蘇斌 朱建立 王建
摘要： 本文介紹了大功率T/R模塊的功能和原理。 針對大功率T/R模塊自身的特點， 結合工程經驗， 詳細分析了在設計和應用中功放調製電路設計、 功放晶片殘餘能量釋放、 接收支路設計和儲能電容計算等關鍵技術。
關鍵詞： 多通道； 相控陣； T/R模塊； 氮化鎵； 大功率
中圖分類號： TJ765.2+2； TN958.92文獻標識碼： A文章編號： 1673-5048（2016）01-0025-03
Abstract： The function and principle of high power T/R module are introduced. According to its own characteristics， combined with engineering experience， the design and application of key technology such as power amplifier modulation circuit design， power amplifier chip residual energy release， receiving channel design and storage capacitance calculation are analyzed.
Key words： multichannel； phased array； T/R module； GaN； high power
0引言
彈載有源相控陣雷達能滿足雷達的探測距離、 數據更新率、 多目標跟蹤及測量精度等眾多需求。 T/R模塊是有源固態相控陣雷達中的基本組成部分， 朝著小、 輕、 短、 薄以及低成本、 高可靠、 高性能方向迅速發展。 為了更有效地探測和捕獲快速、 機動、 隱身目標， 大功率T/R模塊應運而生， 其發射支路採用GaN功放晶片， 單通道輸出功率可達十瓦以上， 同時接收支路還要具備低噪聲、 大動態範圍的特點。
1大功率T/R模塊功能及組成
T/R模塊單通道電原理如圖1所示。
在發射狀態下， 發射信號由數控移相器按外部波控機傳送的波控數據進行移相， 信號由低功率T/R開關進入發射通道， 經驅動級功率放大器進行放大， 最後由GaN功率放大器進行功率放大， 使輸出功率達到要求， 經過環形器由天線向空間輻射。
在接收狀態， 天線接收的信號由環形器輸入到接收通道， 經限幅保護電路、 低噪聲放大器和數控衰減器進行放大和幅度調整， 然後由低功率T/R開關送數控移相器進行移相， 最後輸出到饋電網絡。
2關鍵技術
2.1GaN功放晶片
目前國內GaN功放晶片日益成熟， 與GaAs功放晶片相比， 具有漏壓高、 功率大、 結溫高、 效率高的特點。
在T/R模塊中使用時， GaN功放晶片與GaAs功放晶片相比， 除了要考慮自激、 散熱等問題， 還要解決調製電路、 晶片能量釋放等問題。
2.1.1調製電路設計
GaN功放晶片調製電路原理圖如圖2所示。
大功率T/R模塊功放調製電路設計中， 開關管的驅動器是關鍵。 開關管用+28 V和驅動器輸出T1信號控制開關管的通斷， 常用驅動器輸出的控制信號低電平對地電壓為0 V， 但是開關管無法承受28 V的壓差。 T信號為TTL信號， 經過驅動器後T1脈衝信號的低電平需要抬高十幾伏， 使得T1在高電平時， 開關管處在關斷狀態；T1在低電平時， 開關管處在打開狀態。
抬高T1信號低電平的原理是採用上拉電阻分壓、 多個PN結串聯導通累計壓差、 穩壓二極體等方式。 利用上拉電阻分壓方式的優點是電路簡單， 缺點是若所選分壓電阻大， 驅動器內LC電路充放電時間加長， T1的上升沿、 下降沿時間加長， 能達到150 ns；若分壓電阻小， 則電阻耗電多， 發熱多。 用多個PN結串聯的方式可以用N個PN結串聯正導通， 每個PN結的壓降為0.7 V， 則N個PN結可以使低電平抬高（0.7×N） V， 優點是PN結導通時阻抗很小， 不會對驅動器埠阻抗造成影響， 反應速度快， 缺點是所占體積大。 可以用穩壓二極體來替代串聯PN結， 解決上面兩種方式的缺點。
