CN104104398B - 一种用于箭载s频段相控阵天线的发射组件电路及结构 - Google Patents

Abstract

一种用于箭载S频段相控阵天线的发射组件电路及结构，它包括电路原理，印制板，腔体结构，盖板和外连插座。电路印制板采用环氧覆铜玻璃布层压板，腔体结构和上盖板采用硬铝材质。印制板安装在腔体结构内，对外连接的射频输入和低频信号输入插座直接焊接在印制板上，盖板上对应这两个插座的位置处开孔；射频输出插座安装在腔体结构上。本发明解决了一般发射组件外接端口线束复杂，功耗大效率低，热设计系统庞杂等多个技术问题，性能优异，质量可靠，其组成的相控阵天线已经过了飞行试验的考核，应用在多个航天运载火箭型号中。

Description

一种用于箭载S频段相控阵天线的发射组件电路及结构

技术领域

本发明涉及一种用于箭载S频段相控阵天线的发射组件电路及结构,属于运载火箭天基测控测量系统。

背景技术

航天技术的发展，对运载火箭的测量，测控、通信等技术提出了越来越高的要求，依靠传统地基测控技术已无法满足测控覆盖率和数据传输实时性等要求。我国中继卫星系统的建成与使用，为运载火箭采用天基测控技术提供了坚实的基础，具备了实现飞行全程测控的条件。

有源相控阵天线以其波束的快速扫描能力，波束形状的快速变化能力，空间定向及空间大功率合成能力等优势而成为运载火箭天基测控系统的重要组成部分，发射组件又是相控阵天线中的关键部件。目前国内相控阵天线技术多用于地面雷达，其上的发射组件接口复杂，效率低，散热方案多采用风冷或液冷等复杂的系统，不适合箭上条件使用。因此，研制一种符合箭上使用环境的发射组件便成为当前急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，研制出一种适合运载火箭上使用的发射组件电路及结构，具有功能齐全，性能优异，功耗小效率高，对外连接简洁，体积小重量轻，热设计简单可靠的特点。

本发明的技术解决方案是：

一种用于箭载S频段相控阵天线的发射组件电路，包括：第一串并转换模块、第二串并转换模块、稳压模块、数控移相器、数控衰减器、温补衰减器、集成功率放大器、耦合器、带通滤波器和检波器；

外部输入的S频段射频信号送入数控移相器中，第一串并转换模块和第二串并转换模块级联，外部输入的串行信号送入第一串并转换模块中，第一串并转换模块将外部输入的串行信号据转换为并行信号，并将所述并行信号送入数控移相器中，同时，还将输入的串行信号送入第二串并转换模块中；

数控移相器在所述接收到的并行信号的控制下，将所述S频段射频信号进行移相处理，输出移相后的射频信号给温补衰减器，温补衰减器根据环境温度，对输入到其中的所述移相后的射频信号进行增益补偿，补偿之后的射频信号送入数控衰减器，第二串并转换模块将输入的串行数据转换为并行信号，并送入数控衰减器和集成功率放大器中，数控衰减器在输入其中的并行数据的控制下，将所述补偿之后的射频信号进行幅度调整，并将幅度调整后的射频信号送入集成功率放大器，第二串并转换模块送入集成功率放大器的并行数据作为集成功率放大器的开关控制信号，集成功率放大器将所述输入其中的幅度调整后的射频信号进行放大，之后通过耦合器输出给带通滤波器进行滤波输出，同时，耦合器还将耦合信号送入检波器进行功率检波，检波器将检波电压输出。

所述第一串并转换模块输出并行信号的路数与数控移相器的控制位数相同，所述第二串并转换模块输出并行信号的路数比数控衰减器的控制位数多1。

一种基于所述用于箭载S频段相控阵天线的发射组件电路的结构，包括：腔体、盖板、电路印制板、短路子连接器、射频SMA输出插座、射频信号输入插座、低频插座、散热器和导热垫；

