一种收发不同频天线测试系统设计改造

天线设计的原理与实现方式天线是电磁波收发的关键部件，是无线通信中不可或缺的重要元件，不同的天线设计可以实现不同的工作频率、增益、方向性、天线匹配等性能。

本文将介绍天线设计的原理和实现方式，帮助读者更好地理解天线的工作原理和参数设计。

一、天线设计的基本原理天线是将电磁波转换为电信号或反之的电器（电磁设备），它是无线通信系统中的关键部件之一。

天线设计基本原理包括天线性能指标和天线结构设计两部分。

1、天线性能指标天线的性能指标主要包括工作频率、增益、方向性、天线匹配等。

不同的天线类型和应用场景需要不同的性能指标来实现特定的功能。

（1）工作频率工作频率是指天线在工作中所应用的频率范围，通常为频段或中心频率等。

天线的设计要根据应用环境和所需要的信号频率来确定。

（2）增益增益是指天线辐射的功率与理想点源天线辐射的功率的比值，通常以dB为单位。

天线的增益与其结构形式、工作频率、方向性等有关。

（3）方向性方向性是天线传输能量的方向特性，是指天线辐射模式的立体角分布。

天线的方向性与其结构形式、工作频率、增益等有关。

（4）天线匹配天线匹配是指天线系统整体与其驱动器之间阻抗匹配的关系，使得天线系统的传输和接收线路具有最佳阻抗匹配状态，以提高天线的输出功率和信噪比。

2、天线结构设计天线结构设计是指天线的实现方式，包括天线结构形式、阻抗匹配方式、辐射元件、天线材料等方面。

（1）天线结构形式天线结构形式可以分为线性天线、环形天线、阵列天线、反射天线、补偿天线、微带天线、偏振天线等多种形式，每种天线形式都有其特点，应根据具体要求来选择天线结构形式。

