毫米波TR组件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
毫米波T/R组件
主要内容
绪论 方案选择 组件的无源电路设计 组件的有源电路设计 腔体结构的设计 组件的测试与结果分析 结论
T/R组件的概念
相控阵雷达中的收发系统； 包括固态功率放大器、驱动放大器、开关、移相器、限 幅器和低噪声放大器等部分； 相控阵雷达基础——T/R组件、固态源和相控阵天线；
T/R组件内部构成因雷达体制的不同而异；
滤波器指标：通带带宽>500MHz，本振频率衰减48dB，上边带衰减65dB，其他高
阶交调产物能获得至少45dB的衰减。
接收通路的方案选择
外差式高中频方案
ERA-5 (Mini) AM0381S1-00 (Alpha) ALH-369 (Northrop) TGS4302-EPU (Triquent)
毫米波腔体滤波器
在毫米波频段较为常用的两种类型： 并联电感型 ① 契比雪夫函数型 E面金属膜片或鳍线型 一腔多膜式 —— 不同模式不同路径 ② 准椭圆函数型 交叉耦合式 —— 同一模式不同路径 K、J变换
并联电感型
-Φ
Z0
X 0
Z0
tan 1
2X Z0
K Z 0 tan |
固定的情况不好布版。 结论：两次变频方案不适合本项目的实际情况。
偶次谐波混频方案
至接收本振 SPDT1
Osc
Amp
Driver
HPA
差天线
TX
八次谐波混频器 Driver
SPDT2
和天线 Driver
无源谐波混频：
（滤波及匹配网络未示意）
HPA
SPDT3 至接收通路
VLO
VIF
损耗较大
VRF
有源谐波混频：
2
|
K X Z0 | | Z0 1 ( K )2 Z0
用膜片、销钉实现 K变换器
各谐振腔的长度 li 和膜片的 缝隙 di 分别为： 膜片厚0.5mm l1=4.50mm d1=3.77mm l2=4.15mm d2=2.48mm l3=5.29mm d3=2.03mm l4=5.31mm d3=1.92mm
T/R组件国内外动态
国内发展动态
HMIC（混合集成）——中电16所陈荣飞等人研制的一种毫米波小型 化收发前端，其具有输出功率大(>287mW)，开关响应速度快(<3ns)， 噪声小(<7.7dB)，输出调相信号载波抑制度高(>32dB)，体积小重量轻 等特点, 在雷达、通讯等领域有广阔的应用前景。
中频放大器——ERA-5 (Mini) ，NF≈4.3dB，增益≈20dB，DC-4GHz。
SPDT——TGS4302-EPU (TriQuint)，差损<1dB，切换速度<4ns，27-46GHz。
本振倍频链选片
×2倍频——KC2-50 (Mini)，无源倍频，损耗12.5dB，输出频率7-10GHz 。 ×4倍频——CHX2092a (UMS)，有源倍频，损耗1~5dB，输出频率36-40GHz 。 AMP1——ERA-1SM (Mini)， NF≈4.3dB，增益≈9dB，DC-8GHz。
T/R组件——能完成频率变换、大功率发射、低噪声接收 和通道转换等功能的模块。
T/R组件国内外动态
国外发展动态
MMIC——日本的Higashi-Koigakubo，等人设计了适用于自动雷达系 统的77GHz的T/R组件，包含一个采用0.15μm PHMET管工艺制造的 MMIC低噪声放大器、0.1μm PHMET管工艺制作的VCO（输出功率 6dBm，调谐带宽>200MHz）、一个高功率放大器（在76.5 GHz处的增 益为13dB，饱和功率14dBm）、一个本振缓冲放大器、一个单平衡 混频器以及一个天线贴片单元。 CMOS——Christina等人采用0.25μm的CMOS工艺制作的5.25GHz的射 频前端，包括一个差损为2.65dB的开关，噪声系数为2.9dB的低噪声 放大器，和输出P1dB为15dBm的功放。 MCM—— NEC公司制作了72GHz的LTCC自差式的收发系统，发射模 块的输出P1dB压缩点的功率为6.6dBm，输出信号经WR-15波导耦合至 天线；接收模块采用自差式混频器，避免了本振相位噪声的影响。
发射 和差 支路
输出频率Ka频段
