TR组件

相控阵雷达T/R组件小组成员：陈建峰郭凤英范小龙李旭吴建星吴迎春韦晨君主要内容：一、相控阵雷达T/R组件概述二、T/R组件中基本的微波元件三、T/R组件的设计技术四、T/R组件的制作和测试T/R组件的概念T/R组件的背景意义T/R组件的主要指标混频器振荡器环形器隔离器开关电路低噪声放大器衰减器移相器功率放大器微波限幅器滤波器T/R是TransmitterandReceiver的缩写。T/R组件通常意义下是指一个无线收发系统中频与天线之间的部分，即T/R组件一端接天线，一端接中频处理单元就构成一个无线收发系统。TR组件的概念背景意义•有源相控阵雷达技术是当今雷达的主流技术。随着科技的不断发展，我们对其核心部件TR组件在体积、电性能及可靠性方面提出了更高的要求。TR组件是有源相控阵雷达的核心。在雷达系统中，每一个天线单元都有一个TR组件与之对应，因此一部雷达内有数千甚至上万个TR组件。舰载和机载雷达系统对TR组件的体积和能耗有着极为苛刻的要求，实现TR组件的小型化具有相当重要的现实意义。有源相控阵雷达的TR组件位于天线和信号合成／分解网络之间，其主要功能是根据外部控制信号对微波信号进行放大、移相和衰减。指标：•频率范围•发射功率•发射增益•接收增益•收发隔离度•噪声系数•效率•输入输出功率•衰减范围，精度•相移范围，精度世界先进水平的T/R产品指标如下：TI:Hi-PerfWiMAX802.16,2.5-3.5GHzBTSRX/TXTI:TRF2443指标如下：混频器是通信收发组件中重要的组成部件。在发射机中一般用上混频，它将已调制的中频信号搬移到射频段。接收机一般为下混频，它将接收到的射频信号搬移到中频上。接收机的混频器位于LNA之后，将LNA输出的射频信号通过与本振信号相乘变换为中频信号。混频器调幅接收机的混频器混频器的主要指标：增益噪声线性范围失真口间隔离阻抗有源混频器：＋－－＋v1v2ReT1T1i1i1-VEE无源混频器：晶体三极管混频电路单平衡混频电路二极管双平衡混频电路二极管混频电路振荡器振荡器作为混频器的本振源，产生正弦波作为本振信号送入混频器。反馈振荡器：负阻振荡器：负阻振荡器主要是指采用负阻器件和谐振回路组成的振荡器，利用负阻器件的负电阻效应与谐振回路中的损耗正电阻相抵消，维持谐振回路的稳定振荡。常用的负阻器件有隧道二极管，负阻振荡器常用在微波断。负阻振荡器LC振荡器晶体振荡器环形器环形器是一个多端口器件，其中电磁波的传输只能沿单方向环行。右图中，信号只能沿①→②→③→④→①方向传输，反方向是隔离的。在近代雷达和微波多路通信系统中都要用单方向环行特性的器件。例如，在收发设备共用一副天线的雷达系统中常用环形器作双工器。一、环形器的基本原理环形器的原理依然是磁场偏置铁氧体材料各向异性特性。微波结构有微带式、波导式、带状线和同轴式，其中以微带三端环形器用的最多，用铁氧体材料作介质，上置导带结构，加恒定磁场，就具有环行特性。如果改变偏置磁场的方向，环行方向就会改变。二、环形器的技术指标频率范围（GHZ）1.27—1.38正向损耗(DB)≤0.3dB反向隔离(DB)≥23dB驻波系数≤1.2反射功率（W）100W温度范围（℃）-40℃～+80℃隔离器基本原理隔离器是一种采用线性光耦隔离原理,将输入信号进行转换输出。输入,输出和工作电源三者相互隔离,特别适合与需要电隔离的设备仪表配用。隔离器又名信号隔离器,是工业控制系统中重要组成部分。隔离器主要技术参数1.隔离强度：也叫隔离能力、耐压强度或测试耐压，这是衡量信号隔离器的主要参数之一。单位：伏特@1分钟。它指的是输入与输出，输入与电源，输出与电源之间的耐压能力。它的数值越大说明耐压能力越好，隔离能力越强，滤波性能越高。一般的，这种耐压测试是通过一次性样品的耐压检验来确定的。2.精度：这是衡量一个信号隔离变送器质量的标尺。业内一般能做到量程±0.2[%]。个别品牌如M-SYSTEM、ACI等能做到±0.1[%]。3温度系数：表示隔离器等仪表在环境温度发生变化时，精度的变化情况。