（2）阻抗匹配方式阻抗匹配方式主要有天线冷端阻抗、贴片阻抗、隔离光缆、转换器和偶合电路等多种方法。

（3）辐射元件天线的辐射元件包括天线辐射体、驱动器和辅助元件等。

辐射体和驱动器是天线最基本的组成部分，辅助元件包括反射盘、支撑杆、防射线等。

（4）天线材料天线材料主要包括导体、绝缘材料、衬底材料等。

一种旋转对数周期天线设计旋转对数周期天线是一种特殊的天线设计，它能够在不同方向上旋转并且在不同频率上周期性地变化。

这种设计能够帮助天线在多频段和多方向上实现高性能的信号接收和发送，因此在通信和无线电设备中得到广泛应用。

为了实现这一设计，需要采用特殊的材料和制造工艺。

对数周期天线通常由金属或介质材料制成，其结构可以精确地控制天线在不同频率上的性能。

而旋转机制则需要精密的机械设计和控制系统，确保天线能够在不同方向上平稳地旋转。

旋转对数周期天线的制造需要多种工程技术的综合应用，包括材料科学、机械设计、电磁学等多个领域的知识。

在实际应用中，旋转对数周期天线能够发挥出其独特的优势。

它能够覆盖多个频段，成为多频段通信和无线电设备的理想选择。

它能够在多个方向上进行旋转，从而实现全向性的信号接收和发送。

它的高效辐射和接收性能能够提高通信质量，使设备具有更强的抗干扰能力。

旋转对数周期天线在军事通信、卫星通信、移动通信等领域都有着广泛的应用前景。

旋转对数周期天线也面临着一些挑战。

其制造工艺比较复杂，需要精密的加工技术和高精度的控制系统。

由于其结构和机械部件比较复杂，因此成本较高，且维护成本也较高。

由于其在不同频率和方向上的性能需要精确的调节和控制，因此对系统的稳定性和可靠性要求都比较高。

在实际应用中需要综合考虑这些因素，合理评估其成本和性能优劣势。

旋转对数周期天线是一种具有非常广泛应用前景的天线设计。

其多频段、多方向、高性能的特点能够满足现代通信和无线电设备对信号接收和发送的要求，因此在军事、航空、卫星、移动通信等领域都有着重要的地位。

随着材料科学、机械设计、电磁学等多个领域的技术不断发展，相信旋转对数周期天线设计会得到更多的改进和应用。

Hale Waihona Puke ４ ． １ 调 令 的 解释 、 分析、 纪 录与 反 馈
调令 的接收处理过程流程 图如 图１ 。 ２ ． ２采集 指令 分析 其 中调度队列存储调令信息包括 ： 发射机号 、 上天线号 、 开始 时 由于 系统 采用定时获取 系统硬件状态 ， 因此通过定时子程序 ， 间、 结束时间、 开始 日期 、 结束 日期 、 执行周 期， 也就是说系统支持多 可 以找到获取Ｐ Ｌ Ｃ 时钟 、 Ｐ Ｌ Ｃ 状 态子程序Ｍｙ Ｒ ｅ ａ ｄ ， 同时也发现Ｐ Ｌ Ｃ 周期调令 ， 并且支持应急播 出， 紧急播 出开启后 ， 确定 了紧急播 时钟临 时寄存变量 Ｇ ｌ ｏ ｂ ａ ｌ ＿ Ｐ Ｌ Ｃ Ｔ Ｉ ＭＥ， 和Ｐ Ｌ Ｃ 状态 临时寄存变量 日、 出结 束时间 ， 即可再 次下发调令修改紧急播 出的结 束时间。 Ｇ ｌ ｏ ｂ ａ ＬＳ ＹＳ Ｔ Ｅ ＭＳ ＴＡ ＴＥ 。 此采集命令子程序提供 了软件到系统硬 ４ ． ２临 时调 度 操 作 管理 件下达获取信息指令 的接 口， 下达 指令 后， 系统硬件 会按照不同指 通过定时查询调度 队列 ， 执行 网络调令 ， 执行流程 如图２ 。 令进行信息反馈， 此程序为 网络校时和网络上报系统状态提供了数 其中为了调度 执行 的一致性 ， 采用系统硬件 时钟对 比比较 。 子 据基础 。 程序实现从临时调度列表获取开始执行临时调 度， 生成带时 间界限 ２ ． ３ 调 令 结构及 解 释代 码 分析 的Ｉ ｝ 缶 时代播列表记录 ， 同时发送临时代播命令 ， 执行 临时调度 ； 从 临 调令结构及解释是 网络升级的核心 ， 它能够使系统正确识别网 时代播列表获取需要结束的临时代播 ， 执行 代播结束操作 ， 完成 临 络调令 ， 并下发系统硬件 ， 执行相 关操作。 由于网络调令多采用临时 时调度任务 。 当没有 临时调令 时， 系统 自动转到系统硬件 日常运 行 调令形式 ， 因此 ， 通过分析当前系统临时播 出代码， 可以查找临时播 图调度 ， 此时系统调度不再受上级服务器联机影响 ， 提 高了系统的 出存储数据代码和Ｐ Ｌ Ｃ 调度指令代码 。 当前系统临时播 出存储只有 故 障机、 代播机 、 代播天线三个字段 ， 对于 网络调令代播还缺少必要 运 行可 靠 性 。 ４ ． ３四级 网络操 作 管理 的时间界限字段 ， 因此系统升级设计 中又增加 了开始 、 结束时间 ， 开