工作频带外杂散抑制度>45dBc 发射输出功率>500mW 和差通道隔离度>40dB 和差通道转换时间<100ns
和差TTL电平（ TTL2）
“1” 发射和支路工作 “0” 发射差支路工作
指标要求 接收 支路 本振 倍频
接收中频频率2.2-2.6GHz 接收中频输出P1dB>10dBm 噪声系数<6dB 增益>25dB
1dB
P1dB=16.8dBm
接收支路输入频率2.5GHz时，输出电平随输入电平(-20~-5dBm) 的变化。可以看出接收通路的P1dB≈16.8dBm>10dBm。
毫米波窄带滤波器的设计
滤波器指标
中心频率f0（34-38GHz某频点），带宽>500MHz，在f0±1.5GHz外
衰减大于45dB，通带插损<5dB。
LTCC——电子科大的夏磊、潘光胜等人研制的LTCC双通道低噪声接 收前端取得了较满意的结果，两通道的增益大于25dB，噪声系数<7dB。
项目简介
整个系统以单脉冲和差体制工作，具体指标如下：
指标要求
中频输入频率2.2-2.6GHz 中频输入功率0dBm 为“0”
TTL电平控制
收发TTL电平（ TTL1）
㈢ 中频输入功率0dBm，本振输入功率为典型值13dBm。参考HMC329 做下变频的杂散表可以初步得到： HMC329做上变频时： ⑴ LO-RF的隔离度40dB ⑵ 三阶交调产物自身抑制 >40dB ⑶ n 阶交调（n>3）产物自身抑制 >20dB
（ 10
）
30
50 70
高阶交调产物
······
输入频率C频段 输入功率2dBm 倍频次数为8 中频输入输出端口采用SMA接头 发射端口接标准BJ320 波导 接口与电路平面垂直且位置固定 功耗<25W 外形尺寸105.8mm×88.7mm×20mm 气密性良好
TTL电平控制
收发TTL电平（ TTL1）
置“1”
其他
使用背景
成对使用在车载雷达中；
本振
伺服 系统
混频器
显示器
θ （ ）两馈源形成的波束 （ ）和波束
θ （ ）差波束
θ
本项目使用纯粹的等信号法测角原理工作
高功放 混频器
发射机
T/R组 件 1#
1 2
Σ △
收发 开关
混频器
中放 伺服 系统
本振
高功放
混频器
发射机
数字 信号 处理 系统
显示器
收发 开关
混频器
中放 T/R组 件 2#
项目难点
AMP
DEVICE=AMMC-5040 MS21=22.4 MS11=-21 MS22=-13 P1DB=21dBm
AMP
DEVICE=TGA1141-EPU MS21=17 P1DB=31dBm PSAT=33dBm
to link
LO
AMP
DEVICE=AMMC-5040 MS21=22.4 MS11=-21 MS22=-13 P1DB=21dBm
以单脉冲和差体制工作； 采用纯粹的等信号法原理测角测距； 与天线和其他信号处理系统一起协同完成目标的跟踪、 定位与识别。
基本工作原理
传统平面振幅和差单脉冲雷达原理
1 2 1 Σ 2
收发 开关 发射机
天线轴向 天线轴向 天线轴向
△
和差 比较器
混频器
中放 自动增 益控制 中放
自动距 离跟踪
相位 检波器 检波器 视放
IN LO
OUT
FL=2GHz FU=3GHz
AMP
DEVICE=ERA-5 MS21=18 PNUM=2 NF=4.3 RZ=50Ohm P1DB=18.4dBm IZ=0Ohm
PNUM=1 RZ=50Ohm IZ=0Ohm
部件噪声
总噪声系数
部件增益
总增益
过渡 开关 低噪放 混频器 滤波器 中放
接收支路输出1dB压缩点分析
RX
Amp MIXER LNA SPDT3 和天线 发射通路
× 2
Osc Amp1 至接收本振
× 4
Amp2 Amp3
SPDT1
至发射混频器
接收支路选片
LNA——ALH369 (Northrop)，NF<2dB，增益>20dB，24-40GHz。 MIXER——AM038S1-00 (Alpha)，典型变频损耗6.5dB，33-43GHz。
AMP2—— HMMC5618 (Agilent)，增益≈14dB，6-20GHz。
AMP3—— AMMC-5040 (Agilent)，增益≈25dB ，20-45GHz
接收支路噪声系数和增益分析
