CN207099070U - 应用于相控阵系统的宽带微波幅相控制收发多功能芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种应用于相控阵系统的宽带微波幅相控制收发多功能芯片，其特征在于：包括芯片，所述芯片集成了16dB数控衰减器AT1、5位数控衰减器AT2、6位数控移相器PS1、低噪声放大器LNA1、低噪声放大器LNA2和低噪声放大器LNA3、驱动功率放大器MPA1、驱动功率放大器MPA2、单刀双掷开关SPDT1、单刀双掷开关SPDT2、单刀三掷开关SP3T1、20位串并转换电路SPC1以及2位TTL转换电路。本实用新型宽带微波幅相控制多功能芯片的尺寸在5*3.5*0.1mm3附近，芯片尺寸小，重量轻。

Description

应用于相控阵系统的宽带微波幅相控制收发多功能芯片

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种应用于相控阵系统的宽带微波幅相控制收发多功能芯片。

背景技术

相控阵雷达是一种先进的雷达体制，从20世纪30年代美国开始此项技术的研究工作，直到50年代中期才由美国休斯飞机公司研制成功。进入60年代以后，随着微电子技术、计算机技术和现代控制理论的出现，相控阵雷达技术的发展进入了飞速发展的阶段。到了80年代，相控阵雷达凭借很多独特的特点，得到了进一步的应用，成为了第三代中、远程防空导弹系统的一个重要标志。进入21世纪，相控阵雷达技术已经成为雷达技术发展的主流，相比传统的机械扫描雷达，相控阵雷达具有能对付多目标、功能多、机动性强、波束指向灵活、反应时间短、数据率高、抗干扰能力强、对复杂目标环境的适应能力强、可靠性高等优点。

相控阵雷达的天线阵面由许多个接收单元和发射单元(T/R组件)组成，单元数目和雷达的功能相关，一般从几百个到几万个，这些单元的数量、尺寸、和性能对相控阵雷达的成本、体积和性能起着决定性的作用。这些单元有规则地排列在平面上，构成阵列天线。利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各发射单元信号的相位，就可以改变波束的方向进行扫描，故称为电扫描。接收单元把接收到的回波信号送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。每个单元除了有天线振子之外，还有放大器、衰减器、移相器等必须的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的信号，从而在空间辐射出不同方向性的波束。单元数目越多，则波束在空间可能的方位就越多。这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线，“相控阵”由此得名。

相控阵雷达设计的重点和难点在于T/R组件。目前业界T/R组件的设计和制造通常采用混合集成技术，即通过微组装工艺将数十款单功能微波芯片(放大器、开关、衰减器、移相器、驱动器等芯片)集成在一块电路板或微波腔体中，这种技术虽然比较成熟，但是其固有的缺点严重制约了相控阵雷达技术的发展。这种技术的固有缺点包括以下几个方面：

1、体积大。传统的一个T/R组件需要使用数十款芯片、大量的微带传输线、芯片载版、电容电阻、金属隔腔等，其体积很难能够做小，考虑到相控阵雷达包含成千上万个T/R组件，采用传统T/R组件技术的相控阵雷达体积和重量会非常巨大，这会严重影响设备的便携性和使用方便性。

2、成本高。如前文所述，传统的T/R组件技术需要大量的微波芯片和微波器件，硬件成本十分昂贵，再加上人工调试和组装的成本，传统一件T/R组件的成本在八千人民币以上，即使一个仅含有一千个收发通道的相控阵雷达，仅仅用来采购T/R组件的费用便在八百万人民币以上。

3、一致性差。相控阵雷达对每个T/R组件的性能一致性具有着非常严格的要求。在微波毫米波频段，传统T/R组件的幅度、相位、移相精度、衰减精度等性能指标受芯片级联金丝、传输线长度、微组装装配工艺的影响严重，性能的一致性较差，严重影响相控阵雷达的性能。

4、需要大量的调试工作。由于传统T/R组件的性能一致性很差，装配完成后很难满足相控阵系统的一致性要求，所以需要组件设计调试工程师对T/R组件进行大量的调试工作，需要耗费大量的时间和精力，严重影响相控阵雷达的生产效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种应用于相控阵系统的宽带微波幅相控制收发多功能芯片，降低相控阵雷达系统的体积、重量、成本，提高相控阵雷达的性能和生产效率。

