CN112114290A - 一种小型化x波段四通道tr组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了微波领域的一种小型化X波段四通道TR组件，包括由盖板与金属壳体焊接构成的腔体结构，腔体结构中设有四个独立且相同的收发通道，每个收发通道均包括通过环形器隔离的发射支路与接收支路，各收发通道中的发射支路与接收支路通过多功能芯片切换收发状态，各多功能芯片均与一分四功分器连接；每个收发通道均包括一个收发通道微带板和一个过渡带微带板，一分四功分器包括一个功分器微带板；收发通道微带板与功分器微带板均为多层LTCC电路基板；本发明采用多层LTCC电路基板，显著提高了TR组件的集成度。通过适当增加多层LTCC电路基板的层数，可以大幅度地减小尺寸、重量，而通过选取芯片以及合理的设计布局，可以实现高性能。
Description
技术领域
本发明涉及微波领域，具体是一种小型化X波段四通道TR组件。
背景技术
随着雷达性能的要求越来越高，对微波组件性能的要求也在不断提高。相控技术满足现代雷达所必需的高性能、高生存能力，同时降低了雷达研制和生产成本；作为当今雷达的主流技术，有源相控阵雷达技术具有天线波束的灵活性和自适应性等优点，越来越受到广大研究人员的重视。
T/R组件作为相控阵雷达的关键组成部分，其性能的好坏直接影响着整部雷达的性能。随着技术水平的不断提高，市场对T/R组件在体积、性能及可靠性等方面提出了更高的要求，尤其是舰载和机载雷达系统对T/R组件的体积和能耗要求极为苛刻；实现小型化、高性能的T/R组件有着非常重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化X波段四通道TR组件，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种小型化X波段四通道TR组件，包括由盖板与金属壳体焊接构成的腔体结构，所述腔体结构中设有四个独立且相同的收发通道，每个收发通道均包括通过环形器隔离的发射支路与接收支路，各收发通道中的发射支路与接收支路通过多功能芯片切换收发状态，各多功能芯片均与一分四功分器连接；每个收发通道均包括一个收发通道微带板和一个过渡带微带板，所述一分四功分器包括一个功分器微带板；所述收发通道微带板与功分器微带板均为多层LTCC电路基板；过渡带微带板、收发通道微带板与功分器微带板采用引线键合连接，且收发通道微带板焊接在所述金属壳体底部。
作为本发明的改进方案，所述收发通道微带板与功分器微带板采用FerroA6M材料，介电常数Er＝5.9；所述过渡带微带板采用ROGERS 6002双面板，介电常数Er＝2.94。
作为本发明的改进方案，所述发射支路包括依次连接的前级驱动放大器、衰减器与末级功率放大器，其中末级功率放大器与环形器连接，前级驱动放大器与多功能芯片连接；所述接收支路包括限幅器与低噪声放大器，低噪声放大器与多功能芯片连接，限幅器与环形器连接。
作为本发明的改进方案，所述限幅器型号为NC1810C-812，所述低噪声放大器型号为NC10146C-812，所述前级驱动放大器型号为WFD090102-P19，所述末级功率放大器型号为WFD090102-P4，所述衰减器型号为NC1338C-120F，环形器型号为WGH9007E，多功能芯片型号为WND0010HM。
作为本发明的改进方案，每个收发通道均设有接口电路，所述接口电路包括差分422转TTL电路、串行数据转并行数据电路、接收电源开关调制电路、发射电源开关调制电路与负压电平转换电路；所述差分422转TTL电路采用型号为SJ001X的多路差分收发器芯片，所述串行数据转并行数据电路采用型号为JS337的波控芯片，所述接收电源开关调制电路采用型号为JS1146的电源调制器，所述发射电源开关调制电路采用型号为JS3287的开关驱动器，所述负压电平转换电路采用型号为JS2308的负压转换芯片。
作为本发明的改进方案，所述功分器微带板通过引线键合连接有低频连接器，还通过锡焊与多个射频连接器的端子连接，所述低频连接器型号为J30J微型矩形连接器J30JM1-37ZKS-Q25，所述射频连接器型号为同轴射频连接器JSSMA(M)-FJFD5150。
