CN109444823A - 一种相控阵用高度集成有源和差网络 - Google Patents

一种相控阵用高度集成有源和差网络 Download PDF

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Abstract

本发明涉及远距离脉冲雷达领域，具体的说是一种相控阵用高度集成有源和差网络，包括收发通道网络、波导和差网络和开关网络；所述收发通道网络与波导和差网络信号相连，所述波导和差网络与开关网络信号相连，收发通道网络实现射频信号的发射放大、接收衰减放大功能；波导和差网络实现同轴到波导过渡，以及射频信号的和差；开关网络实现校准通道与发射接收通道的开关切换，所述收发通道网络集成了有源电路，波导和差网络采用两层结构波导设计。本发明中的波导和差网络采用非标准的波导魔T来设计，窄边长度为1.5mm，宽边长度为6mm，大大降低了整个组件的纵向尺寸，整个TR组件的体积仅为130mm*52mm*14mm。

Description

一种相控阵用高度集成有源和差网络
技术领域
本发明涉及远距离脉冲雷达领域，具体的说是一种相控阵用高度集成有源和差网络。
背景技术
和差网络主要应用在单脉冲雷达领域，雷达每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将各波束回波信号的振幅和相位进行比较，当目标位于天线波束轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零；当目标不在天线波束轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，改变天线波束标直至天线波束轴线对准目标，这样便可测出目标的高低角和方位角，从各波束接收的信号之和，可测出目标的距离，从而实现对目标的测量和跟踪。
在特定条件下，比如机载、车载系统中，要求和差网络体积小，且能与收发信号一体化，对和差网络的结构有很大限制。对于工程上常用的和差网络，大都采用标准波导的魔T单元来实现，或者微带结构的和差网络来实现。标准波导魔T结构体积较大，而微带结构的和差网络不宜应用在高功率组件中。
一般无源和差网络自身插损较大，需要单独增加有源放大组件，才能达到应用要求，从而增加了和差网络的体积。
发明内容
针对现有技术上的上述不足，现在特别提出一种相控阵用高度集成有源和差网络。
本发明的技术方案如下：
一种相控阵用高度集成有源和差网络，其特征在于：包括收发通道网络、波导和差网络和开关网络；所述收发通道网络与波导和差网络信号相连，所述波导和差网络与开关网络信号相连，收发通道网络实现射频信号的发射放大、接收衰减放大功能；波导和差网络实现同轴到波导过渡，以及射频信号的和差；开关网络实现校准通道与发射接收通道的开关切换，所述收发通道网络集成了有源电路，波导和差网络采用两层结构波导设计。
所述收发通道网络集成了有源电路，波导和差网络采用两层结构的非标准波导设计，整个组件将无源和差网络与收发有源电路一体化设计，大大降低了体积。
所述波导和差网络为波导结构，需要设计波导到微带转换，收发通道网络与波导和差网络通过探针激励的方式实现射频信号互联，波导和差网络与开关网络也采用探针激励的方式实现互联。
整个组件设计架构为上下结构，收发通道网络和开关网络在上层，波导和差网络在底层，两部分通过垂直探针激励的方式实现射频信号的互联；收发通道网络和开关网络为有源电路，波导和差网络为无源电路，探针用焊膏焊接在腔体上，实现了两部分间的气密，增加了隔离度。
收发通道网络包括8个收发通道，收发通道间距10mm，每个收发通道网络包括功分器、发射放大电路、接收限幅衰减低噪声放大电路和电源控制电路，发射时，信号由功分器等分成8路信号，再经发射放大电路后输出；接收时，8路信号经过接收限幅衰减低噪声放大电路到功分器，合成4路信号；功分器将4路波导和差网络接口功分为8路收发通道；发射放大电路实现发射信号的功率放大；接收限幅衰减低噪声放大电路实现接收信号的低噪声放大、接收限幅、接收衰减功能；电源控制电路实现8个通道的收发转换、通道的衰减控制、以及电源供电功能。