由於控制GaN功放晶片調製電路與GaAs驅動放大器的調製電路原理不同， 造成相對於同一個時間基準時間延時不同， 前者要比後者延遲180 ns左右， 即驅動放大器工作180 ns後功放才開始工作， 因此在模塊設計、 使用時要對時序進行考慮， 保證GaN功放和GaAs驅放在工作時合理的時序嵌套。 GaN功放的漏壓典型值為+28 V， 當功放工作或關斷時， 電壓變化範圍為28 V， 造成功放在脈衝條件下工作的上升沿或者下降沿大約在80 ns左右。 GaAs驅放漏壓典型值為+8 V， 上升下降沿可以控制在30 ns以內。 為了得到比較小的上升下降沿， 可以通過控制圖1中微波開關的關斷把上升下降沿不需要的部分去掉。
2.1.2晶片殘餘能量釋放
GaN功放晶片輸出功率大， 通過控制漏壓關斷後在晶片內還殘留一部分的能量， 這部分能量若無特殊處理會通過晶片的地釋放掉， 通過示波器測功放的檢波包絡發現下降沿會有拖尾， 若不加處理， 在這段時間內模塊的噪底會抬高10 dB左右， 造成系統靈敏度下降。 在圖1中微波開關和調製器的控制信號可能存在時序嵌套的關係， 導致在示波器上無法看見檢波包絡的拖尾現象， 造成假象， 可以通過頻譜儀觀察噪底抬高情況加以判斷。
航空兵器2016年第1期
蘇斌等： 相控陣大功率T/R模塊關鍵技術分析
為了避免噪底抬高問題， 可以採用兩種解決方法。 第一種方法是增加發射與接收脈衝之間的保護時間， 即在一個周期內發射脈衝控制功放工作結束後， 使得晶片內能量釋放掉， 再開始接收狀態。 這樣在晶片釋放殘餘能量的時間內接收狀態未工作， 避開了噪底抬高對接收狀態的影響。 雷達系統工作在重頻較高的情況下， 拖尾時間對系統占空比影響較大， 可以採用第二種方法。 該方法是通過給功放晶片提供一個對地迴路， 使得晶片內殘留能量能夠快速釋放掉， 時間可以控制在100 ns以內， 從而減少了接收發射之間保護時間。 常用的方法如圖3所示， 當功放工作結束時， 殘留的電壓與控制邏輯共同作用使MOS管導通， 殘留能量得以釋放。
2.2接收支路設計
T/R模塊在輸出口需要能夠進行收發切換， 但是目前國內可以用於T/R模塊的開關耐功率無法達到10 W量級， 同時為了避免由於隔離度不夠從發射支路泄漏到接收支路的微波信號造成對低噪放的損壞， 採用雙節環形器配合限幅器的方法。 收發切換電路原理圖見圖4。 連接功放和天線的環形器作為收發轉換開關， 發射支路工作時， 功放輸出的信號經過環形器傳輸到天線， 與接收支路的隔離度在20 dB左右； 接收支路工作時， 天線把接收到的信號通過環形器傳輸到接收支路， 與發射支路的隔離也在20 dB左右。 另外一個環形器作為隔離器使用， 由於它不是靠內部的吸收片來吸收反射功率， 而是將反射波在另一埠輸出， 再用大功率負載吸收掉反射功率， 因而可以承受較大的功率。
由於天線單元在不同工作條件下有源駐波不同， 可能有較大能量反射回接收支路， 經過第二級環形器後傳輸到限幅器上， 限幅器會反射一部分給第二級環形器， 通過環形器另一個埠的吸收負載把能量消耗掉， 從而保護了低噪放。 若只用一級環形器， 限幅器反射回來的能量會引起環形器埠失配， 破壞了電路的穩定性， 可能引起功放或者限幅器燒毀。
2.3儲能電容
在彈載相控陣系統中， 對T/R模塊提供能量的天線電源帶載能力要求很高。 為了提高相控陣系統的性能， 儘可能地提高T/R模塊的峰值功率和發射占空比， 造成數以百計的T/R通道累積起來的平均電流和峰值電流很大。
由於受體積的限制， 天線電源帶載能力未必十分充裕。 若儲能電容過少， 天線電源在大負載的情況下不能提供足夠的電流， 造成在一個調製周期內電壓波動過大， 會對天線電源和功放晶片造成傷害；若儲能電容過多， 天線電源容性負載過大， 會導致天線電源燒毀。 同時天線電源自身性能測試時， 由於電子負載或假負載不能真實模擬T/R模塊的容性和阻性負載， 增加了天線電源和T/R模塊聯試的風險。 因此選擇合適的T/R模塊儲能電容顯得尤為重要。
在極端情況下， T/R模塊儲能電容能夠滿足一個周期內T/R模塊在發射狀態正常工作所需要的能量即可。
3結論
經過技術進步和大量工程經驗積累， 制約GaN大功率晶片應用於T/R模塊的技術問題已經得到了解決， 小型化、 大功率、 高集成度T/R模塊在彈載相控陣系統上已經開始應用。 目前其模塊效率可以超過30%， 單通道發射功率大於15 W。 由大功率T/R模塊組成的相控陣天線將大幅度提高導引頭的探測距離和反隱身能力。
參考文獻：
[1] 張光義. 相控陣雷達系統[M]. 北京： 國防工業出版社， 1994： 272-277.