有益效果：本发明采用多层LTCC电路基板，可以将各种控制信号分布于各层，各层之间通过盲孔连接传递信号，显著提高了TR组件的集成度。通过适当增加收发通道微带板、过渡带微带板的层数，可以大幅度地减小尺寸以及TR组件的重量，而通过选取芯片以及合理的设计布局，可以实现高性能。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明单路接收支路的组成框图；
图3为本发明单路发射支路的组成框图；
图4为本发明单路收发通道电路原理图；
图5为本发明四功分器的仿真拓扑图；
图6为四功分器幅度一致性仿真曲线；
图7为四功分器相位一致性仿真曲线；
图8为本发明接口电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，一种小型化X波段四通道TR组件，包括由盖板与金属壳体焊接构成的腔体结构，腔体结构中设有四个独立且相同的收发通道，每个收发通道均包括通过环形器隔离的发射支路与接收支路，各收发通道中的发射支路与接收支路通过多功能芯片切换收发状态，各多功能芯片均与一分四功分器连接。
具体地，一分四功分器采用微带功分实现，功能是在接收期间将四路回波信号合成为一路，发射期间将一路激励信号功分为四路；为了使功分器四个支路之间的幅度相位具有高度的一致性。
每个收发通道均包括一个收发通道微带板和一个过渡带微带板，一分四功分器包括一个功分器微带板，单个TR组件包含四块收发通道微带板、四块过渡带微带板与一个功分器微带板。具体仿真拓扑图和仿真曲线如图5-7所示。根据仿真结果看出，四个通道之间幅度一致性在0.2dB以内，相位一致性在2°以内。
收发通道微带板与功分器微带板均为多层LTCC电路基板，采用这种多层板的设计方案，可以将各种控制信号分布于各层，各层之间通过盲孔连接传递信号，显著提高了TR组件的集成度。通过适当增加收发通道微带板、过渡带微带板的层数，可以大幅度地减小尺寸以及TR组件的重量。而通过选取芯片以及合理的设计布局，可以实现高性能。
具体地，收发通道微带板包含了低噪声放大器、多功能芯片、前级驱动放大器、固定衰减器、电源调制器、驱动器、负压转换芯片，其功能在于实现收发通道的射频传输，并传输各种控制信号。为了满足组件可靠性的要求，收发通道微带板为8层的多层LTCC电路基板(顶层、MID2、MID3、MID4、MID7、MID8、MID9、底层)，并采用FerroA6M材料，单层板设计厚度为0.096mm，介电常数Er＝5.9。收发通道微带板采用锡焊技术焊接在金属壳体内部底部，与前端的过渡带微带板及后端的功分器微带板采用引线键合技术，实现射频信号与低频控制信号的互联。
其中，顶层用于设计射频走线、芯片接地焊盘以及金丝键合焊盘，MID2为大面积接地层。根据微带板阻抗计算方法，从顶层到第一个接地层之间的厚度为0.096mm*2+0.012mm，其中0.012mm为顶层镀金层厚度，介电常数5.9带入仿真软件，计算出50欧姆阻抗线宽度为0.32mm。MID3为控制信号走线、局部接地层，MID4为电源调制及负压转换走线层，MID7为电源走线、局部接地，MID8及MID9为电源控制走线层，底层为大面积接地层。为了减少体积，将控制信号串联的限流电阻采用内埋电阻的形式放置在MID3和MID4层，阻值采用1K方阻浆料，整个板厚设计为0.8mm。
过渡带微带板用于连接SMA连接器与环形器，采用ROGERS 6002双面板，厚度0.254mm，介电常数Er＝2.94，根据计算，在TR组件的工作频段内，50欧姆线宽为0.64mm，可以与环形器输入微带线宽相匹配。过渡带微带板上无芯片，主要功能是信号的过渡，SMA连接器采用锡焊技术焊接在金属壳体上，该SMA连接器的端子伸入至腔体中，并采用锡焊技术与过渡带微带板连接。
功分器微带板同样为多层LTCC电路基板，并采用FerroA6M材料，单层板的设计厚度为0.096mm，介电常数Er＝5.9。与收发通道微带板类似，功分器微带板的MID1、MID2、MID3为空白层，顶层(MID1)主要设计射频走线、芯片接地焊盘及金丝键合焊盘，MID4为大面积接地层，根据微带板阻抗计算方法，从顶层到第一个接地层(MID4)之间的厚度为0.096mm*4+0.012mm，其中0.012mm为顶层镀金层厚度，介电常数5.9带入仿真软件，计算出50欧姆阻抗线宽度为0.6mm，MID5电源走线层，MID6、MID7为控制信号走线层，底层为大面积接地层。
此外，功分器微带板通过引线键合连接有低频连接器，还设有多个射频连接器的接口，通过锡焊与多个射频连接器的端子连接，实现了射频信号与低频控制信号的传输。低频连接器型号为J30J微型矩形连接器J30JM1-37ZKS-Q25，射频连接器型号为同轴射频连接器JSSMA(M)-FJFD5150。