所述收发通道网络为LTCC射频集成板和PCB板，LTCC集成了功分器、发射放大电路、接收限幅衰减低噪声放大电路，PCB板集成了电源控制电路，LTCC板与PCB板之间通过金丝键合的方式实现互联。
所述PCB板集成了电源控制电路，所述电源控制电路包括LDO、DC-DC转换器、FPGA、调制电路和负压保护电路；LDO、DC-DC转换器实现输入电源转换，转换成整个组件内部所需电源；FPGA实现与外部的SPI通信，根据外部指令，控制整个组件的工作模式以及每个通道的工作状态；调制电路实现发射、接收芯片的供电调制；负压保护电路实现功放芯片在负压缺失下断电不被烧毁，同时放置约100μF漏极储能电容，防止瞬时电压波动过大。
所述收发通道网络的LTCC射频集成板包括8个收发通道，每个收发通道有4个单刀双掷开关，用来实现收发切换；每个发射通道包括1个驱动放大器，1个末级功率放大器，用来实现发射信号的功率放大；每个接收通道包括1个限幅器、2个低噪声放大器、1个AGC衰减器，用来实现接收信号的低噪声放大和衰减。
发射时，射频信号先经过单刀双掷开关芯片到驱动放大器进行第一级放大，再到末级功率放大器进行功率放大，最后经单刀双掷开关芯片饱和输出。
接收时，射频信号先经过单刀双掷开关芯片到限幅器，避免大信号输入，再经过第一级低噪声放大器到AGC衰减器，然后再经过第二级低噪声放大器放大后，最后经单刀双掷开关芯片输出到波导和差网络。
波导和差网络采用魔T来实现信号的和差，由于标准波导纵向尺寸较大，会增加整个组件的高度，所以实际设计时采用两层结构的非标准波导，非标准波导窄边长度小于1.5mm，宽边长度为6mm。
开关网络由四个单刀双掷开关和1个校准通道组成，实现整个组件的接收、发射间的切换，以及收发通道与校准通道的切换。
本发明的有益效果：
1、本发明中的波导和差网络采用非标准的波导魔T来设计，窄边长度为1.5mm，宽边长度为6mm，大大降低了整个组件的纵向尺寸，整个TR组件的体积仅为130mm*52mm*14mm。
2、收发通道网络采用LTCC工艺，进一步实现纵向尺寸压缩，降低组装难度的同时提高可靠性。
3、本发明中的有源电路与无源电路采用分层设计，用焊膏直接将探针绝缘子焊接在腔体上，用来实现波导到微带的转换，这样的设计方式不仅实现了两部分间的气密及空间隔离，也提高了有源电路与无源电路的集成度。
4、本发明中增加了开关网络的设计，可以实现收发通道与校准通道间的切换，可实现8个通道的逐一校准，增加通道间一致性。
附图说明
图1为本发明有源和差网络原理图。
图2为本发明波导转微带结构示意图。
图3为本发明非标准波导魔T基本结构单元。
图4为本发明波导和差网络结构示意图。
图1中的相控阵用高度集成有源有源和差网络，共包括8个收发通道和1个校准通道。8个收发通道分别定义为P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8，校准通道则定义为P9。还包括LTCC集成板、合路、俯仰差、方位差、校准通道。
具体实施方式
实施例1
一种相控阵用高度集成有源和差网络，包括收发通道网络、波导和差网络、开关网络。收发通道网络主要实现射频信号的发射放大、接收衰减放大功能；波导和差网络主要实现微带到波导过渡，以及射频信号的和差；开关网络主要实现校准通道与发射接收通道的开关切换。
整个组件设计架构为上下结构，收发通道网络和开关网络设计在上层，波导和差网络设计在底层，两部分通过垂直探针激励的方式实现射频信号的互联。收发通道网络和开关网络为有源电路，波导和差网络为无源电路，探针绝缘子用焊膏直接焊接在腔体上，实现了有源器件与无源器件间的气密。整个组件的体积为130mm*52mm*14mm。
实施例2
一种相控阵用高度集成有源和差网络，包括收发通道网络、波导和差网络、开关网络。
收发通道网络包括8个收发通道，收发通道间距10mm，每个收发通道网络包括功分器、发射放大电路、接收限幅衰减低噪声放大电路和电源控制电路。功分器主要将4路波导和差网络接口功分为8路收发通道；发射放大电路实现发射信号的功率放大；接收限幅衰减低噪声放大电路实现接收信号的低噪声放大、接收限幅、接收衰减功能；电源控制电路实现8个通道的收发转换、通道的衰减控制、以及电源供电功能。
