CN108931765A - 大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵设计方法，采用数模混合收发SOC有效减小有源电路尺寸、功耗和成本；采用滤波器层间垂直、无缆互联方式解决大功率微波信号垂直传输难题，既可以保证微波信号的高效传输，又可以减小瓦片体积，实现单个辐射单元面积内的电路布局；采用功率放大器背贴散热器形式解决了大功率发热元件的散热问题。

Description

大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵设计方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体是一种大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵设计方法，可应用于两维有源数字相控阵雷达收发组件或收发子阵的设计领域。
背景技术
两维有源相控阵雷达中的关键部件是收发组件，阵面组件单元数量巨大，随着雷达指标性能的日益提高对组件单元的小型化及高集成度要求越来越苛刻，雷达阵面多采用收发子阵的形式集成。其功能是实现雷达激励信号的产生、移相和功率放大；目标反射回波信号的低噪声放大、下变频、经AD采样后的数字信号经光电转换后传输给信号处理器。
目前，有源相控阵雷达收发阵面集成方式主要有两种：平行砖块式集成和垂直瓦片式集成。平行砖块式集成收发子阵示意图如图1所示，所有功能电路平行铺在一个平面上，信号传输只在平面电路板上，这种集成方式设计简单、易于调试和维修，但是体积大、散热系统复杂。垂直瓦片式集成收发子阵示意图如图2所示，功能电路以瓦片形式垂直分层放置在辐射单元对应的面积内，信号传输方式为平面传输和垂直传输相结合，充分利用立体空间，集成密度高，阵面体积可缩至平行砖块式集成体积的二分之一，更适应两维有源相控阵雷达的发展趋势，缺点是设计难度大。
低剖面、轻量化、可共形、可升级重构的垂直瓦片式两维有源相控阵，可解决现有平台体积重量限制与战术指标要求之间的矛盾，突破相控阵大规模应用的瓶颈，实现在有限空间和载重要求下提高装备能力的目标。目前，国内尚无针对大功率收发子阵进行垂直瓦片式集成的研究，本发明属于首创。
发明内容
要解决的技术问题
两维有源相控阵雷达辐射单元对应的有源电路截面积比较小，尺寸约为波长λ/2乘以λ/2，数字收发组件功能复杂，难于实现小体积下的功能及散热设计。本发明针对大功率收发子阵难于进行垂直瓦片式集成的瓶颈，发明了一种大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵布局设计方法。本发明采用数模混合收发SOC有效减小有源电路尺寸、功耗和成本；采用滤波器层间垂直、无缆互联方式解决大功率微波信号垂直传输难题，既可以保证微波信号的高效传输，又可以减小瓦片体积，实现单个辐射单元面积内的电路布局；采用功率放大器背贴散热器形式解决了大功率发热元件的散热问题。
技术方案
一种大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵设计方法，其特征在于：将大功率多通道数字收发子阵采用垂直瓦片式设计为四层：第一层是天线层，放置贴片形式辐射单元；第二层是电源变换及信号分配层，包含8种DC/DC电源芯片和2个信号等幅同相功率分配网络，变换的电源提供给数模混合收发SOC、FPGA以及微波电路，一分十六功分网络提供给数模混合收发SOC需要的LO信号和系统时钟信号；第三层是子阵主板，包含数模混合收发SOC、FPGA和电光转换模块；第四层是微波信号层，包含功率放大器、限幅低噪放、环行器以及滤波器；其中第一层天线层与第四层的环行器之间传输大功率发射信号，腔体滤波器垂直于瓦片各层间放置，直接盲配连接天线和环行器，保证了大功率微波信号的高效传输，同时滤波器有效滤除了发射信号杂散，提高了接收信号的抗干扰能力；第三层和第四层之间传输上行通道激励信号，采用射频滤波器垂直互联，有效滤除了混频信号的带外杂散；混装毛纽扣实现第二层与第三层之间的电源、系统时钟和本振信号互联；多芯毛纽扣实现第三层与第四层之间的电源和控制信号互联，功率放大器直接背贴散热底板，采用散热器加强迫风冷的散热方式。