MIXER
AMP
1 1.5 DEVICE=ALH369 MS21=20 MS11=-10 MS22=-11 NF=2 P1DB=8dBm PSAT=10dBm
IN LO
OUT
FL=35GHz FU=36GHz IL=5
AMP
DEVICE=HMC263 MS21=20 MS11=-10 MS22=-11 NF=2 P1DB=8dBm PSAT=10dBm
to link
DEVICE=HMC329 CONVGAINMAG=-9.5 NF=9.5 NRF=1 NLO=1
Amp
× 4
Amp
SPDT1
Driver
HPA
差天线
TX
Amp Driver
SPDT2
和天线 Driver HPA SPDT3 至接收通路
两次变频方案的优缺点
优点：由于采用逐级滤波，最后的输出频谱较为纯净。
对每个混频器后的滤波器指标要求较低，可以采用较常见的 微带结构实现。
缺点：结构较为复杂，成本较高，体积偏大，对输入输出端口位置
AMP
DEVICE=TGA1141-EPU MS21=17 P1DB=31dBm PSAT=33dBm
LO_receiver
t o r eceiver
HMC329——Hittite公司的双平衡混频器，25-40GHz HMC263——Hittite公司的低噪声放大器，24-36GHz AMMC-5040——Agilent公司的放大器，20-45GHz TGA1141-EPU——TriQuint公司的功率放大器，33-36 GHz TGS4302-EPU——TriQuint公司的单刀双掷开关，27-46GHz
毫米波微带滤波器
优点：① 工作波长越短体积越小。 ② 与其他平面电路集成方便。 缺点：① Ｑ值低，矩形度不好。
② 有寄生通带，且高端不好。
③在毫米波频段需要腔体屏蔽。 ④ 在宽频带下要求腔体不谐振很困难。
⑤ 损耗大且不易调谐。
7级发夹线滤波器（BJ320波导接口）
测试（红色）与仿真（HFSS蓝色、CST绿色）
（滤波及匹配网络未示意）
0° VLO 180° G G
D S VRF VIF
D S
结构复杂
直接变频方案
× 2
Osc Amp
× 4
Amp 至接收本振 SPDT1
Driver
HPAห้องสมุดไป่ตู้
差天线
TX
Driver
SPDT2
和天线 Driver HPA SPDT3 至接收通路
发射支路的指标预分配
MIXER3P
IF
中频输入频率2-3GHz，输入功率为0dBm的总增益预算
中频输入功率-0.5-10dBm，输入频率为2.5GHz时的总增益预算
发射支路的杂散分析
假设： ㈠ 混频器后没有滤波器，而是直接连到HMC263。
㈡ 除有用毫米波信号外，所有其他交调产物均为小信号，得到级联放 大器的线性放大，而有用信号在30dBm时就已经饱和。
发射和差通道快速切换(<100ns)与两通道隔离度(>40dB) 的实现。 功率放大器的稳定性问题。 发射通路杂散抑制度的要求(>45dBc)。 收发通路之间的隔离度要求(>40dB)。 系统功耗问题(<25W)。
逻辑电平控制与各功能模块的供电问题。
发射通路的方案选择
两次变频方案
× 2
Osc Transformer Amp 至接收本振
和支路增益分析
设中频输入频率2.5GHz，中频输入功率0dBm，由Ansoft Designer得 到的结果可以看出，理想情况下，和支路的总增益>27dB，满足输 出功率的要求。
部件增益： 总增益预算：
Budget_Index PO2(format=delta_in_db) Budget_Index Bm(PO2(format=cum)) FD1 FD1 HMC329 -9.512489 HMC329 -9.512489 BPF -3.702709 BPF -13.215198 HMC263 20.130419 HMC263 6.915221 SPDT -1.517311 SPDT 5.397910 AMMC-5040 17.633958 AMMC-5040 23.031868 TGA1141-EPU 9.654422 TGA1141-EPU 32.686290 SPDT -1.500000 SPDT 31.186290 过渡 -0.50000 过渡 30.686290
