一种高集成度C波段数字阵列模块的设计*

赵家敏 郑世连 毕 胜 胡晓芳 祝加秀

（中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽省天线与微波工程实验室 合肥 230088）

1 引言

数字阵列雷达是一种新体制相控阵雷达，其核心内涵是接收和发射波束均以数字方式来实现。基本原理是发射波束利用DAC 器件的高精度幅相控制能力，将波形产生和发射信号幅相控制融为一体设计，通过控制数字波形的相位和幅度来实现发射波束的空间调控；接收波束则是在中频回波数字化之后，在数字域进行幅相加权。基于收/发全DBF设计思想的新型相控阵雷达技术具有数字化、模块化、可扩充等优良特性，有着非常好的应用前景。它不仅具有常规相控阵雷达的所有优良性能，同时具有更大的波束调度灵活性、更好的抗有源干扰性能［1～3］。

实现其功能的硬件基础是高度集成化的数字阵列模块（Digital Array Module，DAM）。本文根据C 波段雷达项目的需求，设计的一种C 波段DAM，将模拟射频前端（功放、限幅低噪放）、C 波段上下变频、本振功分单元、中频数字收发单元、供电电源等功能整合并一体化设计，完成雷达数字化收发、数据预处理及数据传输功能，实现了模块的高集成度设计。

2 功能与组成

雷达发射时，DAM 内数字收发单元根据系统指令产生发射波形，经过上变频、滤波、功率放大后，经过环行器输出至天线单元；雷达接收时，天线单元接收到的回波信号经过环行器、限幅低噪放、滤波、下变频至中频信号，经过数字收发单元进行A/D 变换、数字正交解调，将解调数据经过光纤传输至信号处理单元［4～7］。

C 波段DAM 按照8 个数字化收发通道构造成一个数字阵列模块的思路进行集成设计，由8 个独立的收发通道构成模拟收发部分；数字接收和数字波形产生采用8 通道一体化设计，共用一个数字板；射频收发单元采用一次上下变频，变频所需的本振信号在DAM 内部进行功分；电源采用高电压DC 输入，在内部完成DC/DC 变换，模拟、数字收发单元DC/DC电源模块独立使用；DAM的正面为8路模拟收发通道，一体化数字板，中频信号转接板，背面为8 通道变频通道、本振功分网络、电源控制转接板与集成化电源，中间为散热水道。

图1 C波段DAM功能组成框图

3 详细设计

3.1 射频收发电路

射频收发电路完成回波的接收、下变频到中频采集，及中频激励信号的上变频、功率放大等功能。由于二次变频环节多和时钟种类多，多信号间互调问题难以避免，同时由于系统瞬时带宽增加的需求，满足收发指标要求的频率窗口难以选择，C波段收发通道设计采用一次混频高中频数字收发方案，随着高中频或射频数字收发技术的发展、成熟以及成功应用，C 波段雷达采用一次混频高中频数字收发方案技术成熟度上没有问题。由于减少了变频环节以及时钟种类，因此可以有效地解决发射通道多信号互调问题。

C 波段DAM 包含8 路射频收发电路，每一通道包含限幅低噪放、功率放大器、变频、滤波等模块。

图2 射频收发电路原理框图

3.2 收发前端设计

模拟收发前端采用集成化设计，将功率放大器、限幅低噪放设计在一个管壳内，做成一个收发前端组件。在不采用压缩制冷的方式下需要保证DAM 稳定可靠的工作，发射链路的高效率、低热耗设计是DAM 研制的关键，本方案选用宽禁带GaN功率管设计功率放大器。收发前端的低噪放采取双平衡吸收式限幅低噪放，采用限幅单片的集成方式。