所述的数模混合收发SOC集成了RAM、DDS、DDC、ADC、STC、上下变频及滤波，外来基带信号存储在RAM内，发射时在DDS内部进行数字正交上变频输出中频激励信号，经过中频滤波器滤除镜频信号和带外杂散，与本振信号LO上变频输出TX_OUT；RX_IN经过放大后与本振信号LO完成下变频，通过中频滤波器、STC、中频放大器、ADC和DDC输出数字接收信号。
有益效果
本发明提出的一种大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵设计方法，具有有益效果：
1)优越的平台适应性。本发明采用数模混合收发SOC有效减小有源电路尺寸、功耗和成本，采用垂直瓦片式集成方式，在水平与垂直方向均可大幅压缩有源阵面体积，能满足对于重量、体积要求极为苛刻的车载、机载平台，同时垂直瓦片式收发子阵极低的剖面高度更便于实现与各种载体平台的共形，有效节省载体空间。
2)垂直瓦片式收发子阵大量采用层间垂直互联技术，采用混装及多芯毛纽扣实现层间电源、控制信号及射频信号的垂直互联，采用滤波器层间垂直、无缆互联方式垂直传输大功率微波信号，连接方式灵活，集成化程度高，免焊互联，便于拆卸和维修。
3)垂直瓦片式集成收发子阵集成密度高，阵面体积可缩减至平行砖块式集成的二分之一。
4)垂直瓦片式集成收发子阵相对于平行砖块式集成，将热源功率放大器背贴阵面最底层散热器，采用强迫风冷的散热方式即可满足阵面散热要求，散热系统更简单。
附图说明
图1平行砖块式集成收发子阵示意图
图2垂直瓦片式集成收发子阵示意图
图3大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵原理框图
图4数模混合收发SOC原理框图
图5大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵分层及信号流向示意图
图6功率放大器散热示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明所述的大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵原理框图如图3所示，上行基带信号经FPGA相位控制后与系统时钟信号及本振信号LO通过SOC产生发射激励信号，经过功率放大器、环行器和射频滤波器送至天线辐射单元；天线接收回来的目标反射回波信号经过射频滤波器、环行器、限幅器低噪放送至SOC，在SOC内部与本振信号LO完成下变频等处理产生数字接收信号。
本发明所述的垂直瓦片式集成方式需要将收发子阵功能电路以瓦片形式垂直分层放置在辐射单元对应的面积内，设计分为四层，层间电源、控制信号及射频信号的垂直互联采用混装及多芯毛纽扣，免焊互联，体积小，重量轻，可混装电源、低频，射频等信号，集成化程度高，便于拆卸和维修；采用滤波器层间垂直、无缆互联方式垂直传输大功率微波信号，可保证大功率微波信号的高效传输。
本发明所述的功率放大器背贴散热器的散热方式是将收发子阵上主要热源功率放大器直接放置在收发子阵最底层散热器上，解决了大功率发热元件的散热问题。平行砖块式收发子阵信号传输平面垂直于收发天线平面，采用强迫风冷的散热方式无法满足阵面散热要求，必须采用液冷散热方式，散热系统复杂；垂直瓦片式收发子阵信号传输平面平行于收发天线平面，主要热源功率放大器直接放置在阵面最底层散热器上，采用强迫风冷的散热方式即可满足阵面散热要求。
本发明采用基于Si基CMOS工艺的SOC(片上系统)集成了DDS、ADC、上下变频及滤波等功能，大幅缩减分立器件占用空间、降低了成本和功耗，提高了产品可靠性，数模混合收发SOC原理框图如图4所示。外来基带信号存储在RAM内，发射时在DDS内部进行数字正交上变频输出中频激励信号，经过中频滤波器滤除镜频信号和带外杂散，与本振信号LO上变频输出TX_OUT；RX_IN经过放大后与本振信号LO完成下变频，通过中频滤波器、STC、中频放大器、ADC和DDC输出数字接收信号。