doi :10.3969/j.issn.1001-893x.2021.06.019引用格式:刘侨,宫振慧,贾双.一种X 频段多通道10W 瓦片收发组件设计[J].电讯技术,2021,61(6):776-779.[LIU Qiao,GONG Zhenhui,JIA Shuang.Design of an X -band multi -channel 10W tile transceiver module[J].Telecommunication Engineering,2021,61(6):776-779.]一种X 频段多通道10W 瓦片收发组件设计∗刘㊀侨∗∗,宫振慧,贾㊀双(中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所,江苏无锡214063)摘㊀要:根据机载雷达需求,设计了一种16通道㊁高集成度的瓦片组件㊂组件频率覆盖整个X 频段,每个通道均可实现低噪声接收㊁大功率发射以及数控衰减和移相功能㊂在设计过程中对垂直互联进行研究,采用椭圆形同轴结构在不牺牲射频传输性能的条件下解决了局部空间不足的难题㊂组件发射支路经由环行器输出到天线口,最终输出功率为10W 以上㊂通过合理布局以及射频走线设计,测试数据满足协议要求㊂组件结构件通过激光焊接实现气密,整个组件尺寸为66mm ˑ84mm ˑ12mm ㊂关键词:机载雷达;瓦片式收发组件;X 频段;椭圆形同轴结构;垂直互联开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务中图分类号:TN802;TN957㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-893X (2021)06-0776-04Design of an X -band Multi -channel 10W Tile Transceiver ModuleLIU Qiao,GONG Zhenhui,JIA Shuang(AVIC Leihua Electronic Technology Research Institute,Wuxi 214063,China)Abstract :According to the requirements of airborne radar,a 16-channel,highly -integrated tile transceiver module is designed.The frequency of the module covers the entire X -band,and each channel can achieve low -noise reception,high -power transmission and digital attenuation and phase -shift functions.In the de-sign process,the vertical interconnection is studied,and the elliptical coaxial structure is used to solve the problem of insufficient local space without sacrificing radio frequency(RF)transmission performance.The module transmitting branch is output from the circulator to the antenne port,and the final output power is more than 10W.Through reasonable layout and optimization of RF design,test data meets protocol require-ments.The module structure is airtight by laser welding and the entire size is 66mm ˑ84mm ˑ12mm.Key words :airborne radar;tile transceiver module;X -band;elliptical coaxial structure;vertical intercon-nection;vertical interconnection0㊀引㊀言收发组件是相控阵雷达中的核心部件,成本占整套雷达的50%以上,主要完成小信号的接收和大信号的发射㊂为了满足现代雷达小型化需求,收发组件采用三维堆叠瓦片形式,较平面式收发组件缩小50%以上,无论是尺寸还是重量都有巨大的优势㊂根据报道,中国电科14所和55所的瓦片组件已经实现量产,功率均集中在瓦级,区别在于前者的组件内部没有环行器,后者的组件已经集成在一起㊂国㊃677㊃第61卷第6期2021年6月电讯技术Telecommunication EngineeringVol.61,No.6June,2021∗∗∗收稿日期:2020-07-22;修回日期:2020-08-12通信作者:421529981@外的瓦片组件报道较少,目前已知的雷神公司的瓦片组件已经交付使用,4通道输出功率不超过5W㊂本文给出了一种X 频段16通道㊁高密度收发组件的设计㊂组件输出功率为10W,6位移相和衰减,内部垂直互联部分采用椭圆同轴结构实现射频信号的低损传输㊂1㊀收发组件原理TR 组件收发分时工作,原理框图如图1所示㊂接收状态时小信号经由环行器㊁限幅器㊁低噪声放大器㊁多功能芯片㊁功分器进入后面的低功率处理单元;发射状态时小信号经由功分器㊁多功能芯片㊁驱动放大器㊁功率放大器和环行器输出到辐射器,最后由阵面将能量辐射出去㊂图1㊀TR 组件原理框图多功能芯片由开关㊁移相器㊁衰减器和放大器组成㊂由于组件分时工作,这些器件可以收发共用㊂一般衰减和移相位数为6位,在接收和发射态完成信号的快速变换,实现波束控制等功能㊂TR 组件主要指标要求输出功率10W,噪声系数小于3.5dB,移相均方小于5ʎ,衰减均方小于1dB㊂一个集合口,16个收发通道㊂天线口使用环行器实现收发切换,同时散热面紧贴集合口㊂2㊀收发组件设计2.1㊀收发电路设计组件的三维爆炸图如图2所示㊂TR 组件散热面紧贴集合口,功率放大器需焊接在散热面上(图2中部件1上部)㊂低噪声放大器和环行器紧靠天线口(图2中部件5位置),保证噪声系数能满足指标要求㊂整个组件输入输出口的接插件均为玻璃烧结结构,同时结构件通过激光焊接来保证整个组件气密性㊂图2㊀组件三维爆炸图TR 