收发通道网络为一块LTCC射频集成板和一块PCB板，LTCC集成了功分器、发射放大电路、接收限幅衰减低噪声放大电路，PCB板集成了电源控制电路，LTCC板与PCB板之间通过金丝键合的方式实现互联。
PCB板集成了电源控制电路，其包括LDO、DC-DC转换器、FPGA、调制电路、负压保护电路。LDO、DC-DC转换器实现输入电源转换，转换成整个组件内部所需电源；FPGA实现与外部的SPI通信，根据外部指令，控制整个组件的工作模式以及每个通道的工作状态；调制电路实现发射、接收芯片的供电调制；负压保护电路实现功放芯片在负压缺失下断电不被烧毁。同时放置约100μF漏极储能电容，防止瞬时电压波动过大。
收发通道网络LTCC射频集成板包括8个收发通道，每个收发通道有4个单刀双掷开关，用来实现收发切换；每个发射通道包括1个驱动放大器，1个末级功率放大器，用来实现发射信号的功率放大；每个接收通道包括1个限幅器、2个低噪声放大器、1个AGC衰减器，用来实现接收信号的低噪声放大和衰减。
PCB板与LTCC射频集成板间存在很多的电源和控制互联接口，包括收发开关控制、接收衰减控制以及供电控制，将两块板子同层设计，通过金丝键合的方式实现互联，
发射时，射频信号先经过单刀双掷开关芯片到驱动放大器进行第一级放大，再到末级功率放大器进行功率放大，最后经单刀双掷开关芯片饱和输出。
接收时，射频信号先经过单刀双掷开关芯片到限幅器，避免大信号输入，再经过第一级低噪声放大器到AGC衰减器，然后再经过第二级低噪声放大器放大后，最后经单刀双掷开关芯片输出到波导和差网络。
LTCC技术是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔，精密导体浆料印刷等工艺制成的所需要的电路图形，然后叠压在一起，在其表面上可以贴装IC和有源器件，制成有源的功能模块。能够做到尺寸压缩是因为LTCC能做到很多层，每层厚度很薄，能够做到0.01-0.1mm不等的厚度，而普通PCB板一层介质厚度通常为0.254，0.127等，相对LTCC很厚，所以LTCC总体厚度能够压缩很多。LTCC集成板共8路收发通道，集成了功分器、单刀双掷开关、驱动放大器、功率放大器、限幅器、AGC衰减器、低噪声放大器，尺寸仅为80mm*14.5mm。
波导和差网络采用魔T来实现信号的和差，由于标准波导纵向尺寸较大，会增加整个组件的高度，所以实际设计时采用两层结构的非标准波导，非标准波导窄边长度为1.5mm，宽边长度为6mm，以减小整个组件的纵向尺寸。在设计波导和差网络时，增加了波导匹配块，以提高波导和差网络性能。整个波导和差网络共4个输入口，经3个魔T基本单元后输出1路合路，2路差路。
波导和差网络到收发通道网络的转换由垂直探针激励的方式实现互联，探针绝缘子中心点到波导短路面距离为4分之1波导波长，探针长度h为1.25mm。绝缘子通过焊接的方式焊在腔体上以保证可靠性。
开关网络由四个单刀双掷开关和1个校准通道组成，实现整个组件的接收、发射间的切换，以及收发通道与校准通道的切换。在校准状态下，切换开关网络到接收校准模式，可以对8个收发通道逐一校准，切换开关网络到发射校准模式，可以对8个收发通道逐一校准，增加通道间一致性。
本发明中高度集成有源和差网络，上层为有源部分，采用激光封盖的方式气密；底层为波导和差网络，采用螺装的方式固定，增加可靠性。上下两层通过探针绝缘子焊接的方式，实现整个结构的气密。
高度集成有源和差网络在发射工作状态下，开关网络切换到发射通道，射频信号从发射口输入，经微带到波导转换进入波导和差网络，功率等分成4路输出进入收发通道网络，再经过4个功分器输出8路信号，经驱动放大器、末级功率放大器后输出。
高度集成有源和差网络在接收工作状态下，开关网络切换到接收通道，射频信号从8路输入，经单刀双掷开关芯片到限幅器，再经过第一级低噪声放大器到AGC衰减器，然后再经过第二级低噪声放大器放大后，经微带转波导后输出到波导和差网络，经过波导和差网络对射频信号的和差后输出3路，1路合路，1路方位差，1路俯仰差。
实施例3
