相控阵大功率T/R模块关键技术分析

    苏斌　朱建立　王建

    摘要： 本文介绍了大功率T/R模块的功能和原理。 针对大功率T/R模块自身的特点， 结合工程经验， 详细分析了在设计和应用中功放调制电路设计、 功放芯片残余能量释放、 接收支路设计和储能电容计算等关键技术。

    关键词： 多通道； 相控阵； T/R模块； 氮化镓； 大功率

    中图分类号： TJ765.2+2； TN958.92文献标识码： A文章编号： 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

    弹载有源相控阵雷达能满足雷达的探测距离、 数据更新率、 多目标跟踪及测量精度等众多需求。 T/R模块是有源固态相控阵雷达中的基本组成部分， 朝着小、 轻、 短、 薄以及低成本、 高可靠、 高性能方向迅速发展。 为了更有效地探测和捕获快速、 机动、 隐身目标， 大功率T/R模块应运而生， 其发射支路采用GaN功放芯片， 单通道输出功率可达十瓦以上， 同时接收支路还要具备低噪声、 大动态范围的特点。

    1大功率T/R模块功能及组成

    T/R模块单通道电原理如图1所示。

    在发射状态下， 发射信号由数控移相器按外部波控机传送的波控数据进行移相， 信号由低功率T/R开关进入发射通道， 经驱动级功率放大器进行放大， 最后由GaN功率放大器进行功率放大， 使输出功率达到要求， 经过环形器由天线向空间辐射。

    在接收状态， 天线接收的信号由环形器输入到接收通道， 经限幅保护电路、 低噪声放大器和数控衰减器进行放大和幅度调整， 然后由低功率T/R开关送数控移相器进行移相， 最后输出到馈电网络。

    2关键技术

    2.1GaN功放芯片

    目前国内GaN功放芯片日益成熟， 与GaAs功放芯片相比， 具有漏压高、 功率大、 结温高、 效率高的特点。

    在T/R模块中使用时， GaN功放芯片与GaAs功放芯片相比， 除了要考虑自激、 散热等问题， 还要解决调制电路、 芯片能量释放等问题。

    2.1.1调制电路设计

    GaN功放芯片调制电路原理图如图2所示。

    大功率T/R模块功放调制电路设计中， 开关管的驱动器是关键。 开关管用+28 V和驱动器输出T1信号控制开关管的通断， 常用驱动器输出的控制信号低电平对地电压为0 V， 但是开关管无法承受28 V的压差。 T信号为TTL信号， 经过驱动器后T1脉冲信号的低电平需要抬高十几伏， 使得T1在高电平时， 开关管处在关断状态；T1在低电平时， 开关管处在打开状态。

    抬高T1信号低电平的原理是采用上拉电阻分压、 多个PN结串联导通累计压差、 稳压二极管等方式。 利用上拉电阻分压方式的优点是电路简单， 缺点是若所选分压电阻大， 驱动器内LC电路充放电时间加长， T1的上升沿、 下降沿时间加长， 能达到150 ns；若分压电阻小， 则电阻耗电多， 发热多。 用多个PN结串联的方式可以用N个PN结串联正导通， 每个PN结的压降为0.7 V， 则N个PN结可以使低电平抬高（0.7×N） V， 优点是PN结导通时阻抗很小， 不会对驱动器端口阻抗造成影响， 反应速度快， 缺点是所占体积大。 可以用稳压二极管来替代串联PN结， 解决上面两种方式的缺点。

    由于控制GaN功放芯片调制电路与GaAs驱动放大器的调制电路原理不同， 造成相对于同一个时间基准时间延时不同， 前者要比后者延迟180 ns左右， 即驱动放大器工作180 ns后功放才开始工作， 因此在模块设计、 使用时要对时序进行考虑， 保证GaN功放和GaAs驱放在工作时合理的时序嵌套。 GaN功放的漏压典型值为+28 V， 当功放工作或关断时， 电压变化范围为28 V， 造成功放在脉冲条件下工作的上升沿或者下降沿大约在80 ns左右。 GaAs驱放漏压典型值为+8 V， 上升下降沿可以控制在30 ns以内。 为了得到比较小的上升下降沿， 可以通过控制图1中微波开关的关断把上升下降沿不需要的部分去掉。