组件一致性非常重要,包括相位以及幅度的一致性㊂电路版图尽量对称设计,同时在链路上设计调相器以及固定衰减器,通过微调来保证每个通道的一致性㊂本设计接收链路增益为20dB,发射链路增益为28dB,链路内置了衰减器,实际局部增益更大㊂功放芯片热耗很大,若热量没法及时导出,功放的功率以及效率都会下降,严重情况下会烧毁芯片㊂在电路设计中,功放需要直接贴在散热面上;同时多功能芯片和低噪声放大器芯片间容易串扰,需要做好隔离㊂组件由两块电路板组成,分别为多功能功分发射板以及环行接收板,均为射频电路压合板,板间通过毛纽扣实现垂直互联,布局如图3所示㊂图3㊀多功能功分发射板环行接收板多功能功分发射板紧贴散热冷板,大功率功放焊接在这块冷板上,如图4中A3所示㊂考虑信号屏蔽,射频电路采用带状线形式,电路局部挖腔,芯片均下沉在腔体内避免信号出现串扰㊂其中多功能芯片A1和驱放A2设计在一个腔体内,功放则在另一个单独的腔体内㊂㊃777㊃第61卷刘侨,宫振慧,贾双:一种X 频段多通道10W 瓦片收发组件设计第6期图4㊀A 区域内芯片分布图在图5中,B1为功分器裸片,尺寸很小,带内插损为0.5dB,隔离度大于22dB㊂功分器粘接在小腔体内,通过金丝键合方式与带状线相连㊂图5㊀B 区域内芯片分布图接收环行板器件布局在图6中给出,主要由环行器和低噪放组成㊂D1㊁D2㊁D3分别为环行器㊁限幅器㊁低噪放,D4为天线口㊂芯片通过导电胶粘接在小腔体内,环行器粘接在结构件上,通过金丝键合与带状线相连㊂射频走线为了凑相位导致折弯较多,保证组件每个通道的相位一致性㊂图6㊀D 区域内芯片分布图2.2㊀垂直互联设计垂直互联框架具体形式如图7所示,内置垂直互联同轴,同时在每个通道位置 凹 型挖槽,给芯片预留空间同时也能起到通道间的隔离作用㊂图7㊀垂直互联框架组件垂直互联采用毛纽扣加介质柱的同轴形式来实现㊂介质采用聚四氟乙烯,不仅体积小,还可以保证良好的微波传输性能㊂毛纽扣直径为0.508mm,压缩状态下会膨胀10%,仿真模型如图8所示㊂图8㊀毛纽扣垂直过渡模型带状线到毛纽扣之间的过渡由于空间紧凑,介质柱采用椭圆结构,与一般的圆形同轴相比,在某个方向上尺寸减小,但是在另一个方向会变大较多,具体尺寸较随意,只需要保证是50Ω的特性阻抗就行㊂通过HFSS 软件建模仿真,仿真结果表明其性能很好,整个频段内S 11和S 22均在-40dB 以下㊂3㊀结构工艺实现X 频段收发组件两层印制材料均为微波多层板㊂兼顾热膨胀系数的匹配㊁导热性㊁激光焊接性能㊁重量等方面的要求,收发组件结构件材料选择如㊃877㊃ 电讯技术㊀㊀㊀㊀2021年表1所示㊂表1㊀组件结构件材料选型结构件材料多功能功分发射板盖板CE11(Al50Si50)环行接收板盖板CE17(Al73Si27)为满足组件产品气密性要求,产品对外接口SMP㊁SSMP 接头㊁15芯矩形插座均采用玻璃烧结的密封器件,并采用回流焊工艺实现气密;结构件间采用激光焊工艺实现气密,即多功能功分发射板盖板及环行接收板盖板进行激光焊接实现密封㊂整个工艺设计主要涵盖射频基板大面积接地互连㊁元件及连接器的组装与焊接㊁芯片共晶焊接㊁芯片环氧粘接㊁芯片键合互连㊁板间垂直互联㊁激光密封焊接及三防处理等㊂射频基板可采用成熟的共晶烧结工艺,进行电路板与组件盒体间的焊接;可采用共晶焊接的工艺,实现高功率芯片与钼铜载体互联,构成高功放芯片组件的部件,实现良好散热的效果;片式阻容元件㊁接插件均采用成熟的再流焊接的工艺方法与多层板及盒体互联;高功放芯片组件采用低温焊膏焊接至盒体;其余芯片及部件均采用导电胶进行胶接;芯片㊁微带板等之间互联采用金丝或金带的引线键合工艺;盒体整体密封采用激光焊接,满足国军标气密性要求;最后进行整体组件的 三防 及打标处理,保证产品的长期高可靠使用的要求㊂组件实物如图9所示,上下两个15芯接插件,分别为供电和控制接口㊂一个集合口采用SMP 接插件,16个天线口采用SSMP 接插件㊂整个组件尺寸为66mm ˑ84mm ˑ12mm㊂图9㊀TR 组件实物图4㊀实测结果组件的效率受发射输出功率影响很大㊂组件内部GaN 功放的输出功率为42dBm,毛纽扣损耗为0.5dB,环行器在X 频段的中心频点损耗为0.6dB,两个边带会恶化到0.8dB,实测结果见表2㊂表2㊀TR 组件实测结果测试项目指标要求测试数据接收增益/dB ȡ20ȡ20发射功率/dBm ȡ40ȡ40噪声系数/dB ɤ3.5ɤ3.2移相均方/(ʎ)ɤ5ɤ4衰减均方/dB ɤ1.0ɤ0.7组件效率(10%占空比)/%ȡ22ȡ24质量/g ɤ150140测试条件在实验室进行,仪器主要为是德科技的矢量网络分析仪N5244A㊁信号源E8257D 和功率计N1911A 等㊂组件测试数据均为最差指标㊂组件输出功率为10W,噪声系数优于3.2dB,同时均方也满足系统要求㊂组件质量140g,满足指标要求㊂5㊀结㊀论组件尺寸较小,同时内置了环行隔离组件,整个组件内部芯片的布局就显得尤为关键㊂组件测试结果良好,可以满足系统的使用要求㊂但是在装配以及测试过程中,毛纽扣的报废率有点高,这个问题还有待研究和改进㊂参考文献:[1]㊀胡明春,周志鹏,严伟.相控阵雷达收发组件技术[M].北京:国防工业出版社,2010.[2]㊀刘卫强,巨景超,郭超.Ku 频段多通道瓦片式T /R 组件的设计[J].现代导航,2019(2):136-141.[3]㊀张慧锋,季帅,严少敏.小型化Ku 频段瓦片式TR 组件设计[J].中国西部科技,2015(5):45-47.[4]㊀王立发.一种X 频段瓦片式T /R 组件的设计与实现[J].信息与电脑,2017(8):183-185.[5]㊀赵怡,桂进乐,李骦.等.一种瓦片式T /R 组件的研制[C]/2019年全国微波毫米波会议论文集(下册).广州:中国电子学会,2019:750-752.[6]㊀严伟,吴金财,郑伟.三维微波多芯片组件垂直微波互联技术[J].微波学报,2012,28(5):1-6.[7]㊀徐利,王子良,胡进.等.基于毛纽扣的LTCC 微波模块垂直互连技术[J].固体电子学研究与进展,2013(12):538-541.[8]㊀张之光,徐正,刘骁,等.一种用于瓦片式T /R 组件的垂直互联方式[J].科学技术与工程,2013(4):3104-3108.作者简介:刘㊀侨㊀男,1986年生于江苏无锡,2011年获工学硕士学位,现为工程师,主要研究方向为TR 组件㊂宫振慧㊀男,1988年生于山东莱阳,2016年获工学硕士学位,现为助理工程师,主要研究方向为TR 组件㊂贾㊀双㊀女,1987年生于河北唐山,2014年获工学硕士学位,现为助理工程师,主要研究方向为TR 组件㊂㊃977㊃第61卷刘侨,宫振慧,贾双:一种X 频段多通道10W 瓦片收发组件设计第6期。

