X波段高功率T/R組件的設計與制作

李俊生,蒙 林,張德智

摘 要:介紹一種X波段高功率T/R組件的設計與制作,該組件運用兩只功率放大器裸芯片和一個Wilkinson耦合器設計了一個平衡放大器作為發射通道的高功率末級功放。詳細討論電磁兼容分析和裝配工藝,充分利用了混合集成電路(HMIC)和多芯片組裝(MCM)相結合的技術,該平衡放大器能實現16 W的高功率。

關鍵詞:X波段;T/R組件;末級功放;Wilkinson功分器

中圖分類號:TN62文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-059-03

Design and Manufacture Techniques of X-band High Power T/R Module

LI Junsheng1,MENG Lin1,ZHANG Dezhi2

(1.Physics and Electronic Science College,University of Electronic Science & Technology Group Corporation,Chengdu,610054,China;

2.No.38 Research Institiute,China Electronic Science & Technology of China,Hefei,230031,China)

Abstract:The design and manufacture techniques of X-band high power T/R module are introduced.A balanced amplifier is designed as a final amplifier in transmitter channel for x-band high power T/R module. Two power amplifier chips and a Wilkinson coupler are used. The EMC and the assembly technology are discussed in detail. The output power of the balanced amplifier is 16 Watts by applying the technology combined HMIC with MCM.

Keywords:X-band;T/R module;final power amplifier;Wilkinson divider

0 引 言

隨著電子技術的發展,對現代有源相控陣雷達的要求越來越高,而T/R組件[1,2]是構成有源相控陣雷達的核心部件之一,因此對T/R組件的各個性能[3,4]提出了更高的要求。同時微電子技術和MMIC電路的發展為T/R組件的設計提供了良好的基礎,當前組件技術的發展趨勢是在利用HTCC,LTCC等多層微帶基板的基礎上,集成了一片或數片多功能MMIC電路,再經過微電子互連而成。而這種組件具有體積小、重量輕、性能指標高、一致性好的特點。

在數量相同的一組T/R組件中合成發射功率越大,其雷達照射的范圍則越大,所以研究高功率T/R組件顯得非常重要。而在T/R組件設計時,最關鍵的是功率放大模塊。該組件運用了混合集成電路(HMIC)和多芯片組裝(MCM)相結合的技術,根據現有的制造工藝,設計出一種平衡放大器作為發射通道的末級功放部分,該放大器是兩只功放裸芯片和一個Wilkinson功分器[5]組成的,最終提高了功率的輸出。

1 T/R組件的原理與組成

T/R組件原理框圖如圖1所示,在發射通道,由激勵信號源送來的信號送入組件發射通道經過功率放大器使信號放大后饋至天線輻射單元;在接收通道,從天線收到的微弱信號經接收通道傳到接收機。

圖1 T/R組件原理框圖

組件接收通道包括限幅器、低噪聲放大器和數字衰減器。在組件發射期間,若天線有很大的功率反射,此時限幅器能起到保護低噪聲放大器的作用。組件發射通道則是兩級功放鏈路組成,前兩級采用芯片,而末級高功率放大器為下文重點設計介紹的。

控制電路部分由數字移相器、數字可變衰減器、數字開關和驅動控制芯片組成。為了設計的需要運用了正反向的環形器,一個當作隔離器用,另外一個作環形器用。對于電源部分,因為組件發射功率器件為GaAs器件,其必須要先加負壓(Vgs),后加正壓(Vds),加負壓保護電路就行。

2 設計思路與設計過程

設計T/R組件時,考慮最關鍵的就是末級功放部分,因此本文將對末級功放部分展開詳細探討。

2.1 設計思路

設計一個Wilkinson功分器,采用兩個10 W功率放大器裸芯片進行合成,組成一個平衡放大器。Wilkinson功分器采用了二等分功分器,原理框圖如圖2所示。因為信號在輸入功分器的輸出端是同相位的,所以,注入放大器A之前的信號和放大器B之后的信號需要相移,將其中的一臂增加了λ/4的線長,這樣可以利用如下公式[5] :

S11=0.5S11a-S11b

S12=0.5S12a+S12b

S21=0.5S21a+S21b

S22=0.5S22a-S22b

圖2 采用3 dB Wilkinson功分器的平衡放大器

如果兩個放大器完全相同,那么,S11=0,且S22=0,而且增益S21(S12也如此)等于耦合器的單邊增益。

2.2 Wilkinson功分器[6]的設計與仿真

基于現有的工藝水平,選用的導體為金,其厚度為001 mm,由于LTCC基板的工藝精度不佳,插損比較大,故而利用陶瓷作為介質,其介電常數εr=99,厚度為0635 mm,損耗角正切值為0006。通過軟件仿真可以計算出兩段50 Ω的線寬為W1=06 mm,707 Ω的線寬為W2=023 mm。電阻選為100 Ω的薄膜電阻。