本发明提出垂直瓦片式收发子阵将功能电路以瓦片形式垂直分层放置在辐射单元对应的面积内，合理设计层间信号流向，采用混装及多芯毛纽扣实现层间电源、控制信号及射频信号的垂直互联，采用滤波器层间垂直、无缆互联方式垂直传输大功率微波信号。大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵分层及信号流向示意图如图5所示，设计分为四层：第一层是天线层，放置贴片形式辐射单元；第二层是电源变换及信号分配层，包含8种DC/DC电源芯片和2种信号等幅同相功率分配网络，变换的电源提供SOC、FPGA以及微波电路，一分十六功分网络提供SOC需要的LO信号和系统时钟信号；第三层是子阵主板，包含SOC、FPGA、电光转换模块以及相应连接附件；第四层是微波信号层，包含功率放大器，限幅低噪放、环行器以及滤波器等。第一层天线与第四层环行器之间传输大功率发射信号，腔体滤波器垂直于瓦片各层间放置，直接盲配连接天线和环行器，保证了大功率微波信号的高效传输，同时滤波器有效滤除了发射信号杂散，提高了接收信号的抗干扰能力；第三层和第四层之间传输上行通道激励信号，同样采用滤波器垂直互联，同时滤波器有效滤除了混频信号的带外杂散；混装毛纽扣实现第二层与第三层之间的电源、系统时钟和本振信号互联；多芯毛纽扣实现第三层与第四层之间的电源和控制信号互联。垂直瓦片式收发子阵大量采用层间垂直互联技术，连接方式灵活，集成化程度高，免焊互联，便于拆卸和维修。
本发明提出将功率放大器直接背贴散热底板，实现了大功率垂直瓦片式收发子阵的高效热传导，采用散热器加强迫风冷的散热方式即可满足阵面散热要求。大功率收发子阵单通道(面积50×50mm2)发射功率比较大(通常大于100W)，功率放大器产生的热耗也比较大(当输出功率100W，占空比20％，效率50％时，热耗为25W)，必须进行散热设计。功率放大器散热示意图如图6所示，功率管管芯产生的热量通过功率管法兰传导到热沉(散热器)，再通过散热器与空气进行热量交换，将热沉上的热量带走，在热传导接触面积一定的情况下想要良好散热，就必须尽可能缩短热传导路径，即将功率放大器直接放置在收发子阵最底层散热器上。
目前该发明已经应用于某两维有源数字相控阵雷达大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵设计中，并取得了较好的效果。

Claims (2)

1.一种大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵设计方法，其特征在于：将大功率多通道数字收发子阵采用垂直瓦片式设计为四层：第一层是天线层，放置贴片形式辐射单元；第二层是电源变换及信号分配层，包含8种DC/DC电源芯片和2个信号等幅同相功率分配网络，变换的电源提供给数模混合收发SOC、FPGA以及微波电路，一分十六功分网络提供给数模混合收发SOC需要的LO信号和系统时钟信号；第三层是子阵主板，包含数模混合收发SOC、FPGA和电光转换模块；第四层是微波信号层，包含功率放大器、限幅低噪放、环行器以及滤波器；其中第一层天线层与第四层的环行器之间传输大功率发射信号，腔体滤波器垂直于瓦片各层间放置，直接盲配连接天线和环行器，保证了大功率微波信号的高效传输，同时滤波器有效滤除了发射信号杂散，提高了接收信号的抗干扰能力；第三层和第四层之间传输上行通道激励信号，采用射频滤波器垂直互联，有效滤除了混频信号的带外杂散；混装毛纽扣实现第二层与第三层之间的电源、系统时钟和本振信号互联；多芯毛纽扣实现第三层与第四层之间的电源和控制信号互联，功率放大器直接背贴散热底板，采用散热器加强迫风冷的散热方式。
2.根据权利要求1所述的一种大功率垂直瓦片式多通道数字收发子阵设计方法，其特征在于所述的数模混合收发SOC集成了RAM、DDS、DDC、ADC、STC、上下变频及滤波，外来基带信号存储在RAM内，发射时在DDS内部进行数字正交上变频输出中频激励信号，经过中频滤波器滤除镜频信号和带外杂散，与本振信号LO上变频输出TX_OUT；RX_IN经过放大后与本振信号LO完成下变频，通过中频滤波器、STC、中频放大器、ADC和DDC输出数字接收信号。
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