速度满足储能电容放电的需要。1.4.2X波段储能电容设计X波段T/R模块单通道峰值输出功率20W～25W，按照峰值输出功率25W，效率30%计算，则输入到X波段T/R模块单通道的功率为83W；各种调制状态下，一个周期内最大脉冲发射工作时间为2us。X波段T/R模块功放电压为+28V，储能电容放电后保证模块正常工作的电压为+27V。在某些情况下，储能电容器可以在一个周期内满足收发模块正常运行所需的能量[45]。按照Ka波段T/R模块的计算方法，得出电路维持时间T所需的最小电容量为C=2PT/(U12-U22)=2×83×2×10-6/（784-729）=6.0uF。根据每个通道的需要的储能电容量，计算出每个线阵需要的总电容量。每个线阵选用多个容值为22uF的瓷介电容作为储能电容。对于Ka波段储能电容充电，取调制