所述腔体为一金属空心腔体，顶面敞开，底面中心开有通孔，电路印制板固定安装在腔体内部，且与腔体内部底面紧贴，电路印制板上为所述用于箭载S频段有源相控阵天线的发射组件电路，射频信号输入插座和低频插座安装在电路印制板上，射频信号输入插座用于所述S频段射频信号的输入，低频插座用于所述串行信号的输入；导热垫粘在所述集成功率放大器的表面，所述散热器压装在所述导热垫上用于给集成功率放大器散热；

短路子连接器嵌在腔体底部中央的通孔处，一端焊接在电路印制板的馈点处，另一端插入安装在腔体外部的射频SMA输出插座中，所述发射组件电路的射频输出信号通过短路子连接器和射频SMA输出插座输出；

所述盖板为金属薄板，安装在腔体的顶部，盖板上留有开孔，开孔下方正对射频信号输入插座和低频插座；

检波器输出的检波电压信号通过低频插座输出。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明用于箭载S频段相控阵天线的发射组件电路功能齐全，性能优异，能满足不同功能相控阵天线选型的需要。具有存储功能的两个串并转换模块，将外部提供的控制数据采用串行传输的方式，解决了传统发射组件控制数据并行传输线路复杂的问题。数控移相器，保证了射频波束的空间指向能力。数控衰减器，轻松控制各个发射组件的输出功率，以满足由多个发射组件组成的相控阵天线波束形状的要求。温补衰减器为负温度系数，能够根据环境温度对增益链进行补偿调节，使发射组件在各种环境温度下输出功率一致，保证了最终相控阵天线EIRP的稳定度。输出带通滤波器对射频信号带外谐波杂波进行抑制，避免对其他系统设备造成干扰。低压差的稳压块，高效的集成功率放大器，降低了发射组件的功耗，提高了效率。

(2)第二串并转换模块送入集成功率放大器的并行数据作为开关控制信号，通过切断集成功率放大器的供电实现开关控制。这种方式使得产品在不对外发射信号时没有静态电流的消耗，提高了效率，同时避免了集成功率放大器静态电流产生的热能。火箭在发射之前的两个小时，其上的相控阵天线一直处于通电但不发射信号的静态模式，发射组件的这种开关模式显著降低了相控阵天线的功耗及热耗带来的温升，提升了产品的可靠性。

(3)本发明用于箭载S频段相控阵天线的发射组件结构：体积小，重量轻，通过在印制板上焊接尺寸很小的低频，射频插座，采取与外连电路直接插座对插座硬连接的方式，解决了传统发射组件外连线扎和电缆束冗杂占据较多空间，结构复杂的难题，对外接插简便，利于组成各种阵列形式的相控阵天线。射频信号输出通过短路子连接器直接和微带天线背靠背连接，消除传统馈线电缆带来的损耗，另射频信号输出位置设在腔体的底面中心，便于微带天线印制板任意角度旋转安装，改善了相控阵天线的轴向轴比。散热方面，一般地面相控阵天线皆采用体积重量较大的风冷或液冷散热系统，但这种复杂的散热方案不适合对体积重量要求苛刻的箭上产品。本发射组件通过在集成功率放大器上安装导热垫和强制散热器等措施，使产品通过了箭上高温环境条件的考核，体积和重量大大缩小。

附图说明

图1是发射组件电路的原理图；

图2是发射组件结构的示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。

发射组件的设计原则是模块化，通用化，小型化,功能齐备，以满足S频段不同类型相控阵天线选型的需要。箭上设备需要提供火箭飞行过程中产品是否正常工作的判据，本发射组件将输出功率的检波电压作为反馈上报的判据。

如图1所示，本发明提供的一种用于箭载S频段相控阵天线的发射组件电路包括：第一串并转换模块、第二串并转换模块、稳压模块、数控移相器、数控衰减器、温补衰减器、集成功率放大器、耦合器、带通滤波器和检波器；