本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种应用于相控阵系统的宽带微波幅相控制收发多功能芯片，其特征在于：包括芯片，所述芯片集成了16dB数控衰减器AT1、5位数控衰减器AT2、6位数控移相器PS1、低噪声放大器LNA1、低噪声放大器LNA2和低噪声放大器LNA3、驱动功率放大器MPA1、驱动功率放大器MPA2、单刀双掷开关SPDT1、单刀双掷开关SPDT2、单刀三掷开关SP3T1、20位串并转换电路SPC1以及2位TTL转换电路；

所述芯片上共有15个外接焊盘，其中包含3个射频焊盘，分别为接收射频信号输入端口RIN、发射射频信号输出端口TOUT和接收发射公共端口COM；5个直流电源供电焊盘，分别为两个接收通道放大器电源供电端口VR1、VR2，两个发射通道放大器电源供电端口VT1、VT2和一个数字电路电源供电端口VSS；7个数字控制信号输入焊盘，分别为射频通道选择开关控制信号输入端口VS1、VS2，串并转换电路收发控制输入端口TR，串并转换电路数据锁存信号输入端口LD，串并转换电路串转并输入使能信号输入端口CS，串并转换电路时钟信号输入端口CLK，串并转换电路数据输入端口DAT；

所述接收射频信号输入端口RIN接所述16dB数控衰减器AT1的一端，16dB数控衰减器AT1、低噪声放大器LNA1、5位数控衰减器AT2、低噪声放大器LNA2依次连接，低噪声放大器LNA2的另一端接单刀双掷开关SPDT1的第一端子，单刀双掷开关SPDT1的第二端子接驱动功率放大器MPA2的一端，驱动功率放大器MPA2的另一端接发射射频信号输出端口TOUT；单刀双掷开关SPDT1的中间端子通过6位数控移相器PS1接单刀双掷开关SPDT2的中间端子，单刀双掷开关SPDT2的第一端子通过低噪声放大器LNA3接单刀三掷开关SP3T1的第一端子，单刀双掷开关SPDT2的第二端子通过驱动功率放大器MPA1接单刀三掷开关SP3T1的第二端子，单刀三掷开关SP3T1的第三端子通过50Ω电阻接地，单刀三掷开关SP3T1的中间端子接接收发射公共端口COM；20位串并转换电路SPC1分别连接串并转换电路收发控制输入端口TR，串并转换电路数据锁存信号输入端口LD，串并转换电路串转并输入使能信号输入端口CS，串并转换电路时钟信号输入端口CLK，串并转换电路数据输入端口DAT；2位TTL转换电路接所述射频通道选择开关控制信号输入端口VS1、VS2；2位TTL转换电路和20位串并转换电路SPC1共用一个数字电路电源供电端口VSS。

优选地，所述6位数控移相器的移相步进为5.625°，相位调制范围为0°～360°。

本实用新型的有益效果是:相比于传统的T/R组件设计和制造技术，本实用新型提出的宽带微波幅相控制收发多功能芯片具有以下几点明显优势：

1、体积小，重量轻。本实用新型宽带微波幅相控制多功能芯片的尺寸在5*3.5*0.1mm3附近，芯片尺寸小，重量轻。采用本实用新型的宽带微波幅相控制收发多功能芯片制造的T/R组件仅需要外部配套功率放大器、混频器等几个芯片便可以实现原本需要数十款芯片才能实现的功能，大幅度地减小了芯片、微带线、电阻电容等器件的使用，进一步减小T/R组件的体积和重量。

2、成本低。芯片的成本和芯片的尺寸成正比，相比传统T/R组件使用的十几款单功能芯片的面积总和，本实用新型宽带微波幅相控制多功能芯片可以将芯片总尺寸减小60％以上，从而将T/R组件总成本减小40％以上。

3、一致性好。本实用新型宽带微波幅相控制多功能芯片采用国际一流半导体工艺，代工厂工艺技术全球领先，工艺精度能够达到0.01um，具有传统工艺无法比拟的高度一致性。采用本实用新型宽带微波幅相控制多功能芯片的相控阵系统与采用传统T/R组件的相控阵系统相比具有明显的性能优势。