主要内容
绪论 方案选择 组件的无源电路设计 组件的有源电路设计 腔体结构的设计 组件的测试与结果分析 结论
T/R组件的概念
相控阵雷达中的收发系统； 包括固态功率放大器、驱动放大器、开关、移相器、限 幅器和低噪声放大器等部分； 相控阵雷达基础——T/R组件、固态源和相控阵天线；
T/R组件内部构成因雷达体制的不同而异；
滤波器指标：通带带宽>500MHz，本振频率衰减48dB，上边带衰减65dB，其他高
阶交调产物能获得至少45dB的衰减。
接收通路的方案选择
外差式高中频方案
ERA-5 (Mini) AM0381S1-00 (Alpha) ALH-369 (Northrop) TGS4302-EPU (Triquent)
毫米波腔体滤波器
在毫米波频段较为常用的两种类型： 并联电感型 ① 契比雪夫函数型 E面金属膜片或鳍线型 一腔多膜式 —— 不同模式不同路径 ② 准椭圆函数型 交叉耦合式 —— 同一模式不同路径 K、J变换
并联电感型
-Φ
Z0
X 0
Z0
tan 1
2X Z0
K Z 0 tan |
固定的情况不好布版。 结论：两次变频方案不适合本项目的实际情况。
偶次谐波混频方案
至接收本振 SPDT1
Osc
Amp
Driver
HPA
差天线
TX
八次谐波混频器 Driver
SPDT2
和天线 Driver
无源谐波混频：
（滤波及匹配网络未示意）
HPA
SPDT3 至接收通路
VLO
VIF
损耗较大
VRF
有源谐波混频：
2
|
K X Z0 | | Z0 1 ( K )2 Z0
用膜片、销钉实现 K变换器
各谐振腔的长度 li 和膜片的 缝隙 di 分别为： 膜片厚0.5mm l1=4.50mm d1=3.77mm l2=4.15mm d2=2.48mm l3=5.29mm d3=2.03mm l4=5.31mm d3=1.92mm
T/R组件国内外动态
国内发展动态
HMIC（混合集成）——中电16所陈荣飞等人研制的一种毫米波小型 化收发前端，其具有输出功率大(>287mW)，开关响应速度快(<3ns)， 噪声小(<7.7dB)，输出调相信号载波抑制度高(>32dB)，体积小重量轻 等特点, 在雷达、通讯等领域有广阔的应用前景。
中频放大器——ERA-5 (Mini) ，NF≈4.3dB，增益≈20dB，DC-4GHz。
SPDT——TGS4302-EPU (TriQuint)，差损<1dB，切换速度<4ns，27-46GHz。
本振倍频链选片
×2倍频——KC2-50 (Mini)，无源倍频，损耗12.5dB，输出频率7-10GHz 。 ×4倍频——CHX2092a (UMS)，有源倍频，损耗1~5dB，输出频率36-40GHz 。 AMP1——ERA-1SM (Mini)， NF≈4.3dB，增益≈9dB，DC-8GHz。
T/R组件——能完成频率变换、大功率发射、低噪声接收 和通道转换等功能的模块。
T/R组件国内外动态
国外发展动态
MMIC——日本的Higashi-Koigakubo，等人设计了适用于自动雷达系 统的77GHz的T/R组件，包含一个采用0.15μm PHMET管工艺制造的 MMIC低噪声放大器、0.1μm PHMET管工艺制作的VCO（输出功率 6dBm，调谐带宽>200MHz）、一个高功率放大器（在76.5 GHz处的增 益为13dB，饱和功率14dBm）、一个本振缓冲放大器、一个单平衡 混频器以及一个天线贴片单元。 CMOS——Christina等人采用0.25μm的CMOS工艺制作的5.25GHz的射 频前端，包括一个差损为2.65dB的开关，噪声系数为2.9dB的低噪声 放大器，和输出P1dB为15dBm的功放。 MCM—— NEC公司制作了72GHz的LTCC自差式的收发系统，发射模 块的输出P1dB压缩点的功率为6.6dBm，输出信号经WR-15波导耦合至 天线；接收模块采用自差式混频器，避免了本振相位噪声的影响。
发射 和差 支路
输出频率Ka频段
工作频带外杂散抑制度>45dBc 发射输出功率>500mW 和差通道隔离度>40dB 和差通道转换时间<100ns
