毫米波TR组件.ppt

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1、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； 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0.15m PHMET管工艺制造的M

2、MIC低噪声放大器、0.1m 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。 CMOSChristina等人采用0.25m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

3、式混频器，避免了本振相位噪声的影响。,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(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。 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：,使用背景,成对使用在车载雷达中； 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

4、识别。,基本工作原理,传统平面振幅和差单脉冲雷达原理,本项目使用纯粹的等信号法测角原理工作,发射和差通道快速切换(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。,项目难点,两次变频方案,发射通路的方案选择,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 固定的情况不好布版。 结论：两次变频方案不适合本

5、项目的实际情况。,偶次谐波混频方案,损耗较大 结构复杂,直接变频方案,发射支路的指标预分配,HMC329Hittite公司的双平衡混频器，25-40GHz HMC263Hittite公司的低噪声放大器，24-36GHz AMMC-5040Agilent公司的放大器，20-45GHz TGA1141-EPUTriQuint公司的功率放大器，33-36 GHz TGS4302-EPUTriQuint公司的单刀双掷开关，27-46GHz,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

6、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 32.6

7、86290 SPDT -1.500000 SPDT 31.186290 过渡 -0.50000 过渡 30.686290,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： 混频器后没有滤波器，而是直接连到HMC263。 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。 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： LO-RF的隔离度40dB 三阶

8、交调产物自身抑制 40dB n 阶交调（n3）产物自身抑制 20dB,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。,外差式高中频方案,接收通路的方案选择,LNAALH369 (Northrop)，NF20dB，24-40GHz。 MIXERAM038S1-00 (Alpha)，典型变频损耗6.5dB，33-43GHz。 中频放大器ERA-5 (Mini) ，NF4.3dB，增益20dB，DC-4GHz。 SPDTTGS4302-EPU (TriQuint)，差损1dB，切换速度4ns，27-46GHz。 2倍频KC2-

9、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15dB，输出频率36-40GHz 。 AMP1ERA-1SM (Mini)， NF4.3dB，增益9dB，DC-8GHz。 AMP2 HMMC5618 (Agilent)，增益14dB，6-20GHz。 AMP3 AMMC-5040 (Agilent)，增益25dB ，20-45GHz,接收支路选片 本振倍频链选片,接收支路噪声系数和增益分析,过渡 开关 低噪放 混频器 滤波器 中放,部件噪声,总噪声系数,部件增益,总增益,P1dB=16.8dBm,1dB,接收支路输

10、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P1dB16.8dBm10dBm。,接收支路输出1dB压缩点分析,滤波器指标 中心频率f0（34-38GHz某频点），带宽500MHz，在f01.5GHz外 衰减大于45dB，通带插损5dB。 毫米波微带滤波器 优点： 工作波长越短体积越小。 与其他平面电路集成方便。 缺点： 值低，矩形度不好。 有寄生通带，且高端不好。 在毫米波频段需要腔体屏蔽。 在宽频带下要求腔体不谐振很困难。 损耗大且不易调谐。,毫米波窄带滤波器的设计,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

11、色）,毫米波腔体滤波器 在毫米波频段较为常用的两种类型： 契比雪夫函数型 准椭圆函数型,一腔多膜式 不同模式不同路径 交叉耦合式 同一模式不同路径,并联电感型 E面金属膜片或鳍线型,K、J变换,并联电感型,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,缺点： 分离的结构太多； 加工精度上难以保证； 抗振性能差； 膜片调节起来也不方便；,准椭圆函数型 * 有限个位置不固定传输零点。 *

12、是椭圆函数型滤波器的一种逼近。 * 更少的谐振单元实现相同的指标。 * 交叉耦合和一腔多模是两种基本实现形式。,缺点： 对加工精度的依赖性； 成本因素；,E面鳍线滤波器 * 将印有金属膜片图形的介质基片夹在波导E面之间的一种结构。 * 鳍线膜片可直接在常见的介质基片上采用照相制版，成本低廉， 适于批量生产。 与并联电感型滤波器的相同点： * 采用半波长波导做串联谐振器。 * 有金属覆盖的膜片区域等效为阻抗变换器K。,（a）单个膜片的等效T型网络,（b）K变换器的等效电路之一,不同宽度膜片等效电路的Xs和Xp的提取,测试结果（蓝色）与仿真结果（HFSS红色、CST绿色）,7级鳍线滤波器,E面鳍线