射频连接器和电源控制连接器均采用低温焊锡焊接在金属壳体上，射频连接器与功分器微带板、过渡带微带板之间采用常温焊锡互联，电源控制连接器采用金丝键合技术实现互联。TR组件调试合格后，放置到盖板与金属壳体焊接构成的腔体结构中，腔体结构构成气密空间，可以避免裸芯片暴露在空气中，提高组件的可靠性。
具体地，发射支路包括依次连接的前级驱动放大器、衰减器与末级功率放大器，其中末级功率放大器与环形器连接，前级驱动放大器与多功能芯片连接；接收支路包括限幅器与低噪声放大器，低噪声放大器与多功能芯片连接，限幅器与环形器连接。
T/R组件中的关键器件采用裸芯片，其中大功率芯片如限幅器和末级功率放大器采用金锡焊接在钼铜衬底上，其余小功率芯片如低噪声放大器和多功能芯片等采用导电胶粘接在LTCC基板(收发通道微带板及功分器微带板)上，芯片与芯片之间、芯片与微带板之间的互联采用金丝键合技术，提高集成度，降低组件尺寸。
如图4所示，TR组件作为雷达接收通道最前端的模块，其接收支路的噪声系数指标直接影响接收系统的最小灵敏度，因此，接收通道中，限幅器型号可为NC1810C-812，插入损耗为0.4dB，耐输入功率为10W连续波，输出限幅电平小于+15dBm，用于防止同步或异步干扰功率过大，导致后端低噪声放大器损坏。低噪声放大器型号可为NC10146C-812，该放大器噪声系数1.3dB，增益27dB。
其中，前级驱动放大器型号可为WFD090102-P19，该型号的前级驱动放大器功率增益为13dB，饱和输出功率为+20dBm，用于将输入激励信号进行饱和放大，以满足末级功率放大器的输入功率要求。末级功率放大器型号可为WFD090102-P41，饱和输出功率为+41dBm。衰减器为3dB固定衰减器，型号可为NC1338C-120F，其作用一是可以改善两级放大器之间的驻波，避免驻波反射引起自激；二是可以适当对末级功率放大器的输入激励进行调整，防止激励过大而深度饱和，影响性能。
其中，环形器型号可为WGH9007E，用于实现收发隔离，可实现收发隔离度为20dB。多功能芯片用于实现收发切换、接收/发射支路放大、数控移相、数控衰减等功能，其型号可为WND0010HM。
具体地，环形器W1的3脚连接限幅器Z1的一端，限幅器Z1的另一端连接低噪声放大器L14的1脚(RFIN端)，低噪声放大器L14的2脚连接多功能芯片L19的2脚(RFIN端)，Vdd端连接CHNI-TRRO2，并连接有滤波电容。环形器W1的2脚连接Coupled，1脚连接末级功率放大器L18的2脚(RFOUT端)。末级功率放大器L18的4、5、6、8、9、10脚共同连接CHNI-+8Vdd，并对地连接有电容；末级功率放大器L18的3、7脚共同连接CHNI-0.6V，并对地连接有电容；末级功率放大器L18的1脚(RFIN端)连接衰减器N5的一端，衰减器N5的另一端连接前级驱动放大器L16的2脚(RFOUT端)，前级驱动放大器L16的Vdd端连接CHNI-+8Vdd，1脚(RFIN端)连接多功能芯片L19的3脚(Tout端)。
进一步地，如图8所示，每个收发通道均设有接口电路，接口电路包括差分422转TTL电路、串行数据转并行数据电路、接收电源开关调制电路、发射电源开关调制电路与负压电平转换电路。单个收发通道内部的各接口电路以及四个收发通道之间的接口电路相互独立并隔离，避免信号在通道之间相互串扰，这些接口电路主要是将低频连接器输入的控制信号进行转换，然后分别送至各个收发通道。
其中，差分422转TTL电路采用型号为SJ001X的多路差分收发器芯片，用于转换SD、End、SC等数据控制线的差分422接口，该型号的多路差分收发器芯片具有8路差分转TTL接收器，能够满足本实施方式中TR组件的使用要求，同时，该型号的多路差分收发器芯片还具有一路TTL转差分驱动器，可实现组件BITE反馈SD_O的输出转换。
串行数据转并行数据电路采用型号为JS337的波控芯片。根据波控协议，系统通过SD数据线向T/R组件发送128位数据。T/R组件包含了四个通道，每个通道32位数据，因此在每个通道都通过一个波控芯片将串行数据转换为并行数据。
该型号的波控芯片具有以下功能：将32位串行输入数据(SDIN)转换为并行数据，具有数据校验、数据二次锁存、数据选择输出等功能；根据TRR和TRT产生控制信号并送至多功能芯片以实现收发切换控制；产生6位移相码和6为衰减码送至多功能芯片，实现数控移相和数控衰减；产生TRT_O和TRR_O信号，以实现接收电源调制和发射电源调制；对正负电源的异常进行掉电检测及校验出错检测SD_O故障，并故障指示输出。