和差TTL电平（ TTL2）
“1” 发射和支路工作 “0” 发射差支路工作
指标要求 接收 支路 本振 倍频
接收中频频率2.2-2.6GHz 接收中频输出P1dB>10dBm 噪声系数<6dB 增益>25dB
1dB
P1dB=16.8dBm
接收支路输入频率2.5GHz时，输出电平随输入电平(-20~-5dBm) 的变化。可以看出接收通路的P1dB≈16.8dBm>10dBm。
毫米波窄带滤波器的设计
滤波器指标
中心频率f0（34-38GHz某频点），带宽>500MHz，在f0±1.5GHz外
衰减大于45dB，通带插损<5dB。
LTCC——电子科大的夏磊、潘光胜等人研制的LTCC双通道低噪声接 收前端取得了较满意的结果，两通道的增益大于25dB，噪声系数<7dB。
项目简介
整个系统以单脉冲和差体制工作，具体指标如下：
指标要求
中频输入频率2.2-2.6GHz 中频输入功率0dBm 为“0”
TTL电平控制
收发TTL电平（ TTL1）
㈢ 中频输入功率0dBm，本振输入功率为典型值13dBm。参考HMC329 做下变频的杂散表可以初步得到： HMC329做上变频时： ⑴ LO-RF的隔离度40dB ⑵ 三阶交调产物自身抑制 >40dB ⑶ n 阶交调（n>3）产物自身抑制 >20dB
（ 10
）
30
50 70
高阶交调产物
······
输入频率C频段 输入功率2dBm 倍频次数为8 中频输入输出端口采用SMA接头 发射端口接标准BJ320 波导 接口与电路平面垂直且位置固定 功耗<25W 外形尺寸105.8mm×88.7mm×20mm 气密性良好
TTL电平控制
收发TTL电平（ TTL1）
置“1”
其他
使用背景
成对使用在车载雷达中；
本振
伺服 系统
混频器
显示器
θ （ ）两馈源形成的波束 （ ）和波束
θ （ ）差波束
θ
本项目使用纯粹的等信号法测角原理工作
高功放 混频器
发射机
T/R组 件 1#
1 2
Σ △
收发 开关
混频器
中放 伺服 系统
本振
高功放
混频器
发射机
数字 信号 处理 系统
显示器
收发 开关
混频器
中放 T/R组 件 2#
项目难点
AMP
DEVICE=AMMC-5040 MS21=22.4 MS11=-21 MS22=-13 P1DB=21dBm
AMP
DEVICE=TGA1141-EPU MS21=17 P1DB=31dBm PSAT=33dBm
to link
LO
AMP
DEVICE=AMMC-5040 MS21=22.4 MS11=-21 MS22=-13 P1DB=21dBm
以单脉冲和差体制工作； 采用纯粹的等信号法原理测角测距； 与天线和其他信号处理系统一起协同完成目标的跟踪、 定位与识别。
基本工作原理
传统平面振幅和差单脉冲雷达原理
1 2 1 Σ 2
收发 开关 发射机
天线轴向 天线轴向 天线轴向
△
和差 比较器
混频器
中放 自动增 益控制 中放
自动距 离跟踪
相位 检波器 检波器 视放
IN LO
OUT
FL=2GHz FU=3GHz
AMP
DEVICE=ERA-5 MS21=18 PNUM=2 NF=4.3 RZ=50Ohm P1DB=18.4dBm IZ=0Ohm
PNUM=1 RZ=50Ohm IZ=0Ohm
部件噪声
总噪声系数
部件增益
总增益
过渡 开关 低噪放 混频器 滤波器 中放
接收支路输出1dB压缩点分析
RX
Amp MIXER LNA SPDT3 和天线 发射通路
× 2
Osc Amp1 至接收本振
× 4
Amp2 Amp3
SPDT1
至发射混频器
接收支路选片
LNA——ALH369 (Northrop)，NF<2dB，增益>20dB，24-40GHz。 MIXER——AM038S1-00 (Alpha)，典型变频损耗6.5dB，33-43GHz。
AMP2—— HMMC5618 (Agilent)，增益≈14dB，6-20GHz。
AMP3—— AMMC-5040 (Agilent)，增益≈25dB ，20-45GHz
接收支路噪声系数和增益分析
MIXER
AMP
