0 引言
有源相控阵雷达因波束指向、波束形状可快速变化、可实时形成所需波束形状、实现巨大辐射功率的合成空间，具有同时执行对空搜索、跟踪和识别数百批目标的多任务功能，具有极高的数据更新率、极短的反应时间等优点，已成为国家导弹防御系统和新一代战机等军事领域关注的焦点，得到各个国家和组织的关注和重视，并竞相投入巨资研制和开发。为了提高测距精度和距离分辨率, 要求信号具有大的带宽，为了提高雷达的探测距离和威力，在设备峰值功率受限的情况下，要求信号具有大的时宽，这就要求雷达信号具有大的时宽带宽乘积。脉冲压缩雷达可以通过脉冲压缩技术实现大时宽带宽乘积信号，不需要高能量窄脉冲所需的高峰值功率，就可以实现宽脉冲的能量和窄脉冲的分辨率[1]。脉冲压缩要求系统相位有较好的线性特性，若信号产生相位非线性失真，则在脉冲压缩处理后将产生成对回波脉冲，在相位非线性失真比较大的情况下，这些脉冲出现交叠，则类似于在脉冲压缩处理后脉压后脉冲的副瓣电平升高，出现脉冲展宽的现象，从而降低雷达探测的距离分辨率[2]。T/R组件作为脉冲压缩雷达的核心部件，其相位非线性度对脉冲压缩性能至关重要，决定了脉冲压缩的效果和雷达探测的距离分辨率。
GaAs场效应晶体管大信号模型被提出[3]，也有相关文献从放大器设计的角度提出了相位畸变的原理[4-5]。本文从T/R组件设计出发，提出了一个简化的GaAs功率管模型，从非线性器件、多级放大器耦合效应、组件的腔体效应、封盖效应四个方面分析了T/R组件的相位特性。并从这4个方面出发，提出了优化T/R组件相位特性的方法。文中以一个X波段T/R组件为设计实例，对文中所提优化方法进行设计验证。
1 相位非线性失真定义
对于一个传输系统，设其传输函数为
H(jω)=|H(jω)|ejφ(ω)
(1)
群时延：
(2)
若系统的相移特性为线性，则该系统对信号所有频率的分量具有固定的时延，td为一个与频率无关的常数，则φ(ω)是一个斜率为td的一条直线；若系统为非线性，td为与频率有关的函数，则信号各个频率的分量将受到不同的延迟导致相位失真，φ(ω)不再是一条直线，即产生了相位非线性失真。
系统相位与频率的关系如图1所示。用一条斜率恒定的直线拟合非线性系统的相位，非线性系统相位曲线与所拟合直线的差值曲线为相位线性度曲线，曲线的峰峰值大小即为系统的相位非线性误差，如图2所示。
图1 系统相位与频率的关系
图2 相位非线性误差定义
T/R组件的相位优化的目标是减小其相位非线性误差，优化其相位线性度。
2 引起相位非线性失真的原因
2.1 放大链路非线性器件
T/R组件接收链路中，采用低噪声放大器对接收信号进行低噪声放大。低噪声放大器工作在线性放大区，相位线性度较好，相位失真小。发射高功率放大链路通常由驱动放大器和末级功率放大器组成。驱动放大器输出功率较低，作为推动末级高功率放大器的前级器件，通常工作在器件的线性区域，相位失真小。末级功率放大器通常都工作在器件的饱和区，以获得更大的输出功率和更高的效率。提高效率的负面影响就是给系统带来了严重的相位非线性失真，导致了系统相位的剧烈变化，从而导致了T/R组件发射相位非线性的产生。
放大器的场效应晶体管为非线性器件，是导致放大器相位失真的主要原因。为了分析场效应晶体管的相位失真特性，本文对传统的场效应晶体管大信号非线性模型进行了简化，忽略值较小的漏极和栅极间的反馈电容Cgd和反馈电导Ggd，简化后场效应晶体管的等效电路如图3所示。等效电路中含有4个非线性元件：栅源电容Cgs，栅源电导Ggs，漏源电导Gds，漏栅电导Gdg。在T/R组件中，场效应晶体管通常工作在近饱和区，Gds和Cgs是导致放大器相位失真的主要原因。
图3 共源极场效应晶体管简化等效电路模型
从图3中可以得到S21的相位：
arg(S21)=π-tan-1·
(3)
分别对Gds和Cgs进行求导可得
(4)
改变Gds和Cgs的大小将会影响S21的相位特性。从式(4)中可知，Gds的增加会导致S21的相位的超前，Cgs的增加会导致S21的相位的滞后。
2.2 多级放大器间的耦合效应
T/R组件发射链路设计时，通常会采用多级放大器级联的方式，通过驱动放大器推动末级功率放大器，以保证较大的功率输出。驱动放大器与末级功率放大器间的耦合效应随着其物理间距的减小而增大。特别是在一个密闭的腔体空间内，耦合效应会给T/R组件的相位特性带来较大的影响。
2.3 腔体效应
T/R组件是一个密封的腔体，当腔体的谐振模式落在工作频带内并且Q值较高时，腔体的谐振效应会影响组件相位的线性特性。
2.4 封盖效应
T/R组件封盖的平整度会影响腔体的实际结构，改变腔体的谐振模式和Q值大小，进而引起T/R组件的相位特性的变化。
3 相位优化方法及设计实例
本文设计了一个如图4所示X波段双通道T/R组件，对第2节中所分析的T/R组件相位失真的原因进行设计验证，并以这4个原因为出发点，相应提出了优化T/R组件相位特性的方法。