大多情况下用百分数表示（也有用单位250ppm/K表示的），如：M-SYSTEM温度系数±0.015[%]/℃（相当于150ppm/K）。4.响应时间：表征信号隔离器的反应速度。5.绝缘电阻：内部电源与外壳之间隔离直流作用的数值化表征。6.负载电阻：反映了信号隔离器的带载能力。开关电路一般称为天线收发模块应用在收发器，其功能是在发送状态将天线和发射器进行连接，而在接受状态时，将天线与接收器进行连接。PIN二极管作为一个基本单元在这些开关中的使用时，他们就会比电子-机械开关提供更高的可靠性，更好的机械强度和更快的开关速度。PIN二极管开关电路技术指标插入损耗和隔离度：PIN管实际存在一定数值的电抗和损耗电阻，因此开关在导通时衰减不为零，成为正向插入损耗，开关在断开时其衰减也非无穷大，成为隔离度。二者时衡量开关的主要指标，一般希望插入损耗小，而隔离度大。开关时间：由于电荷的存储效应，PIN管从截止转变为导通状态，以及从导通状态转变为截止状态都需要一个过程，这个过程所需要的时间成为开关时间。承受功率：在给定的工作条件下，微波开关所能承受的最大输入功率。电压驻波系数：电压驻波系数仅仅反映端口输入输出匹配情况。端口电压驻波系数最小，开关的损耗不一定最小；但是差损最小的开关其电压驻波系数肯定小。谐波：PIN二极管具有非线性，因此会产生谐波，当应用于较宽的场合时，谐波可能落入带内而无法滤除，所以要给予重视。下图即是一个电子T-R开关的基本电路，由一个与发射器串联的PIN二极管，和一个并联在距离天线-TX-RX节点1/4波长位置的二极管组成。低噪声放大器射频放大电路的主要技术指标：功率放大器的主要指标上图为MA-COM公司的MAAPGM0024-DIE型功放芯片外观图，右边是其装配示意图衰减器概述：从微波网络观点看，电阻型衰减器是一个二端口有耗微波网络。它属于一种通过型微波元件。接收机中对本振输出功率进行控制，获得最佳噪声系数和变频损耗，达到最佳接收效果。在微波接收机中，实现自动增益控制，改善动态范围。衰减器实物图技术指标(1)工作频带(2)电压驻波比(3)衰减动态范围和衰减平坦度(4)衰减步进和衰减精度(5)衰减附加相移(6)功率容量•微波数字衰减器常用的拓扑结构有开关型、T型、桥T型、π型等。不同的拓扑结构在不同衰减位的表现是不同的，有的拓扑结构在实现小衰减量时性能很好，有些则比较适合用于实现较大衰减量。设计多位数字衰减器时，需要权衡选择。各种拓扑结构如下图所示：拓扑结构(a)T型(b)PI型(c)桥T型(d)开关型(e)SPDT开关衰减器用途•调节微波源输出功率电平：接收机中对本振输出功率进行控制，获得最佳噪声系数和变频损耗，达到最佳接收效果。在微波接收机中，实现自动增益控制，改善动态范围。•去耦元件：作为振荡器与负载之间的去耦元件，消除负载失配对信号源的影响，这是保证微波系统稳定工作的重要措施。•用于雷达对抗干扰中的跳变衰减器：是一种衰减能量的可变衰减器，平时不引起衰减，遇到外界干扰时，突然加大衰减。•有效抑制天线副瓣：对T/R模块幅度的调整就必须运用衰减器对不同路径上的信号实现幅度控制和增益均衡。衰减器在自适应阵列天线中,每路信号的幅度和相位通过放置在功率放大器前的衰减器和移相器独立调节和控制，从而天线波束能够实现电扫描功能。移相器•概述：移相器是一种二端口网络，用于提供输出和输入信号之间的相位差，可以用控制信号（直流偏置）来控制。它是整个T/R组件的重要组成部分，如相控雷达通过电的方式控制天线孔径面上各辐射单元的相位，以实现波束的快速扫描，对辐射单元相位的控制是通过电控移相器进行的。在每个辐射单元背后,都接有一个电控移相器，可用电的方法控制器移相，从而使天线口面的相位产生变化。移相器实物图移相器指标•移相精度•相移量•承受功率•插入损耗•输入驻波比•工作频带•动作时间移相器的分类•电控移相器主要有模拟式、数字式和模拟-数字式。其具体分类如右图所示。