1 1.5 DEVICE=ALH369 MS21=20 MS11=-10 MS22=-11 NF=2 P1DB=8dBm PSAT=10dBm
IN LO
OUT
FL=35GHz FU=36GHz IL=5
AMP
DEVICE=HMC263 MS21=20 MS11=-10 MS22=-11 NF=2 P1DB=8dBm PSAT=10dBm
to link
DEVICE=HMC329 CONVGAINMAG=-9.5 NF=9.5 NRF=1 NLO=1
Amp
× 4
Amp
SPDT1
Driver
HPA
差天线
TX
Amp Driver
SPDT2
和天线 Driver HPA SPDT3 至接收通路
两次变频方案的优缺点
优点：由于采用逐级滤波，最后的输出频谱较为纯净。
对每个混频器后的滤波器指标要求较低，可以采用较常见的 微带结构实现。
缺点：结构较为复杂，成本较高，体积偏大，对输入输出端口位置
AMP
DEVICE=TGA1141-EPU MS21=17 P1DB=31dBm PSAT=33dBm
LO_receiver
t o r eceiver
HMC329——Hittite公司的双平衡混频器，25-40GHz HMC263——Hittite公司的低噪声放大器，24-36GHz AMMC-5040——Agilent公司的放大器，20-45GHz TGA1141-EPU——TriQuint公司的功率放大器，33-36 GHz TGS4302-EPU——TriQuint公司的单刀双掷开关，27-46GHz
毫米波微带滤波器
优点：① 工作波长越短体积越小。 ② 与其他平面电路集成方便。 缺点：① Ｑ值低，矩形度不好。
② 有寄生通带，且高端不好。
③在毫米波频段需要腔体屏蔽。 ④ 在宽频带下要求腔体不谐振很困难。
⑤ 损耗大且不易调谐。
7级发夹线滤波器（BJ320波导接口）
测试（红色）与仿真（HFSS蓝色、CST绿色）
（滤波及匹配网络未示意）
0° VLO 180° G G
D S VRF VIF
D S
结构复杂
直接变频方案
× 2
Osc Amp
× 4
Amp 至接收本振 SPDT1
Driver
HPAห้องสมุดไป่ตู้
差天线
TX
Driver
SPDT2
和天线 Driver HPA SPDT3 至接收通路
发射支路的指标预分配
MIXER3P
IF
中频输入频率2-3GHz，输入功率为0dBm的总增益预算
中频输入功率-0.5-10dBm，输入频率为2.5GHz时的总增益预算
发射支路的杂散分析
假设： ㈠ 混频器后没有滤波器，而是直接连到HMC263。
㈡ 除有用毫米波信号外，所有其他交调产物均为小信号，得到级联放 大器的线性放大，而有用信号在30dBm时就已经饱和。
发射和差通道快速切换(<100ns)与两通道隔离度(>40dB) 的实现。 功率放大器的稳定性问题。 发射通路杂散抑制度的要求(>45dBc)。 收发通路之间的隔离度要求(>40dB)。 系统功耗问题(<25W)。
逻辑电平控制与各功能模块的供电问题。
发射通路的方案选择
两次变频方案
× 2
Osc Transformer Amp 至接收本振
和支路增益分析
设中频输入频率2.5GHz，中频输入功率0dBm，由Ansoft Designer得 到的结果可以看出，理想情况下，和支路的总增益>27dB，满足输 出功率的要求。
部件增益： 总增益预算：
Budget_Index PO2(format=delta_in_db) Budget_Index Bm(PO2(format=cum)) FD1 FD1 HMC329 -9.512489 HMC329 -9.512489 BPF -3.702709 BPF -13.215198 HMC263 20.130419 HMC263 6.915221 SPDT -1.517311 SPDT 5.397910 AMMC-5040 17.633958 AMMC-5040 23.031868 TGA1141-EPU 9.654422 TGA1141-EPU 32.686290 SPDT -1.500000 SPDT 31.186290 过渡 -0.50000 过渡 30.686290