并最大程度地保障测量的一致性。
计 与 实 现 【】２ ０ 年 全 国 天线 年 会 论 文 集 ： ３ ４ １ ３ ． Ｃ＿０ ９ １３ — ３ ８ Ｉ】 伟 ２陈 王桂 琼， 燕 ． 口网 络 Ｓ 数 测 量 误 差 校 正 分 析及 漆 双 参
应 用 ［】仪 器 仪 表 学 报 ０ ５７ ： ５ — ６ Ｊ ２ ０ （） ７ ７ ７ ０
的Ｓ 参数
免了以往校准 中拆卸和安装线缆导致的测试一致性 出现偏 差等 问题 ，较大地提高 了生产效率 和测试质量。
得 到校准过 的测量结果 。 在 实际 系统 中 ，上 述 的校 准计算 都是在 计算机程 序
中实现 的 ，矢量网络 分析仪 本身并 不需要再 次校准 。 同
端到端Ｌ Ｅ Ｔ 解决 方案 ；诺 西则 将 在 杭 州提 供 ２３ ｚ ＧＨ Ｄ Ｌ Ｅ 统 设 备 ，开 展 规 模 技 术 试 验 。 ＧＨ ／ ６ ｚ — Ｔ 系 ２ Ｔ
据 了 解 ，全 国 Ｔ Ｌ Ｅ 模 试 验 网 部 署 项 目将 覆 盖 ６ 城 市 ， 包 括 上 海 、杭 州 、 南 京 、 广 州 、 深 圳 及 厦 Ｄ— Ｔ 规 大
成 为 首 批 通过 测试 并 获 得认 可 的通 信 设 备商 。
２ １ 年 １ ，工 信 部 和 中 国移 动 共 同 组 织 启 动 了Ｔ Ｌ Ｅ ００ 月 Ｄ— Ｔ 多项 实验 室 和 外 场 验 证 及 测 试 项 目 ，全 球 主 流 通 信 设 备 制造 商 参 与 其 中。
时的 ，并不会带 来测 量效 率的降低 。 相 比起原 有的 １ 参 数Ｓ Ｔ 准 方式 ，这里 并没 有 ２ ＯＬ 校 要求校准件是标准的 ，而只需知道校准件 的真实Ｓ 参数 即
可。 因此 ，校准件 可以按 照夹具 的样式 自行制作 。其优 势在于 ，校 准时 不需拆卸线 路 ，可以节省 大量的 时问 ，