按照上面的初始參數,利用HFSS仿真的結果計算,在X波段,三個端口的駐波均在119以下,兩臂的公分比:端口二約為-3.1 dB,端口三約為-3.5 dB、兩臂的隔離度在-27 dB以下和兩端口的相位差為90°±5°。

2.3 X波段T/R組件的電磁兼容分析

T/R組件中存在著數字信號、模擬信號、微波信號、直流信號和脈沖信號等。因此,電磁兼容設計將是工程實現,調機聯試中的難點,在設計階段,必須充分認識到電磁兼容性設計的重要性。

圖3 Wilkinson功分器仿真設計圖

2.3.1 腔體效應

腔體效應是組件EMC設計中的一個重要環節,除了諧振頻率和相應的Q值會導致組件的不穩定工作以外,腔體內部具體場分布特征也可能導致組件整體性能上的失敗或成品率的下降。這里設計優化的目標是盡量降低腔體內部場分布強度。另外,在熱耗嚴重地方(末級功率放大器芯片)不能有高強度的的場分布,如圖4所示。同時,末級功率放大器的抗失配比對整個支路的穩定性也具有實際意義,而加上吸波材料來解決腔體自激現象也非常有用。

圖4 腔體內部場分布圖

2.3.2 電源完整性

電源的完整性設計對T/R組件的正常穩定工作至關重要,造成電源不穩定的根源主要在于兩個方面:一是器件高速開關狀態下,瞬態交變電流過大;二是電流回路上存在的電感。

通過改變T/R組件內部接地方式,尤其LTCC內部接地方式,可以在多層布線結構要求和地平面阻抗之間找到平衡點,對各種電源之間進行地的隔離等來改善電源之間的干擾等。

3 功率放大器設計的制造工藝

采用中國電子科技集團第55研究所的兩只WFD0049型號GaAs功率管和加工的Wilkinson功分器,此功率管主要參數為:具有高功率輸出(Pout=40.0 dBm@8.5~10.5 GHz)、高增益(Gain=26 dB@8.5~10.5 GHz)、高效率(ηadd=35%)、帶高集成內匹配等優點。準備好后采用如下工藝[7]安裝:

3.1 芯片安裝

針對X波段高功率T/R組件來說,末級功放是發熱較大的功率器件,因此采用的共晶焊,就是通過金錫焊料將裸芯片焊接于芯片載體上,裝配時基板相應位置開孔,帶載體再通過其他方式固定于盒體底部。

3.2 電路互連

末級放大電路互連時,芯片采用金絲熱壓焊,而基板之間的互連以及芯片電容與基板之間的互連都采用金絲球焊,為了改善微波傳輸性能,射頻輸入輸出金絲應該盡量短,盡量使用兩根金絲互連;電源饋電旁路電容離芯片距離應盡量短;大電流饋電焊點應采用兩根或三根金絲,以防單根金絲過流熔斷;饋電焊點可以采用金絲球焊,能夠增加金絲的可靠性;射頻傳輸也采用金絲球焊,同樣增加了金絲的可靠性,射頻傳輸采用金絲壓焊性能更好。結構示意圖如圖5所示。

圖5 采用3 dB Wilkinson功分器的平衡放大器圖

4 X波段高功率T/R組件的分析

如圖6所示,為X波段高功率T/R組件設計的電路布局總體版圖。

根據分析,Wilkinson功分器的插損以0.6 dB來計算,通過計算得到輸出功率達到42.4 dBm,即為17.8 W,而實際制造中考慮到加工工藝水平,結果要差一些,但完全可以達到16 W。

圖6 X波段高功率T/R組件電路布局圖

接收系統的增益大于25 dB,噪聲系數小于4 dB,移相精度為4°(RMS),衰減精度為0.5°(RMS)。

5 結 語

對基于X波段T/R組件的末級功放的理論設計,能滿足高功率的要求。該設計方案正在投版,由于生產周期原因,還要一段時間才能加工出實物,從而進行驗證,并用于正在研制的X波段T/R組件上。同時今后仍將對此改進,如進一步縮小體積,減少插損,及提高隔離度等,將來研制的方向是將所有芯片直接設計在同一塊LTCC基板上,并能達到高性能的T/R組件。

參考文獻

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[5][美]Guillermo Gonzalez.微波晶體管放大器分析與設計[M].2版.白曉東,譯.北京:清華大學出版社,2003.

[6]清華大學《微帶電路》編寫組.微帶電路[M].北京:人民郵電出版社,1976.

[7]姜偉卓,嚴偉,謝廉忠.LTCC多層微波互連基板布局布線設計及制造技術[J].電子工藝技術,2000,21(2):81-83.