4、调试简单。如上所说，本实用新型宽带微波幅相控制多功能芯片具有高度的一致性，采用本实用新型的T/R组件装配后性能无明显差异，可以大幅减小调试时间和调试工作量，提高T/R组件的生产效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。如图1所示一种应用于相控阵系统的宽带微波幅相控制收发多功能芯片，包括芯片，所述芯片集成了16dB数控衰减器AT1、5位数控衰减器AT2、6位数控移相器PS1、低噪声放大器LNA1、低噪声放大器LNA2和低噪声放大器LNA3、驱动功率放大器MPA1、驱动功率放大器MPA2、单刀双掷开关SPDT1、单刀双掷开关SPDT2、单刀三掷开关SP3T1、20位串并转换电路SPC1以及2位TTL转换电路；

所述芯片上共有15个外接焊盘，其中包含3个射频焊盘，分别为接收射频信号输入端口RIN、发射射频信号输出端口TOUT和接收发射公共端口COM；5个直流电源供电焊盘，分别为两个接收通道放大器电源供电端口VR1、VR2，两个发射通道放大器电源供电端口VT1、VT2和一个数字电路电源供电端口VSS；7个数字控制信号输入焊盘，分别为射频通道选择开关控制信号输入端口VS1、VS2，串并转换电路收发控制输入端口TR，串并转换电路数据锁存信号输入端口LD，串并转换电路串转并输入使能信号输入端口CS，串并转换电路时钟信号输入端口CLK，串并转换电路数据输入端口DAT；

所述接收射频信号输入端口RIN接所述16dB数控衰减器AT1的一端，16dB数控衰减器AT1、低噪声放大器LNA1、5位数控衰减器AT2、低噪声放大器LNA2依次连接，低噪声放大器LNA2的另一端接单刀双掷开关SPDT1的第一端子，单刀双掷开关SPDT1的第二端子接驱动功率放大器MPA2的一端，驱动功率放大器MPA2的另一端接发射射频信号输出端口TOUT；单刀双掷开关SPDT1的中间端子通过6位数控移相器PS1接单刀双掷开关SPDT2的中间端子，单刀双掷开关SPDT2的第一端子通过低噪声放大器LNA3接单刀三掷开关SP3T1的第一端子，单刀双掷开关SPDT2的第二端子通过驱动功率放大器MPA1接单刀三掷开关SP3T1的第二端子，单刀三掷开关SP3T1的第三端子通过50Ω电阻接地，单刀三掷开关SP3T1的中间端子接接收发射公共端口COM；20位串并转换电路SPC1分别连接串并转换电路收发控制输入端口TR，串并转换电路数据锁存信号输入端口LD，串并转换电路串转并输入使能信号输入端口CS，串并转换电路时钟信号输入端口CLK，串并转换电路数据输入端口DAT；2位TTL转换电路接所述射频通道选择开关控制信号输入端口VS1、VS2；2位TTL转换电路和20位串并转换电路SPC1共用一个数字电路电源供电端口VSS。

所述16dB数控衰减器AT1能够对接收到的射频信号进行幅度调制，同时若接收到的射频信号功率过高则对射频信号进行16dB的衰减，减小输入射频信号功率，防止后续低噪声放大器被大功率信号烧毁，提高了整个系统的动态范围。由于在接收通道的最前端，16dB衰减器AT1需要有尽可能小的插入损耗，从而降低系统的噪声系数。

所述低噪声放大器LNA1能够对接收到的射频信号进行低噪声放大，在放大射频信号的同时将引入的噪声系数降低至最小。低噪声放大器LNA1的增益和噪声系数对整个系统噪声系数有着重要的影响，因此LNA1需要有较高的增益以及尽可能小的噪声系数。

所述5位数控衰减器AT2能够对接收到的射频信号进行幅度调制，5位数控衰减器的衰减步进为0.5dB，衰减范围为0.5dB～16.5dB，与16dB数控衰减器一起工作时可以组成一个6位数控衰减器，衰减范围能够达到0.5dB～31.5dB。两个数控衰减器的控制电压由20位串并转换电路SPC1给出。

所述低噪声放大器LNA2和LNA3能够对接收到的射频信号进行小信号放大，补偿射频通道中其余电路引入的插入损耗，提高整个系统的增益和输出功率。因为LNA2和LNA3在整个接收通道的中后端，因此不需要太低的噪声系数，但是需要具有较高的增益和输出功率。