接收电源开关调制电路采用型号为JS1146的电源调制器，主要用于减少TR组件的功耗，提高收发之间的隔离度，实现在接收时序内，接收支路各芯片加电，发射支路各芯片不加电，以及在发射时序内，发射支路各芯片加电，接收支路各芯片不加电的功能，从而对接收电源的接收时序TRR来进行调制。该型号的电源调制器可将输入直流+5V根据TRR调制成脉冲电源+5V，驱动电流为100mA，低噪声放大器所需电流为45mA，满足需求。
与接收电源开关调制电路类似，发射电源开关调制电路采用型号为JS3287的开关驱动器，用于需要根据发射时序TRT来进行调制。该型号的开关驱动器将输入直流+8V根据TRT调制成脉冲电源+8V，使脉冲电源输出至MOS管SC803X，以实现大电流电源调制，MOS管SC803X是大电流P沟道VDMOS管，开关导通电阻为0.08欧姆，输出电流为10A，前级驱动放大器电流为70mA，末级功率放大器电流为3A左右，MOS管的驱动电流满足使用要求。
由于末级功率放大器的栅极电压为-0.6V，系统输入的电源为-5V，因此需要将负压进行转换，负压电平转换电路采用型号为JS2308的负压转换芯片，该芯片可将输入电压-5V转换为-0.5V～-0.9V，满足使用要求。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
在本发明的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种小型化X波段四通道TR组件，包括由盖板与金属壳体焊接构成的腔体结构，所述腔体结构中设有四个独立且相同的收发通道，其特征在于，每个收发通道均包括通过环形器隔离的发射支路与接收支路，各收发通道中的发射支路与接收支路通过多功能芯片切换收发状态，各多功能芯片均与一分四功分器连接；
每个收发通道均包括一个收发通道微带板和一个过渡带微带板，所述一分四功分器包括一个功分器微带板；所述收发通道微带板与功分器微带板均为多层LTCC电路基板；过渡带微带板、收发通道微带板与功分器微带板采用引线键合连接，且收发通道微带板焊接在所述金属壳体底部。
2.根据权利要求1所述的一种小型化X波段四通道TR组件，其特征在于，所述收发通道微带板与功分器微带板采用FerroA6M材料，介电常数Er＝5.9；所述过渡带微带板采用ROGERS 6002双面板，介电常数Er＝2.94。
3.根据权利要求2所述的一种小型化X波段四通道TR组件，其特征在于，所述发射支路包括依次连接的前级驱动放大器、衰减器与末级功率放大器，其中末级功率放大器与环形器连接，前级驱动放大器与多功能芯片连接；所述接收支路包括限幅器与低噪声放大器，低噪声放大器与多功能芯片连接，限幅器与环形器连接。
4.根据权利要求3所述的一种小型化X波段四通道TR组件，其特征在于，所述限幅器型号为NC1810C-812，所述低噪声放大器型号为NC10146C-812，所述前级驱动放大器型号为WFD090102-P19，所述末级功率放大器型号为WFD090102-P4，所述衰减器型号为NC1338C-120F，环形器型号为WGH9007E，多功能芯片型号为WND0010HM。
5.根据权利要求1所述的一种小型化X波段四通道TR组件，其特征在于，每个收发通道均设有接口电路，所述接口电路包括差分422转TTL电路、串行数据转并行数据电路、接收电源开关调制电路、发射电源开关调制电路与负压电平转换电路；所述差分422转TTL电路采用型号为SJ001X的多路差分收发器芯片，所述串行数据转并行数据电路采用型号为JS337的波控芯片，所述接收电源开关调制电路采用型号为JS1146的电源调制器，所述发射电源开关调制电路采用型号为JS3287的开关驱动器，所述负压电平转换电路采用型号为JS2308的负压转换芯片。
6.根据权利要求2所述的一种小型化X波段四通道TR组件，其特征在于，所述功分器微带板上通过引线键合连接有低频连接器，还通过锡焊与多个射频连接器的端子连接，所述低频连接器型号为J30J微型矩形连接器J30JM1-37ZKS-Q25，所述射频连接器型号为同轴射频连接器JSSMA(M)-FJFD5150。
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