一种阵列天线有源驻波比测试方法
阵列天线是由多个天线单元组成的天线系统，可以实现多波束形成和波束扫描等功能。

在阵列天线的设计和优化过程中，常常需要测试阵列天线的性能，其中一个重要的指标就是驻波比。

驻波比是用来描述阵列天线系统中的阻抗匹配情况的一个参数，它反映了输入信号和输出信号之间的匹配程度。

当阵列天线的输入端口与发射器或接收器之间的阻抗不匹配时，会产生驻波，从而引起信号的反射和损耗。

因此，通过测试驻波比可以评估阵列天线的匹配性能，提供指导优化设计的依据。

下面介绍一种常用的阵列天线有源驻波比测试方法：
1. 准备测试设备：包括信号发生器、功率计、驻波比测试仪等。

2. 设置测试频率：根据实际需求，选择适当的测试频率。

3. 连接测试设备：将信号发生器连接到阵列天线的输入端口，将功率计连接到天线的输出端口。

4. 设置测试参数：根据测试要求，设置信号发生器的输出功率和频率，以及功率计的测量范围。

5. 测量驻波比：逐步改变信号发生器的频率，记录功率计测量到的反射功率和正向功率，计算得到驻波比。

6. 分析测试结果：根据测量到的驻波比数据，评估阵列天线的匹配性能。

如果驻波比较小，接近于1，则说明阵列天线的匹配性能较好；如果驻波比较大，接近于无穷大，则说明阵列天线存在严重的阻抗不匹配问题。

还可以通过改变阵列天线的结构参数、优化天线布局和调整天线单元间的耦合方式等方法，进一步改善阵列天线的匹配性能。

阵列天线的有源驻波比测试是评估阵列天线匹配性能的重要手段之一。

通过合理选择测试设备和参数设置，可以准确地测量阵列天线的驻波比，并据此优化设计，提高阵列天线的性能。