所述单刀双掷开关SPDT1、SPDT2以及单刀三掷开关SP3T1负责实现射频接收通道和发射通道的相互切换，3个开关的控制电压由2位TTL转换电路给出。当多功能芯片工作在接收状态时，通过VS1和VS2输入的TTL电平的控制，单刀双掷开关SPDT1、SPDT2和单刀三掷开关SP3T1均切换到下路通道；当多功能芯片工作在接收状态时，通过VS1和VS2输入的TTL电平的控制，单刀双掷开关SPDT1、SPDT2和单刀三掷开关SP3T1均切换到上路通道；到多功能芯片接收通道和发射通道均不工作时，通过VS1和VS2输入的TTL电平的控制，单刀三掷开关SP3T1切换到中间50Ω电阻负载。

所述6位数控移相器PS1为接收通道和发射通道共用电路，能够对接收和发射的射频信号进行相位调制，6位数控移相器的移相步进为5.625°，相位调制范围为0°～360°。6位数控移相器的控制电压由20位串并转换电路SPC1给出。

所述驱动放大器MPA1和MPA2能够对发射射频信号进行中功率放大，将发射信号放大到+15dBm左右的功率提供给多功能芯片后续连接的功率放大器和天线。驱动放大器MPA2需要具有比较高的输出功率1dB压缩点，从而保证发射信号能够被线性的放大至+15dBm左右的功率。

本实用新型中，两个发射通道放大器电源供电端口VT1、VT2两个焊盘可以合并为一个焊盘。

本实用新型中，两个接收通道放大器电源供电端口VR1、VR2两个焊盘可以合并为一个焊盘或则拆分为三个焊盘。

本实用新型中，低噪声放大器和驱动放大器的数量可以根据具体需求进行更改。

本实用新型中，5位数控衰减器AT2和低噪声放大器LNA2的位置可以互换。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种应用于相控阵系统的宽带微波幅相控制收发多功能芯片，其特征在于：包括芯片，所述芯片集成了16dB数控衰减器AT1、5位数控衰减器AT2、6位数控移相器PS1、低噪声放大器LNA1、低噪声放大器LNA2和低噪声放大器LNA3、驱动功率放大器MPA1、驱动功率放大器MPA2、单刀双掷开关SPDT1、单刀双掷开关SPDT2、单刀三掷开关SP3T1、20位串并转换电路SPC1以及2位TTL转换电路；

所述芯片上共有15个外接焊盘，其中包含3个射频焊盘，分别为接收射频信号输入端口RIN、发射射频信号输出端口TOUT和接收发射公共端口COM；5个直流电源供电焊盘，分别为两个接收通道放大器电源供电端口VR1、VR2，两个发射通道放大器电源供电端口VT1、VT2和一个数字电路电源供电端口VSS；7个数字控制信号输入焊盘，分别为射频通道选择开关控制信号输入端口VS1、VS2，串并转换电路收发控制输入端口TR，串并转换电路数据锁存信号输入端口LD，串并转换电路串转并输入使能信号输入端口CS，串并转换电路时钟信号输入端口CLK，串并转换电路数据输入端口DAT；

所述接收射频信号输入端口RIN接所述16dB数控衰减器AT1的一端，16dB数控衰减器AT1、低噪声放大器LNA1、5位数控衰减器AT2、低噪声放大器LNA2依次连接，低噪声放大器LNA2的另一端接单刀双掷开关SPDT1的第一端子，单刀双掷开关SPDT1的第二端子接驱动功率放大器MPA2的一端，驱动功率放大器MPA2的另一端接发射射频信号输出端口TOUT；单刀双掷开关SPDT1的中间端子通过6位数控移相器PS1接单刀双掷开关SPDT2的中间端子，单刀双掷开关SPDT2的第一端子通过低噪声放大器LNA3接单刀三掷开关SP3T1的第一端子，单刀双掷开关SPDT2的第二端子通过驱动功率放大器MPA1接单刀三掷开关SP3T1的第二端子，单刀三掷开关SP3T1的第三端子通过50Ω电阻接地，单刀三掷开关SP3T1的中间端子接接收发射公共端口COM；20位串并转换电路SPC1分别连接串并转换电路收发控制输入端口TR，串并转换电路数据锁存信号输入端口LD，串并转换电路串转并输入使能信号输入端口CS，串并转换电路时钟信号输入端口CLK，串并转换电路数据输入端口DAT；2位TTL转换电路接所述射频通道选择开关控制信号输入端口VS1、VS2；2位TTL转换电路和20位串并转换电路SPC1共用一个数字电路电源供电端口VSS。

2.根据权利要求1所述的应用于相控阵系统的宽带微波幅相控制收发多功能芯片，其特征在于：所述6位数控移相器的移相步进为5.625°，相位调制范围为0°～360°。