移相器数字模拟半导体或MEMS铁氧体传输型反射型环形耦合混合耦合开关型负载线开关网络放大器型开关电长度开关电抗输入输出l2l1四种常用移相器输入输出Y1Y2Y2偏置开关线型加载线型njBnjBnjBnjBnjXnjX输入输出njBnjBnjX输入输出njXnjXnjX高低通型（T型）高低通型（PI型）反射型微波限幅器•微波限幅器作为一种重要的微波控制器件被广泛应用于微波信号接收机等系统中,常用于防止系统运行过程中信号接收端的元件被大信号烧毁,以及减小扫频振荡器和相位检测系统中的幅度调制等。微波半导体二极管有三种现象可用于限幅:•1)整流,适用于低频,此类有整流二极管等。•2)电容随电压的变化,此类有变容二极管等。•3)射频电导调制现象。当PIN二极管偏置于0V且输入高功率的射频信号时,在PIN二极管中会出现这种现象:微波大电流在射频信号的正半周内在P+、N+的边界注入,而当射频信号反向时,并不是所有的注入全部退回,而是部分流入I区,几个周期后形成稳态分布之后,通过PIN管的射频信号达到较高衰减(即限幅作用),只允许一部分称之为“泄漏功率”的射频信号通过。利用PIN二极管这一现象可制作微波限幅器,并且有利于制作较大耐功率的微波限幅器。•理论分析以单节限幅电路为基础,单节二极管并联时的等效电路图如图1所示。其中:Cj、Rf为PIN限幅二极管的高阻、低阻状态时的等效元件;Z0、L分别是传输线的特性阻抗和二极管两端的等效电感,Z0=50Ω。微波限幅器主要参数定义1.限幅电平：限幅器开始限幅时的功率值。2.插入损耗：输入电平低于门限电平时输入信号损耗，一般在-10dBm下测试。3.承受功率：能承受的最大输入功率（脉冲功率，脉冲平均功率，连续波功率）。4.恢复时间：以输入脉冲终止开始，到限幅器损耗比插入损耗大3dB为止的时间。滤波器•滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件。即对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路。滤波器的技术指标通常有以下几项：•1)截止频率•2)频率范围和带宽•3)通带内插入损耗•4)回波损耗•5)波纹•6)带外衰减•7)形状系数•8)寄生通带•9)品质因素•10)插入相移和时延频率特性滤波器类型及其特点•声表面波滤波器声表面波是指声波在弹性体表面的传播，这个波被称为弹性声表面波。声表面波的传播速度比电磁波的速度约小10万倍。声表面波滤波器是采用石英晶体、压电陶瓷等压电材料，利用其压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的一种滤波专用器件，广泛应用于电视机及录像机中频电路中，以取代LC中频滤波器，使图像、声音的质量大大提高。声表滤波器、声表谐振器，是在压电基片材料表面产生并传播、且其振幅随深入基片本材料的深度增加而迅速减少的的弹性波。声表面波(SAW)是传播于压电晶体表面的机械波，其声速仅为电磁波速的十万分之一，传播衰耗很小。SAW声表器件是在压电基片上采用微电子工艺技术制作叉指形电声换能器和反射器耦合器等，利用基片材料的压电效应，通过输入叉指换能器(IDT)将电信号转换成声信号，并局限在基片表面传播，输出IDT将声信号恢复成电信号，实现电-声-电的变换过程，完成电信号处理过程，获得各种用途的电子器件。采用了先进微电子加工技术制造的声表面波器件，具有体积小、重量轻、可靠性高、一致性好、多功能以及设计灵活等优点。•介质滤波器介质滤波器利用介质陶瓷材料的低损耗、高介电常数、频率温度系数和热膨胀系数小、可承受高功率等特点设计制作的，由数个长型谐振器纵向多级串联或并联的梯形线路构成。T/R组件的工作原理T/R组件是实现发射和接收两个主要功能，因此T/R组件中主要包含发射通道、接收通道以及驱动控制三个部分，有些T/R组件中还包括了以及低频连接器、射频输入输出、电源控制部分等组件接口部分。T/R组件的设计：典型的T/R组件框图如下所示:发射通道：•主要由增益放大、移相器、衰减器、驱动放大、功率放大器等组成。在发射周期内，