    2.1.2芯片残余能量释放

    GaN功放芯片输出功率大， 通过控制漏压关断后在芯片内还残留一部分的能量， 这部分能量若无特殊处理会通过芯片的地释放掉， 通过示波器测功放的检波包络发现下降沿会有拖尾， 若不加处理， 在这段时间内模块的噪底会抬高10 dB左右， 造成系统灵敏度下降。 在图1中微波开关和调制器的控制信号可能存在时序嵌套的关系， 导致在示波器上无法看见检波包络的拖尾现象， 造成假象， 可以通过频谱仪观察噪底抬高情况加以判断。

    航空兵器2016年第1期

    苏斌等： 相控阵大功率T/R模块关键技术分析

    为了避免噪底抬高问题， 可以采用两种解决方法。 第一种方法是增加发射与接收脉冲之间的保护时间， 即在一个周期内发射脉冲控制功放工作结束后， 使得芯片内能量释放掉， 再开始接收状态。 这样在芯片释放残余能量的时间内接收状态未工作， 避开了噪底抬高对接收状态的影响。 雷达系统工作在重频较高的情况下， 拖尾时间对系统占空比影响较大， 可以采用第二种方法。 该方法是通过给功放芯片提供一个对地回路， 使得芯片内残留能量能够快速释放掉， 时间可以控制在100 ns以内， 从而减少了接收发射之间保护时间。 常用的方法如图3所示， 当功放工作结束时， 残留的电压与控制逻辑共同作用使MOS管导通， 残留能量得以释放。

    2.2接收支路设计

    T/R模块在输出口需要能够进行收发切换， 但是目前国内可以用于T/R模块的开关耐功率无法达到10 W量级， 同时为了避免由于隔离度不够从发射支路泄漏到接收支路的微波信号造成对低噪放的损坏， 采用双节环形器配合限幅器的方法。 收发切换电路原理图见图4。 连接功放和天线的环形器作为收发转换开关， 发射支路工作时， 功放输出的信号经过环形器传输到天线， 与接收支路的隔离度在20 dB左右； 接收支路工作时， 天线把接收到的信号通过环形器传输到接收支路， 与发射支路的隔离也在20 dB左右。 另外一个环形器作为隔离器使用， 由于它不是靠内部的吸收片来吸收反射功率， 而是将反射波在另一端口输出， 再用大功率负载吸收掉反射功率， 因而可以承受较大的功率。

    由于天线单元在不同工作条件下有源驻波不同， 可能有较大能量反射回接收支路， 经过第二级环形器后传输到限幅器上， 限幅器会反射一部分给第二级环形器， 通过环形器另一个端口的吸收负载把能量消耗掉， 从而保护了低噪放。 若只用一级环形器， 限幅器反射回来的能量会引起环形器端口失配， 破坏了电路的稳定性， 可能引起功放或者限幅器烧毁。

    2.3储能电容

    在弹载相控阵系统中， 对T/R模块提供能量的天线电源带载能力要求很高。 为了提高相控阵系统的性能， 尽可能地提高T/R模块的峰值功率和发射占空比， 造成数以百计的T/R通道累积起来的平均电流和峰值电流很大。

    由于受体积的限制， 天线电源带载能力未必十分充裕。 若储能电容过少， 天线电源在大负载的情况下不能提供足够的电流， 造成在一个调制周期内电压波动过大， 会对天线电源和功放芯片造成伤害；若储能电容过多， 天线电源容性负载过大， 会导致天线电源烧毁。 同时天线电源自身性能测试时， 由于电子负载或假负载不能真实模拟T/R模块的容性和阻性负载， 增加了天线电源和T/R模块联试的风险。 因此选择合适的T/R模块储能电容显得尤为重要。

    在极端情况下， T/R模块储能电容能够满足一个周期内T/R模块在发射状态正常工作所需要的能量即可。

    3结论

    经过技术进步和大量工程经验积累， 制约GaN大功率芯片应用于T/R模块的技术问题已经得到了解决， 小型化、 大功率、 高集成度T/R模块在弹载相控阵系统上已经开始应用。 目前其模块效率可以超过30%， 单通道发射功率大于15 W。 由大功率T/R模块组成的相控阵天线将大幅度提高导引头的探测距离和反隐身能力。

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