[2] 丁武偉. 相控陣雷達導引頭收發系統設計[J]. 航空兵器， 2010（1）： 44-47.
[3] 李秋生. 相控陣雷達導引頭關鍵技術初探[J]. 飛航飛彈， 2007（6）： 55-57.
[4] 宋銀鎖， 馬妙枝. 導引頭共形相控陣天線研究進展[J].航空兵器， 2008（6）： 41-47.
[5] 戈穩.雷達接收機技術[M].北京： 電子工業出版社， 2005.
[6] Donado Morcillo C A， Patterson C E， Lacroix B， et al. An UltraThin， HighPower， and Multilayer Organic Antenna Array with T/R Functionality in the XBand[J]. IEEE Transactions on， Microwave Theory and Techniques， 2012， 60（12）：3856-3867.
[7] 胡明春， 周志鵬， 嚴偉.相控陣雷達收發組件技術[M].北京： 國防工業出版社， 2010：110-111， 147.
[8] Jardel O， Mazeau J， Piotrowicz S， et al.GaN Power MMICs for XBand T/R Modules[C]∥Microwave Integrated Circuits Conference（EuMIC）， European， 2010：17-20.
[9] Schuh P， Sledzik H， Reber R， et al.GaN MMIC Based T/RModule FrontEnd for XBand Applications[C]∥Microwave Integrated Circuit Conference （EuMIC）， European， 2008： 274-277.
摘要： 本文介紹了大功率T/R模塊的功能和原理。 針對大功率T/R模塊自身的特點， 結合工程經驗， 詳細分析了在設計和應用中功放調製電路設計、 功放晶片殘餘能量釋放、 接收支路設計和儲能電容計算等關鍵技術。
關鍵詞： 多通道； 相控陣； T/R模塊； 氮化鎵； 大功率
中圖分類號： TJ765.2+2； TN958.92文獻標識碼： A文章編號： 1673-5048（2016）01-0025-03
Abstract： The function and principle of high power T/R module are introduced. According to its own characteristics， combined with engineering experience， the design and application of key technology such as power amplifier modulation circuit design， power amplifier chip residual energy release， receiving channel design and storage capacitance calculation are analyzed.
Key words： multichannel； phased array； T/R module； GaN； high power
0引言
彈載有源相控陣雷達能滿足雷達的探測距離、 數據更新率、 多目標跟蹤及測量精度等眾多需求。 T/R模塊是有源固態相控陣雷達中的基本組成部分， 朝著小、 輕、 短、 薄以及低成本、 高可靠、 高性能方向迅速發展。 為了更有效地探測和捕獲快速、 機動、 隱身目標， 大功率T/R模塊應運而生， 其發射支路採用GaN功放晶片， 單通道輸出功率可達十瓦以上， 同時接收支路還要具備低噪聲、 大動態範圍的特點。
1大功率T/R模塊功能及組成
T/R模塊單通道電原理如圖1所示。
在發射狀態下， 發射信號由數控移相器按外部波控機傳送的波控數據進行移相， 信號由低功率T/R開關進入發射通道， 經驅動級功率放大器進行放大， 最後由GaN功率放大器進行功率放大， 使輸出功率達到要求， 經過環形器由天線向空間輻射。