图4 X波段双通道T/R组件
由式(4)可知，Gds的增加会导致S21的相位的超前，Cgs的增加会导致S21的相位的滞后。为了减小功率放大器对T/R组件相位失真的影响，可以通过改变放大器的直流偏置来改变Gds和Cgs的大小，优化T/R组件相位特性。
末级功率放大器输入输出理想匹配时，相位线性特性与设计值相符。若放大器输出端电路阻抗与功率放大器芯片不能完全匹配，则会影响放大器芯片的工作点，并会引起信号的反射，从而造成T/R组件相位线性度变差。因此，功率放大器的输出匹配对信号的相位特性也有较大的影响，改善放大器的输出匹配，也可以减小T/R组件的相位失真。
3.1 改变栅源电压
设计的T/R组件采用源极接地的共源极放大器，改变栅极电压，栅源电压Vgs会随之改变。Vgs的增加会导致Cgs的增加，从而导致相位滞后。图5为Vgs分别为-0.5，-0.6 和-0.7 V时T/R组件的相位非线性特性。从图中可以看出，随着栅压的减小，T/R组件的相位线性度变好。但是，栅压的减小会导致T/R组件的工作效率降低，超过一定范围则会影响组件的稳定性。在实际使用栅压调节相位非线性特性时，需要综合考虑非线性度、效率和稳定性等综合因素，选择一个最优值。
图5 T/R组件相位非线性度随栅源电压Vgs的变化
3.2 优化末级功率放大器输出匹配
T/R组件放大器芯片通过金丝与外围电路互连，在高频组件中，互连金丝会引入电感特性，从而影响放大器的匹配。可以通过增加调试电容的方式，抵消电感对放大器输出匹配的影响。在设计的X波段T/R组件的末级功率放大器输出端加匹配调试块进行输出匹配调试，如图6所示。图7中列出了增加调试块前后T/R组件相位非线性度，从图中可以看出，加了匹配调试块后组件的发射相位非线性度有了一定的改善。
图6 含有电容调试块的传输线
图7 调节功率放大器输出匹配对T/R组件发射相位非线性度的影响
3.3 减小多级放大器间耦合效应
图8 改进前后驱动放大器与末级功率放大器位置图
从第2节可知，高功率放大器，前级为驱动放大器，两级放大器间空间距离太近会形成级间耦合。特别是因匹配不好存在信号发射以及腔体谐振等情况时，多级放大器间的耦合效应会对T/R组件的相位非线性产生更加明显的影响。图8为改进前后驱动放大器与功率放大器位置图。图9为改进前后T/R组件相位非线性测试结果。从图中可以看出，增加驱动放大器与功率放大器的物理间距，减小多级放大器间的耦合效应，可以优化T/R组件的相位特性。
图9 驱动放大器不同位置时T/R组件的相位非线性特性
3.4 优化腔体结构
如图10所示，在HFSS中对T/R组件腔体进行建模仿真，得到其谐振模式如表1所示。从表1可以看出，T/R组件在X波段范围内有3个谐振模式，且Q值较大。腔体谐振会影响谐振点附近信号的传播，谐振信号会与该频率附近传输放大信号进行叠加，从而影响发射信号的相位线性度。通常情况下，组件的外形尺寸是固定的。为了改善腔体的谐振模式，如图11所示，增加腔体隔金的厚度。增加隔金厚度后新腔体的谐振模式如表2所示，新腔体在X波段内谐振模式减少且Q值较原谐振模式低。图12为两种不同腔体结构对T/R组件相位线性度影响，从图中可以看出，随着腔体在工作频带内谐振模式的减少和Q值的降低，T/R组件的相位线性特性得到了改善。
图10 T/R组件腔体模型
表1 T/R组件腔体本征模
续表
图11 增加腔体隔金厚度的新腔体模型
表2 增加隔金厚度后新腔体的谐振模式
图12 不同腔体结构对T/R组件相位线性度的影响
3.5 减小封盖效应影响
封盖的平整度会影响腔体的实际结构和谐振模式，从而影响组件的电性能。文中设计实例对T/R组件进行激光封盖。第一次封盖后，测得组件相位非线性误差大于封盖前测试结果。检查发现盖板不平整，导致腔体构型改变，影响组件发射相位非线性。将组件盖板拆开后进行重新封盖，保证盖板平整，测得组件相位非线性误差封盖前测试结果基本一致。封盖对组件发射相位非线性影响如图13所示。从图13可以看出，保证封盖平整度可以避免因封盖引起的腔体改变导致组件相位线性度的恶化。
图13 封盖对T/R组件发射相位非线性的影响
本设计中，依照文中提到的4种优化方法对双通道T/R组件进行了改进设计。对改进后的双通道T/R组件进行测试，从图14可以看出，改进后组件两个通道的相位线性度与改进前相比都有显著提高，从改进前的27°优化到10°以内。
图14 T/R组件改进前后发射相位非线性对比
4 结束语
本文从4个方面对T/R组件相位失真产生的原因进行了分析，相应地提出了优化T/R相位特性的方法。设计制造了一个X波段双通道T/R组件，对文中所提优化方法进行设计验证。从测试结果可以看出，优化后T/R组件的相位线性度有了17°的改善。本文所提优化方法切实有效，为T/R组件相位非线性优化具有很好的指导意义。
参考文献：
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