一种相控阵用高度集成有源和差网络包括收发通道网络、波导和差网络和开关网络；所述收发通道网络与波导和差网络信号相连，所述波导和差网络与开关网络信号相连，收发通道网络实现射频信号的发射放大、接收衰减放大功能；波导和差网络实现同轴到波导过渡，以及射频信号的和差；开关网络实现校准通道与发射接收通道的开关切换，所述收发通道网络集成了有源电路，波导和差网络采用两层结构波导设计。
所述收发通道网络集成了有源电路，波导和差网络采用两层结构的非标准波导设计，整个组件将无源和差网络与收发有源电路一体化设计，大大降低了体积。
所述波导和差网络为波导结构，需要设计波导到微带转换，收发通道网络与波导和差网络通过探针激励的方式实现射频信号互联，波导和差网络与开关网络也采用探针激励的方式实现互联。
整个组件设计架构为上下结构，收发通道网络和开关网络在上层，波导和差网络在底层，两部分通过垂直探针激励的方式实现射频信号的互联；收发通道网络和开关网络为有源电路，波导和差网络为无源电路，探针用焊膏焊接在腔体上，实现了两部分间的气密，增加了隔离度。
收发通道网络包括8个收发通道，收发通道间距10mm，每个收发通道网络包括功分器、发射放大电路、接收限幅衰减低噪声放大电路和电源控制电路，发射时，信号由功分器等分成8路信号，再经发射放大电路后输出；接收时，8路信号经过接收限幅衰减低噪声放大电路到功分器，合成4路信号；功分器将4路波导和差网络接口功分为8路收发通道；发射放大电路实现发射信号的功率放大；接收限幅衰减低噪声放大电路实现接收信号的低噪声放大、接收限幅、接收衰减功能；电源控制电路实现8个通道的收发转换、通道的衰减控制、以及电源供电功能。
所述收发通道网络为LTCC射频集成板和PCB板，LTCC集成了功分器、发射放大电路、接收限幅衰减低噪声放大电路，PCB板集成了电源控制电路，LTCC板与PCB板之间通过金丝键合的方式实现互联。
所述PCB板集成了电源控制电路，所述电源控制电路包括LDO、DC-DC转换器、FPGA、调制电路和负压保护电路；LDO、DC-DC转换器实现输入电源转换，转换成整个组件内部所需电源；FPGA实现与外部的SPI通信，根据外部指令，控制整个组件的工作模式以及每个通道的工作状态；调制电路实现发射、接收芯片的供电调制；负压保护电路实现功放芯片在负压缺失下断电不被烧毁，同时放置约100μF漏极储能电容，防止瞬时电压波动过大。
所述收发通道网络的LTCC射频集成板包括8个收发通道，每个收发通道有4个单刀双掷开关，用来实现收发切换；每个发射通道包括1个驱动放大器，1个末级功率放大器，用来实现发射信号的功率放大；每个接收通道包括1个限幅器、2个低噪声放大器、1个AGC衰减器，用来实现接收信号的低噪声放大和衰减。
发射时，射频信号先经过单刀双掷开关芯片到驱动放大器进行第一级放大，再到末级功率放大器进行功率放大，最后经单刀双掷开关芯片饱和输出。
接收时，射频信号先经过单刀双掷开关芯片到限幅器，避免大信号输入，再经过第一级低噪声放大器到AGC衰减器，然后再经过第二级低噪声放大器放大后，最后经单刀双掷开关芯片输出到波导和差网络。
波导和差网络采用魔T来实现信号的和差，由于标准波导纵向尺寸较大，会增加整个组件的高度，所以实际设计时采用两层结构的非标准波导，非标准波导窄边长度小于1.5mm，宽边长度为6mm。
开关网络由四个单刀双掷开关和1个校准通道组成，实现整个组件的接收、发射间的切换，以及收发通道与校准通道的切换。
本发明中的波导和差网络采用非标准的波导魔T来设计，窄边长度为1.5mm，宽边长度为6mm，大大降低了整个组件的纵向尺寸，整个TR组件的体积仅为130mm*52mm*14mm。收发通道网络采用LTCC工艺，进一步实现纵向尺寸压缩，降低组装难度的同时提高可靠性。
本发明中的有源电路与无源电路采用分层设计，用焊膏直接将探针绝缘子焊接在腔体上，用来实现波导到微带的转换，这样的设计方式不仅实现了两部分间的气密及空间隔离，也提高了有源电路与无源电路的集成度。本发明中增加了开关网络的设计，可以实现收发通道与校准通道间的切换，可实现8个通道的逐一校准，增加通道间一致性。

Claims (10)