在接收狀態， 天線接收的信號由環形器輸入到接收通道， 經限幅保護電路、 低噪聲放大器和數控衰減器進行放大和幅度調整， 然後由低功率T/R開關送數控移相器進行移相， 最後輸出到饋電網絡。
2關鍵技術
2.1GaN功放晶片
目前國內GaN功放晶片日益成熟， 與GaAs功放晶片相比， 具有漏壓高、 功率大、 結溫高、 效率高的特點。
在T/R模塊中使用時， GaN功放晶片與GaAs功放晶片相比， 除了要考慮自激、 散熱等問題， 還要解決調製電路、 晶片能量釋放等問題。
2.1.1調製電路設計
GaN功放晶片調製電路原理圖如圖2所示。
大功率T/R模塊功放調製電路設計中， 開關管的驅動器是關鍵。 開關管用+28 V和驅動器輸出T1信號控制開關管的通斷， 常用驅動器輸出的控制信號低電平對地電壓為0 V， 但是開關管無法承受28 V的壓差。 T信號為TTL信號， 經過驅動器後T1脈衝信號的低電平需要抬高十幾伏， 使得T1在高電平時， 開關管處在關斷狀態；T1在低電平時， 開關管處在打開狀態。
抬高T1信號低電平的原理是採用上拉電阻分壓、 多個PN結串聯導通累計壓差、 穩壓二極體等方式。 利用上拉電阻分壓方式的優點是電路簡單， 缺點是若所選分壓電阻大， 驅動器內LC電路充放電時間加長， T1的上升沿、 下降沿時間加長， 能達到150 ns；若分壓電阻小， 則電阻耗電多， 發熱多。 用多個PN結串聯的方式可以用N個PN結串聯正導通， 每個PN結的壓降為0.7 V， 則N個PN結可以使低電平抬高（0.7×N） V， 優點是PN結導通時阻抗很小， 不會對驅動器埠阻抗造成影響， 反應速度快， 缺點是所占體積大。 可以用穩壓二極體來替代串聯PN結， 解決上面兩種方式的缺點。
由於控制GaN功放晶片調製電路與GaAs驅動放大器的調製電路原理不同， 造成相對於同一個時間基準時間延時不同， 前者要比後者延遲180 ns左右， 即驅動放大器工作180 ns後功放才開始工作， 因此在模塊設計、 使用時要對時序進行考慮， 保證GaN功放和GaAs驅放在工作時合理的時序嵌套。 GaN功放的漏壓典型值為+28 V， 當功放工作或關斷時， 電壓變化範圍為28 V， 造成功放在脈衝條件下工作的上升沿或者下降沿大約在80 ns左右。 GaAs驅放漏壓典型值為+8 V， 上升下降沿可以控制在30 ns以內。 為了得到比較小的上升下降沿， 可以通過控制圖1中微波開關的關斷把上升下降沿不需要的部分去掉。
2.1.2晶片殘餘能量釋放
GaN功放晶片輸出功率大， 通過控制漏壓關斷後在晶片內還殘留一部分的能量， 這部分能量若無特殊處理會通過晶片的地釋放掉， 通過示波器測功放的檢波包絡發現下降沿會有拖尾， 若不加處理， 在這段時間內模塊的噪底會抬高10 dB左右， 造成系統靈敏度下降。 在圖1中微波開關和調製器的控制信號可能存在時序嵌套的關係， 導致在示波器上無法看見檢波包絡的拖尾現象， 造成假象， 可以通過頻譜儀觀察噪底抬高情況加以判斷。
航空兵器2016年第1期
蘇斌等： 相控陣大功率T/R模塊關鍵技術分析
為了避免噪底抬高問題， 可以採用兩種解決方法。 第一種方法是增加發射與接收脈衝之間的保護時間， 即在一個周期內發射脈衝控制功放工作結束後， 使得晶片內能量釋放掉， 再開始接收狀態。 這樣在晶片釋放殘餘能量的時間內接收狀態未工作， 避開了噪底抬高對接收狀態的影響。 雷達系統工作在重頻較高的情況下， 拖尾時間對系統占空比影響較大， 可以採用第二種方法。 該方法是通過給功放晶片提供一個對地迴路， 使得晶片內殘留能量能夠快速釋放掉， 時間可以控制在100 ns以內， 從而減少了接收發射之間保護時間。 常用的方法如圖3所示， 當功放工作結束時， 殘留的電壓與控制邏輯共同作用使MOS管導通， 殘留能量得以釋放。
2.2接收支路設計