数控移相器是发射组件电路中的核心器件，根据数控信号对射频信号的相位进行调整，实现天线波束的有效空间扫描。外部输入的S频段射频信号送入数控移相器中，第一串并转换模块和第二串并转换模块级联，外部输入的串行信号送入第一串并转换模块中，第一串并转换模块将外部输入的串行信号据转换为并行信号，并将所述并行信号送入数控移相器中，同时，还将输入的串行信号送入第二串并转换模块中；

数控移相器在所述接收到的并行信号的控制下，将所述S频段射频信号进行移相处理，输出移相后的射频信号给温补衰减器，温补衰减器为负温度系数，根据环境温度，对输入其中的所述移相后的射频信号进行增益补偿，保证输出信号在不同温度条件下输出幅度的一致性。补偿之后的射频信号送入数控衰减器，第二串并转换模块将输入的串行数据转换为并行信号，并送入数控衰减器和集成功率放大器中，数控衰减器在输入其中的并行数据的控制下，将所述补偿之后的射频信号进行幅度调整，并将幅度调整后的射频信号送入集成功率放大器，集成功率放大器根据产品要求的输出功率，增益、效率及可靠性来选择，一般工作在饱和状态。第二串并转换模块送入集成功率放大器的并行数据作为集成功率放大器的开关控制信号，通过切断集成功率放大器的供电实现开关控制，集成功率放大器将所述输入其中的幅度调整后的射频信号进行功率放大，之后通过耦合器输出给带通滤波器进行滤波输出。带通滤波器一般选用体积尺寸插损较小的介质滤波器。同时，耦合器还将耦合信号送入检波器进行功率检波，检波器将检波电压输出，用于发射组件的故障上报。

第一串并转换模块输出并行信号的路数与数控移相器的控制位数相同，数控移相器的位数和移向精度决定了最终相控阵天线的波束指向精度。第二串并转换模块输出并行信号的路数比数控衰减器的控制位数多1。数控衰减器的位数取决于对射频输出信号幅度的调整范围。

如图2所示，本发明提供的一种用于箭载S频段相控阵天线的发射组件电路的结构包括：腔体1、盖板2、电路印制板3、短路子连接器4、射频SMA输出插座5、射频信号输入插座6、低频插座7、散热器8和导热垫9；

所述腔体1为一金属空心腔体，一般采用硬铝材质，顶面敞开，底面中心开有通孔，电路印制板3固定安装在腔体1内部，且与腔体1内部底面紧贴，电路印制板3的底面大面积覆铜，便于将热量传递给腔体1，电路印制板3上为所述用于箭载S频段有源相控阵天线的发射组件电路，射频信号输出位置设置在印制板的中央，输出焊盘处打一个金属化通孔，射频信号输入插座6和低频插座7安装在电路印制板3上，射频信号输入插座6用于所述S频段射频信号的输入，低频插座7用于所述串行信号的输入；导热垫9粘在所述集成功率放大器的表面，所述散热器8压装在所述导热垫9上用于给集成功率放大器散热，并将热量传导给腔体1。

短路子连接器4嵌在腔体1底部中心的通孔处，一端插焊在电路印制板3的射频信号输出金属化通孔处，另一端插入安装在腔体1外部的射频SMA输出插座5中，所述发射组件电路的射频输出信号通过短路子连接器4和射频SMA输出插座5输出；

所述盖板2为金属薄板，和腔体1采用相同的材质，安装在腔体1的顶部，盖板2上留有开孔，开孔下方正对射频信号输入插座6和低频插座7；检波器输出的检波电压信号通过低频插座7输出。