图3 收发前端实物图

3.3 变频电路设计

C 波段变频电路是一款集成了开关、混频、放大、滤波、数控衰减及温度补偿的收发功能系统级封装电路，集成一个HTCC管壳内实现。

基于高温共烧陶瓷（HTCC）技术的多层基板是实现电路小型化、轻量化、高可靠的有效手段。受DAM的空间限制，收发变频电路采用基于HTCC的微波多芯片模块（MMCM）的方式来实现。氧化铝高温共烧陶瓷技术是一种较成熟的封装技术，是由92%～96%氧化铝外加4%～8%的烧结助剂在1500℃～1700℃下烧结而成。该基板技术成熟，介质材料成本低，热导率和抗弯强度较高。并且由于其烧结温度高，可以与可伐等金属材料进行一体化烧结，大大节约了布线空间。HTCC 一体化管壳作为HTCC 基板的衍生产品，已广泛应用于军品微电路封装［8～9］。

3.4 一体化数字收发设计

将数字波形产生与中频采集功能设计在一块数字收发板上，引入多通道集成的ADC、DDS 和大容量FPGA 器件进行8 通道集成化设计。FPGA 控制DDS 是主流的雷达波形产生方式，支持波形模式、带宽、脉宽等参数的灵活调节，实现波形捷变。8 通道数字接收机是基于软件无线电思想在中频或射频数字化、数字解调产生基带I/Q 信号来进行设计的［10～12］。

图4 C波段上下变频实物图及内部设计图

DAM 中采用光电变化模块完成大容量数据的高速传输。光接口是DAM 与雷达系统数据交互的唯一接口。雷达系统通过光传输将各收发通道的幅相控制字、工作模式字等送入DAM，同时，DAM将组件的状态信息、数字正交回波信号等数据通过光传输送给雷达系统。在工程研制中，将光电传输功能集成在数字收发板中。图5 为研制的数字收发板实物图。

3.5 电磁兼容设计

DAM 内部高度集成了8 通道的大功率发射信号，小信号的数字收发信号，光电信号，时钟信号等，考虑到DAM 体积小、信号种类多、发射功率大，因此需要特别重视各种信号间的电磁兼容性设计。采用如下设计方法提高电磁兼容性：

1）使每个通道形成相对密闭的腔体，提高通道隔离度；

2）收发通道采用开关滤波器组用于不同频段干扰和镜像频谱抑制；

3）数字收发板上数字地、模拟地、光纤地进行合理的划分，把各种地块进行物理上的隔离，然后在用磁珠连接，这样既保持了各种地的独立性，防止各种电磁干扰（避免了传导耦合，近场耦合），又通过磁珠进行了有效的公共回流通路的连通，使整个功能板建立一个公共接地平面［7］；

4）工程设计上，公共地与DAM 壳体具有大面积的直接搭接，确保该模块与DAM 壳体有极小的接触电阻，使各种信号有一致的公共回流通路，并且可以有效地防止各种辐射，干扰信号能够迅速直接的通过该通路回流。

4 测试结果

经过研制，C 波段数字阵列模块外形尺寸为220mm×250mm×38mm，重量约4.5kg，C波段八通道DAM实物如图6所示。

图6 C波段DAM实物图

图7 发射通道输出峰值功率

图8 发射信号信杂比

对DAM 收发通道进行测试，实测发射通道峰值功率大于100W，发射通道脉内信杂比大于60dB。

对接收通道指标进行了测试，接收通道噪声系数小于2.4dB，接收通道动态范围大于55dB@瞬时带宽10M时。

表1 接收通道噪声系数与动态范围测试表格

经过测试，C 波段达到主要性能指标如下：

工作频段：C波段；

发射峰值功率：＞100W；

发射信号信杂比：＞60dBc；

接收系统动态：＞55dBc；

接收噪声系数：＜2.4dB；

发射效率：＞38%。

5 结语

本文介绍了C 波段DAM 的设计要点与组成构架，研制了一种8 通道输出功率大于100W 的数字阵列模块，经过测试，各项指标符合雷达系统使用要求。该型模块采用高度集成的设计案例，对其他频段DAM的设计具有较大的指导和借鉴意义。