13、滤波器的特点 * 可采用一般微带电路的制作工艺制作，精度可靠，加工周期短， 成本低廉。 * 鳍线膜片可以与腔体分离，单独测试，灵活可靠。 * 结构紧凑，对温度变化和震动不敏感。 * 安装方便，能满足一般毫米波系统对杂散抑制的需要。,腔体滤波器与平面微带电路的集成 * 保证有较小的损耗。 * 不影响整体电路的布局。 * 波导的E面与电路平面平行。 两种方式： 对极鳍线形式 E面双探针形式,微带-波导-微带过渡形式。,对极鳍线的过渡形式,E面双探针的过渡形式,探针波导的整体空间布局,测试结果（蓝色）与仿真结果（HFSS红色、CST绿色）,其他无源电路的设计,本振倍频链中二倍频后的平行耦合线滤波器,

14、本振倍频链中四倍频后的谐波吸收枝节,接收通路中频带通滤波器,微带-同轴线-微带的过渡,E面探针过渡背靠背测试结果,电源与逻辑控制,为了减小功耗、提高收发隔离度与和、差通道的隔离度，对各单片采用即工作即供电的办法。,具体实现方法,电源的逻辑控制,（a）电源版图正面 （b）电源版图反面,内腔体示意图（未画出波导口短路活塞、鳍线滤波器半波导、盖板等）,T/R组件实物照片,发射支路的测试 （一）输出功率及杂散抑制度的测试,组件的测试,测试原理图,测试系统包括： 1) 中频信号源：采用Agilent 83732B (频率范围：10MHz20GHz)。 2) 本振信号源：采用Agilent E8257D

15、(频率范围：250kHz40GHz)。 3) 频谱分析仪：Anritsu Ms2668C (频率范围：20Hz40GHz)。 4) 直流供电及TTL电平：直接从直流稳压电源获得。,测试结果（以“通道与 f0的频偏量功率杂散抑制度”来注解 ）：,差-250MHz27.74dBm41dBc 差-125MHz27.80dBm41dBc,差0MHz27.38dBm39dBc 差+125MHz27.29dBm39dBc 差+250MHz27dBm45dBc,和-250MHz27.58dBm45dBc 和-125MHz27.20dBm45dBc,和0MHz27.05dBm45dBc 和+125MHz27.

16、17dBm45dBc 和+250MHz26.96dBm37dBc,（二）发射和差通路隔离度的测试,测试原理图,结论：在断电的情况下，驱动放大器、功率放大器失去放大的作用，成为了衰 减器，测试的结果显示两通道均达到大于40dB的隔离度要求。,接收支路的测试 （一）噪声系数及增益测试,测试原理图,测试系统包括： 1）本振信号源：Agilent E8257D（频率范围：250kHz40GHz）。 2）噪声系数分析仪：Agilent N8975A NFA系列。 3）噪声头N4002A (10MHz-26.5GHz)；噪声头R347B (26.5-40GHz)。 4）直流供电及TTL电平：直接从直流稳压电源获得。,测试结果：,结论：在fIF0250MHz内噪声系数25dB，满足要求。,（二）收发隔离度的测试,结论：测得的中频功率均小于-15dBm，满足和差隔离40dB的要求。,测试原理图,测试结果分析 从测试结果可以看出，系统发射通路输出功率1W、杂散抑制度37dB、和差发射通路的隔离度40dB；接收通路增益25dB、收发隔离度40dB，噪声系数6dB，达到指标要求。和差转换时间由于缺乏相关设备没有测试，但组件装配在整机上后，和差转换速度满足使用要求。,