下面给出一个具体实施例

图1所示为S频段发射组件的电路原理图。发射组件的印制板采用环氧覆铜玻璃布层压板FR-4,介电常数为4.6，共四层，总厚度为1.0mm。表层焊装元器件，中间层走电源线和信号控制线，印制板表层与中间地层的厚度设置为0.3mm，表层和底层所覆铜皮厚度选为1OZ，底层全部覆铜，以利于传导散热。印制板的尺寸为45mm×45mm，其上焊接的元器件除射频和低频两个插座外其余都是表贴类型。射频输出位置在印制板的中心，输出焊盘处有一个直径为1mm的金属化通孔，经一个短路子连接器与安装在壳体背面的可拆卸的SMA插座相连。输出焊盘的中心位置给印制板的射频链路布局带来了难度，需经HFSS电磁场仿真以避免链路自激。发射组件选用的串并转换模块并行输出数据为8位，数控移向器的位数为6bit、数控衰减器的位数为5bit，射频输入插座6选用MMBX小型板间连接插座，低频插座7选用SAMTEC公司的10芯板间连接插座。射频信号由电路印制板3上的射频输入插座6输入，经电容耦合至6bit数控移相器，再经负温度系数温补衰减器进入5bit数控衰减器，接着经过电容耦合进入集成功率放大器，放大后的信号再经过耦合器至介质带通滤波器，最后到印制板中央的射频信号输出位置，经短路子连接器4至腔体背面的射频SMA输出插座5输出。耦合信号进入功率检波器，检波电压经过外围的RC滤波器处理后输出至低频插座7，占用1芯对外输出，作为发射组件工作是否正常的判据。两路直流供电+5.8V和-5V，串行信号，时钟及使能信号通过低频插座7输入，直流供电占用5芯，时钟CLK，时能EN，串行信号DATA及数字信号地各占用1芯，+5.8V直流电经过滤波处理后进入稳压块，输出电压供给各器件；-5V直流电经滤波处理后提供给数控移相器。CLK，EN信号经滤波后同时进入两个级联的8位串并转换模块，串行信号DATA进入第一个串并转换模块，再从它的Q7’串出端口进入第二个串并转换模块的DATA端，两个移位寄存器并行输出的12位数据分别提供给数控移相器、数控衰减器的控制端及集成功率放大器的On/Off端，其余4位输出端口闲置以备扩展。其中，集成功率放大器的On/Off端是通过切断功率放大器的供电实现射频信号的关闭，这种方式令集成放大器不工作时没有静态电流的消耗，降低了整机功耗，提高了效率，同时消除了静态电流产生的热能。

发射组件的结构示意图如图2所示。腔体1及盖板2采用硬铝材质。腔体1总高度15mm,腔体深度10mm。其组装流程为：首先将电路印制板3与腔体1清洗干净，再用0.12mm厚的网板给电路印制板3印刷焊膏，手工摆放器件，以183℃回流焊焊接所有表贴器件；最后将射频输入插座6和低频插座7手工点焊到电路印制板3上，将焊接完毕的电路印制板3清洗干净后装入腔体1，拧紧螺钉后，在发热器件集成功率放大器表面垫上导热垫9，再外加铜质散热器8用螺钉固定，然后将短路子连接器4一端插入射频SMA输出插座5，另一端从腔体1底部外壁通孔处插入电路印制板3输出焊盘通孔处，露出印制板1mm高度，高温焊锡手工点焊，最后将上盖板用螺钉固定。发射组件测试完毕后，拆掉射频SMA输出插座5，在壳体背面装上微带天线，将原插入射频SMA输出插座5短路子连接器4的一端插入微带天线印制板输入馈点并用低温焊锡焊接。

实测的S频段发射组件典型指标如下：

(1)工作频率：2.2GHz～2.3GHz

(2)输入驻波比：≤1.5：1(50Ω)

(3)输出驻波比：≤1.5：1(50Ω)

(4)增益：≥15dB

(5)P_-1out：≥31dBm

(6)组件效率：≥39％

(7)移向位数：6bit

(8)移向精度：≤0.8°

(9)数控衰减：0.5-15.5dB

(10)谐杂波抑制≥50dBc

本发明介绍的发射组件已被选型用于多个航天运载火箭型号中，2012年经过了飞行任务的验证，通过波束控制器控制各发射组件的激励相位，在中继星方向得到同向合成的高增益波束，实现星，箭之间的数据传输，完成火箭飞行路径的无缝覆盖，填补了我国运载火箭天基测控领域的空白。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (2)