1.一种相控阵用高度集成有源和差网络，其特征在于：包括收发通道网络、波导和差网络和开关网络；所述收发通道网络与波导和差网络信号相连，所述波导和差网络与开关网络信号相连，收发通道网络实现射频信号的发射放大、接收衰减放大功能；波导和差网络实现同轴到波导过渡，以及射频信号的和差；开关网络实现校准通道与发射接收通道的开关切换，所述收发通道网络集成了有源电路，波导和差网络采用两层结构波导设计。
2.根据权利要求1所述的一种相控阵用高度集成有源和差网络，其特征在于：所述收发通道网络集成了有源电路，波导和差网络采用两层结构的非标准波导设计，整个组件将无源和差网络与收发有源电路一体化设计；所述波导和差网络为波导结构，实现波导到微带转换，收发通道网络与波导和差网络通过探针激励的方式实现射频信号互联，波导和差网络与开关网络也采用探针激励的方式实现互联。
3.根据权利要求1所述的一种相控阵用高度集成有源和差网络，其特征在于：整个组件设计架构为上下结构，收发通道网络和开关网络在上层，波导和差网络在底层，两部分通过垂直探针激励的方式实现射频信号的互联；收发通道网络和开关网络为有源电路，波导和差网络为无源电路，探针用焊膏焊接在腔体上，。
4.根据权利要求1所述的一种相控阵用高度集成有源和差网络，其特征在于：收发通道网络包括8个收发通道，每个收发通道网络包括功分器、发射放大电路、接收限幅衰减低噪声放大电路和电源控制电路，发射时，信号由功分器等分成8路信号，再经发射放大电路后输出；接收时，8路信号经过接收限幅衰减低噪声放大电路到功分器，合成4路信号；功分器将4路波导和差网络接口功分为8路收发通道；发射放大电路实现发射信号的功率放大；接收限幅衰减低噪声放大电路实现接收信号的低噪声放大、接收限幅、接收衰减功能；电源控制电路实现8个通道的收发转换、通道的衰减控制、以及电源供电功能。
5.根据权利要求1所述的一种相控阵用高度集成有源和差网络，其特征在于：所述收发通道网络为LTCC射频集成板和PCB板，LTCC集成了功分器、发射放大电路、接收限幅衰减低噪声放大电路，PCB板集成了电源控制电路，LTCC板与PCB板之间通过金丝键合的方式实现互联。
6.根据权利要求5所述的一种相控阵用高度集成有源和差网络，其特征在于：所述PCB板集成了电源控制电路，所述电源控制电路包括LDO、DC-DC转换器、FPGA、调制电路和负压保护电路；LDO、DC-DC转换器实现输入电源转换，转换成整个组件内部所需电源；FPGA实现与外部的SPI通信，根据外部指令，控制整个组件的工作模式以及每个通道的工作状态；调制电路实现发射、接收芯片的供电调制；负压保护电路实现功放芯片在负压缺失下断电不被烧毁，同时放置约100μF漏极储能电容，防止瞬时电压波动过大。
7.根据权利要求5所述的一种相控阵用高度集成有源和差网络，其特征在于：所述收发通道网络的LTCC射频集成板包括8个收发通道，每个收发通道有4个单刀双掷开关，用来实现收发切换；每个发射通道包括1个驱动放大器，1个末级功率放大器，用来实现发射信号的功率放大；每个接收通道包括1个限幅器、2个低噪声放大器、1个AGC衰减器，用来实现接收信号的低噪声放大和衰减。
8.根据权利要求7所述的一种相控阵用高度集成有源和差网络，其特征在于：发射时，射频信号先经过单刀双掷开关芯片到驱动放大器进行第一级放大，再到末级功率放大器进行功率放大，最后经单刀双掷开关芯片饱和输出；接收时，射频信号先经过单刀双掷开关芯片到限幅器，避免大信号输入，再经过第一级低噪声放大器到AGC衰减器，然后再经过第二级低噪声放大器放大后，最后经单刀双掷开关芯片输出到波导和差网络。
9.根据权利要求1所述的一种相控阵用高度集成有源和差网络，其特征在于：波导和差网络采用魔T来实现信号的和差，采用两层结构的非标准波导，非标准波导窄边长度小于1.5mm，宽边长度为6mm。
10.根据权利要求1所述的一种相控阵用高度集成有源和差网络，其特征在于：开关网络由四个单刀双掷开关和1个校准通道组成，实现整个组件的接收、发射间的切换，以及收发通道与校准通道的切换。
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