T/R模塊在輸出口需要能夠進行收發切換， 但是目前國內可以用於T/R模塊的開關耐功率無法達到10 W量級， 同時為了避免由於隔離度不夠從發射支路泄漏到接收支路的微波信號造成對低噪放的損壞， 採用雙節環形器配合限幅器的方法。 收發切換電路原理圖見圖4。 連接功放和天線的環形器作為收發轉換開關， 發射支路工作時， 功放輸出的信號經過環形器傳輸到天線， 與接收支路的隔離度在20 dB左右； 接收支路工作時， 天線把接收到的信號通過環形器傳輸到接收支路， 與發射支路的隔離也在20 dB左右。 另外一個環形器作為隔離器使用， 由於它不是靠內部的吸收片來吸收反射功率， 而是將反射波在另一埠輸出， 再用大功率負載吸收掉反射功率， 因而可以承受較大的功率。
由於天線單元在不同工作條件下有源駐波不同， 可能有較大能量反射回接收支路， 經過第二級環形器後傳輸到限幅器上， 限幅器會反射一部分給第二級環形器， 通過環形器另一個埠的吸收負載把能量消耗掉， 從而保護了低噪放。 若只用一級環形器， 限幅器反射回來的能量會引起環形器埠失配， 破壞了電路的穩定性， 可能引起功放或者限幅器燒毀。
2.3儲能電容
在彈載相控陣系統中， 對T/R模塊提供能量的天線電源帶載能力要求很高。 為了提高相控陣系統的性能， 儘可能地提高T/R模塊的峰值功率和發射占空比， 造成數以百計的T/R通道累積起來的平均電流和峰值電流很大。
由於受體積的限制， 天線電源帶載能力未必十分充裕。 若儲能電容過少， 天線電源在大負載的情況下不能提供足夠的電流， 造成在一個調製周期內電壓波動過大， 會對天線電源和功放晶片造成傷害；若儲能電容過多， 天線電源容性負載過大， 會導致天線電源燒毀。 同時天線電源自身性能測試時， 由於電子負載或假負載不能真實模擬T/R模塊的容性和阻性負載， 增加了天線電源和T/R模塊聯試的風險。 因此選擇合適的T/R模塊儲能電容顯得尤為重要。
在極端情況下， T/R模塊儲能電容能夠滿足一個周期內T/R模塊在發射狀態正常工作所需要的能量即可。
3結論
經過技術進步和大量工程經驗積累， 制約GaN大功率晶片應用於T/R模塊的技術問題已經得到了解決， 小型化、 大功率、 高集成度T/R模塊在彈載相控陣系統上已經開始應用。 目前其模塊效率可以超過30%， 單通道發射功率大於15 W。 由大功率T/R模塊組成的相控陣天線將大幅度提高導引頭的探測距離和反隱身能力。
參考文獻：
[1] 張光義. 相控陣雷達系統[M]. 北京： 國防工業出版社， 1994： 272-277.
[2] 丁武偉. 相控陣雷達導引頭收發系統設計[J]. 航空兵器， 2010（1）： 44-47.
[3] 李秋生. 相控陣雷達導引頭關鍵技術初探[J]. 飛航飛彈， 2007（6）： 55-57.
[4] 宋銀鎖， 馬妙枝. 導引頭共形相控陣天線研究進展[J].航空兵器， 2008（6）： 41-47.
[5] 戈穩.雷達接收機技術[M].北京： 電子工業出版社， 2005.
[6] Donado Morcillo C A， Patterson C E， Lacroix B， et al. An UltraThin， HighPower， and Multilayer Organic Antenna Array with T/R Functionality in the XBand[J]. IEEE Transactions on， Microwave Theory and Techniques， 2012， 60（12）：3856-3867.
[7] 胡明春， 周志鵬， 嚴偉.相控陣雷達收發組件技術[M].北京： 國防工業出版社， 2010：110-111， 147.
[8] Jardel O， Mazeau J， Piotrowicz S， et al.GaN Power MMICs for XBand T/R Modules[C]∥Microwave Integrated Circuits Conference（EuMIC）， European， 2010：17-20.
[9] Schuh P， Sledzik H， Reber R， et al.GaN MMIC Based T/RModule FrontEnd for XBand Applications[C]∥Microwave Integrated Circuit Conference （EuMIC）， European， 2008： 274-277.
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