1.一种用于箭载S频段相控阵天线的发射组件电路，其特征在于包括：第一串并转换模块、第二串并转换模块、稳压模块、数控移相器、数控衰减器、温补衰减器、集成功率放大器、耦合器、带通滤波器和检波器；

外部输入的S频段射频信号送入数控移相器中，第一串并转换模块和第二串并转换模块级联，外部输入的串行信号送入第一串并转换模块中，第一串并转换模块将外部输入的串行信号据转换为并行信号，并将所述并行信号送入数控移相器中，同时，还将输入的串行信号送入第二串并转换模块中；

数控移相器在所述接收到的并行信号的控制下，将所述S频段射频信号进行移相处理，输出移相后的射频信号给温补衰减器，温补衰减器根据环境温度，对输入到其中的所述移相后的射频信号进行增益补偿，补偿之后的射频信号送入数控衰减器，第二串并转换模块将输入的串行数据转换为并行信号，并送入数控衰减器和集成功率放大器中，数控衰减器在输入其中的并行数据的控制下，将所述补偿之后的射频信号进行幅度调整，并将幅度调整后的射频信号送入集成功率放大器，第二串并转换模块送入集成功率放大器的并行数据作为集成功率放大器的开关控制信号，集成功率放大器将所述输入其中的幅度调整后的射频信号进行放大，之后通过耦合器输出给带通滤波器进行滤波输出，同时，耦合器还将耦合信号送入检波器进行功率检波，检波器将检波电压输出，所述温补衰减器为负温度系数温补衰减器；

所述第一串并转换模块输出并行信号的路数与数控移相器的控制位数相同，所述第二串并转换模块输出并行信号的路数比数控衰减器的控制位数多1；

所述第二串并转换模块送入功率放大器的并行数据作为开关控制信号，通过切断集成功率放大器的内部供电实现开关控制，使得在不对外发射信号时没有静态电流的消耗；

所述第一串并转换模块和第二串并转换模块采取级联方式，外部输入的数据送入第一串并转换模块，再通过第一串转并模块的串出端口送入第二串并转换模块。

2.一种基于权利要求1所述用于箭载S频段相控阵天线的发射组件电路的结构，其特征在于包括：腔体(1)、盖板(2)、电路印制板(3)、短路子连接器(4)、射频SMA输出插座(5)、射频信号输入插座(6)、低频插座(7)、散热器(8)和导热垫(9)；

所述腔体(1)为一金属空心腔体，顶面敞开，底面中心开有通孔，电路印制板(3)固定安装在腔体(1)内部，且与腔体(1)内部底面紧贴，电路印制板(3)上为所述用于箭载S频段有源相控阵天线的发射组件电路，射频信号输入插座(6)和低频插座(7)安装在电路印制板(3)上，与外连电路之间为插座对插座的硬连接方式，射频信号输入插座(6)用于所述S频段射频信号的输入，低频插座(7)用于所述串行信号的输入；导热垫(9)粘在所述集成功率放大器的表面，所述散热器(8)压装在所述导热垫(9)上用于给集成功率放大器散热；

短路子连接器(4)嵌在腔体(1)底部中央的通孔处，一端焊接在电路印制板(3)的馈点处，另一端插入安装在腔体(1)外部的射频SMA输出插座(5)中，所述发射组件电路的射频输出信号通过短路子连接器(4)和射频SMA输出插座(5)输出；

所述盖板(2)为金属薄板，安装在腔体(1)的顶部，盖板(2)上留有开孔，开孔下方正对射频信号输入插座(6)和低频插座(7)；

检波器输出的检波电压信号通过低频插座(7)输出。